林永水 孔祥韶 郭國(guó)虎 胡灝天 任鵬良 王 卓 ＊吳衛(wèi)國(guó)

（1.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 綠色智能江海直達(dá)船舶與郵輪游艇研究中心 武漢430063；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 武漢430063）

引 言

郵輪被造船界譽(yù)為“皇冠上最耀眼的明珠”，其衍生的各類產(chǎn)業(yè)均具有極高的經(jīng)濟(jì)附加值［1］。如何攻克大型郵輪設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)大型郵輪自主設(shè)計(jì)建造“從0到1”的突破，是當(dāng)前我國(guó)造船界的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

郵輪產(chǎn)業(yè)在國(guó)外已有逾百年發(fā)展歷史，其設(shè)計(jì)建造配套產(chǎn)業(yè)鏈完整。英國(guó)勞氏船級(jí)社出版的ShipRight Design and Construction-Structural Design Assessment中客船章節(jié)，對(duì)多層甲板客船（包含大型郵輪）的總強(qiáng)度和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程作了詳細(xì)規(guī)定［2］。我國(guó)郵輪設(shè)計(jì)剛起步，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)大型郵輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］對(duì)郵輪總縱強(qiáng)度進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)［5］對(duì)郵輪上層建筑參與總縱強(qiáng)度程度進(jìn)行了研究，而對(duì)郵輪上層建筑局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和輕量化設(shè)計(jì)的研究較少。對(duì)于郵輪上層建筑局部結(jié)構(gòu)研究國(guó)外公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)極少。

郵輪與一般客船的主要區(qū)別在于，前者須為乘客提供多種類、高密度，且高規(guī)格的服務(wù)功能，這些服務(wù)包括但不限于：舒適的住宿空間、優(yōu)美的觀光體驗(yàn)，充足的娛樂(lè)設(shè)施以及安全的搭乘環(huán)境［6］。上述服務(wù)功能的集成，最終表現(xiàn)為郵輪極為發(fā)達(dá)的上層建筑（包含各種類功能艙室），以滿足船上人員及乘客的生活和娛樂(lè)需求。同時(shí)為保證結(jié)構(gòu)安全性和控制郵輪重量重心，諸如開(kāi)孔高腹板板架結(jié)構(gòu)，支柱結(jié)構(gòu)，以及舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)形式被靈活應(yīng)用于郵輪結(jié)構(gòu)。這也是大型郵輪設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

以某大型郵輪為例，對(duì)其上層建筑典型的特殊結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的承載能力特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究，為郵輪上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 郵輪典型特殊結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)各功能艙室布置要求所衍生出的各類特殊結(jié)構(gòu)形式，可在滿足艙室布置功能前提下，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)安全性指標(biāo)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)郵輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，主要有以下幾種典型特殊結(jié)構(gòu)形式。

1.1 開(kāi)孔高腹板板架結(jié)構(gòu)

由開(kāi)孔高腹板T型鋼梁、甲板以及若干骨材所組成的板架結(jié)構(gòu)，廣泛分布于目標(biāo)郵輪上層建筑各功能艙室結(jié)構(gòu)中，是最為常見(jiàn)的一類特殊結(jié)構(gòu)。如前所述，現(xiàn)代郵輪上層建筑所涉及功能艙室眾多。船上人員對(duì)溫度、舒適度等方面的需求直接導(dǎo)致郵輪管路系統(tǒng)走線極為復(fù)雜［7］。另一方面，由于大型郵輪具備極為發(fā)達(dá)的上層建筑，船體重心高度的控制也會(huì)直接影響到郵輪穩(wěn)性。采用開(kāi)孔高腹板板架結(jié)構(gòu)的作用包括：

（1）利于電纜、風(fēng)管、水管等管路系統(tǒng)的鋪設(shè)；

（2）讓公共設(shè)施從開(kāi)孔梁中通過(guò)，進(jìn)一步壓縮郵輪內(nèi)部空間，降低層高；

（3）有效降低船體結(jié)構(gòu)自重。

以目標(biāo)郵輪開(kāi)孔高腹板板架結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)形式類似普通船舶的縱骨架式結(jié)構(gòu)，甲板上沿船長(zhǎng)方向布置有數(shù)量較多的T型材及球扁鋼，而在沿船寬方向則每隔4個(gè)肋位布置有1根T型材作為橫梁。板架上的縱桁和橫梁普遍采用腹板高度為450 mm的T型材，屬于腹板高度較大的一類型材，普通船舶較少會(huì)使用到。局部區(qū)域還可能出現(xiàn)構(gòu)件的尺寸過(guò)渡變化。如圖1所示，縱桁及強(qiáng)橫梁腹板上，均設(shè)有數(shù)量較多的開(kāi)孔。腹板開(kāi)孔形狀分為圓孔和腰圓孔兩種，其中圓孔和腰圓孔直徑均為250 mm。

圖1 郵輪開(kāi)孔高腹板

郵輪板架鋼梁上的腹板開(kāi)孔，集中表現(xiàn)為開(kāi)孔尺寸大，位置密集，排布具有規(guī)律，無(wú)補(bǔ)強(qiáng)等特點(diǎn)，開(kāi)孔區(qū)域約占腹板總面積的30%～45%。

1.2 支柱結(jié)構(gòu)

大型郵輪上層建筑中，布置有各類空間跨度較大的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)一般是用作大型的影院、劇院或中庭。在這些結(jié)構(gòu)中布置縱橫艙壁作為支撐會(huì)嚴(yán)重破壞空間功能性，影響乘客的游玩體驗(yàn)。為了在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，盡可能保留更多可供乘客活動(dòng)的空間，郵輪設(shè)計(jì)會(huì)選擇在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置大量的支柱以對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。

在船體結(jié)構(gòu)中，支柱作為傳遞甲板載荷的有效支撐構(gòu)件得以廣泛應(yīng)用。相較于艙壁結(jié)構(gòu)，支柱結(jié)構(gòu)較輕且承載能力強(qiáng)，布置也較靈活，對(duì)船體艙室功能區(qū)的劃分影響較小［8-9］。以目標(biāo)郵輪為例，分別使用了截面形狀為方形、圓形和工字形的三類型材作為支柱，且管鋼支柱的使用最為頻繁。如圖2所示，支柱的布置位置主要集中在幾個(gè)特定半寬剖面上，并沿船長(zhǎng)方向每隔4個(gè)肋位進(jìn)行布置。上下相鄰支柱間的連接形式，根據(jù)局部布置特點(diǎn)，分為同心連接和偏心連接。由于支柱通常被布置在郵輪甲板縱桁和橫梁的相交處，郵輪設(shè)計(jì)建造中應(yīng)特別注意支柱與甲板的連接方式。

圖2 郵輪支柱布置圖

此外，不同布置位置上的支柱尺寸也存在明顯差異，具體表現(xiàn)為同一截面形狀支柱，位于下方的支柱尺寸會(huì)稍大于上方支柱。支柱截面形狀及尺寸通過(guò)大量精細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作確定。

1.3 舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)

如圖3所示，大型郵輪上層建筑兩側(cè)舷側(cè)甲板上設(shè)有密集的開(kāi)口，這些開(kāi)口形狀各異、尺寸較大，但布置相對(duì)規(guī)律，主要用作郵輪海景房的觀景舷窗。不同于普通客船，郵輪舷側(cè)開(kāi)口尺寸更大、數(shù)量更多，會(huì)對(duì)船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成極大的影響。

圖3 郵輪舷側(cè)開(kāi)口

舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的舷側(cè)板上布置有數(shù)量較多的扶強(qiáng)材以及骨材，以對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在對(duì)扶強(qiáng)材和骨材進(jìn)行布置時(shí)，一般會(huì)保證舷側(cè)板上的每一個(gè)開(kāi)口周圍，均被由扶強(qiáng)材和骨材組成的框架所包圍，以期達(dá)到最佳的補(bǔ)強(qiáng)效果。與此同時(shí)，開(kāi)口角隅所存在的應(yīng)力集中問(wèn)題，也應(yīng)該特別注意。目標(biāo)郵輪在對(duì)舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)角隅區(qū)域的補(bǔ)強(qiáng)上，主要采用對(duì)稱角隅增焊補(bǔ)板的方式［10］。補(bǔ)板的位置、范圍以及厚度需要大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作來(lái)確定。

2 郵輪特殊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

2.1 開(kāi)孔高腹板板架不同變量影響因素研究

2.1.1 甲板板厚對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力影響

郵輪上層建筑甲板板架中的甲板板厚，會(huì)隨著甲板高度不同發(fā)生變化、設(shè)置開(kāi)孔高腹板板架系列仿真工況、調(diào)整甲板板厚參量，探究板厚變化對(duì)板架縱向受壓極限能力的影響。有限元模型及仿真失穩(wěn)形式如下頁(yè)圖4所示。有限元模型采用簡(jiǎn)支邊界條件，施加縱向軸壓載荷。系列仿真共設(shè)置11組不同甲板板厚計(jì)算工況，工況參數(shù)及最終計(jì)算得到載荷位移曲線如表1和圖5所示。

圖4 開(kāi)孔高腹板板架仿真結(jié)果

表1 不同板厚系列工況 mm

圖5 不同甲板板厚載荷位移曲線

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，板架失穩(wěn)主要發(fā)生在腹板開(kāi)孔處，開(kāi)孔是其薄弱位置。根據(jù)各工況載荷位移曲線，隨著甲板板厚的不斷增加，板架的極限載荷也隨之增加。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，甲板板厚與板架極限承載力之間的關(guān)系，大致為板厚每增加1 mm，板架極限載荷增加85 t，增長(zhǎng)幅度約為16%。由上述現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，甲板板厚對(duì)板架極限承載能力至關(guān)重要。郵輪設(shè)計(jì)需要在板架板厚與板架重量間尋找合適的平衡點(diǎn)。

2.1.2 縱骨間距對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力影響

設(shè)置開(kāi)孔高腹板板架系列仿真工況，調(diào)整有限元模型縱骨間距大小，探究縱骨間距對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。仿真工況參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同縱骨間距系列工況 mm

由于調(diào)整模型縱骨間距后，模型面板寬度隨之發(fā)生變化，直接比較各工況極限載荷將不符合控制變量的原則。因此轉(zhuǎn)而對(duì)比各工況板架的應(yīng)力變化水平，將仿真計(jì)算得到各工況最大應(yīng)力值與縱骨間距間的關(guān)系繪制如圖6曲線。

圖6 不同縱骨間距極限應(yīng)力曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，隨著模型縱骨間距的不斷增加，板架極限應(yīng)力首先出現(xiàn)緩慢的增加，隨后以較快的速度出現(xiàn)衰減。這主要是因?yàn)榭v骨間距增加，甲板板的柔度增加，與腹板柔度差異進(jìn)一步加大，板格的長(zhǎng)寬比變小導(dǎo)致屈曲半波數(shù)目減小，更容易接近低階屈曲模態(tài)，進(jìn)而失穩(wěn)。

2.1.3 腹板開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力影響

高腹板鋼梁上的開(kāi)孔會(huì)直接影響到局部結(jié)構(gòu)承載能力，同時(shí)鋼梁腹板開(kāi)孔又可有效降低結(jié)構(gòu)重量［11］。分別建立腹板開(kāi)孔和腹板無(wú)開(kāi)孔的板架模型，調(diào)整甲板板厚，探究不同甲板板厚情況下，腹板上的開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。

隨著板架甲板板厚逐漸增多，板架柔度逐漸減小。圖7為有無(wú)開(kāi)孔高腹板板架極限應(yīng)力比值隨板架柔度變化的散點(diǎn)分布圖，其中藍(lán)色粗虛線表示有開(kāi)孔板架極限應(yīng)力與無(wú)開(kāi)孔板架極限應(yīng)力的比值為1，紅色細(xì)虛線則表示比值為0.85。由散點(diǎn)分布圖可以看到，隨著板架柔度的逐漸增大，有/無(wú)開(kāi)孔板架極限應(yīng)力比值出現(xiàn)了一定程度的起伏。在柔度大于4的區(qū)域，極限應(yīng)力比值均小于0.9?？紤]到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備，可基本認(rèn)為目標(biāo)郵輪高腹板上的開(kāi)孔直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料利用率下降約15%。

圖7 有/無(wú)開(kāi)孔模型極限應(yīng)力比值

2.2 支柱結(jié)構(gòu)偏心度仿真分析

大型郵輪上層建筑中的各類空間結(jié)構(gòu)大量使用到支柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。相比于一般客船，大型郵輪對(duì)于內(nèi)裝的外觀美學(xué)設(shè)計(jì)極為重視，在保證結(jié)構(gòu)流線美觀的同時(shí)，也犧牲了一定的結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而衍生出各類偏心支柱結(jié)構(gòu)。下面對(duì)偏心支柱進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，參見(jiàn)圖8。

圖8 郵輪偏心支柱

偏心度代表上下兩相鄰支柱軸線的相對(duì)偏移量，是影響支柱連接結(jié)構(gòu)的主要參量之一。支柱偏心度根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：d為上下兩支柱的軸心間距，mm；D1為上支柱直徑，mm；D2為下支柱直徑，mm。

設(shè)置偏心支柱結(jié)構(gòu)系列仿真工況，調(diào)整模型上下支柱偏心度，探究偏心度對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。表3為系列仿真工況參數(shù)以及最終計(jì)算得到的各工況極限承載力。

表3 支柱結(jié)構(gòu)系列仿真工況及極限承載力

將各上下支柱直徑比下，不同偏心度的極限承載能力繪制如圖9曲線。

圖9 支柱偏心度-極限承載力曲線

由圖9可以看到，隨著偏心度由0.11增大至1.27，支柱結(jié)構(gòu)的極限承載能力出現(xiàn)明顯下降，且偏心度越大，支柱結(jié)構(gòu)極限承載能力的下降幅度也越大。同時(shí)，隨著下支柱直徑的逐漸減小，結(jié)構(gòu)承載能力同樣出現(xiàn)明顯下降，圖中代表各直徑比曲線成明顯分離趨勢(shì)。偏心度對(duì)支柱結(jié)構(gòu)承載能力的影響十分顯著，對(duì)郵輪上支柱結(jié)構(gòu)偏心度較大的位置，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2.3 舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)仿真分析

通過(guò)改變舷側(cè)開(kāi)口距離下方縱骨的間距以及舷側(cè)板的厚度，設(shè)置多組仿真工況，探究舷側(cè)開(kāi)口位置及舷側(cè)板厚對(duì)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的影響［12］。仿真工況參數(shù)見(jiàn)表4。仿真模型選取連續(xù)三跨舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)，施加軸壓載荷，圖10為工況1的舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力云圖。

圖10 舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力云圖

表4 舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)仿真工況 mm

圖11 舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)

將各舷側(cè)板厚下，開(kāi)口角隅應(yīng)力集中系數(shù)隨開(kāi)口位置下移的變化曲線繪制于圖11。由圖11可以看到，同一舷側(cè)板厚下，隨著開(kāi)口不斷遠(yuǎn)離板格中心，應(yīng)力集中系數(shù)均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。表明當(dāng)開(kāi)口位于板格中心時(shí)，舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)擁有更好的承載能力以及更低的應(yīng)力水平。同時(shí)還可以看到，舷側(cè)板厚度對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平同樣有著較大影響，板厚為18 mm的舷側(cè)板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于板厚為12 mm的舷側(cè)板結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)郵輪上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并采用有限元方法對(duì)特殊結(jié)構(gòu)承載能力特性進(jìn)行分析，得出下列結(jié)論：

（1）甲板板厚是影響開(kāi)孔高腹板板架結(jié)構(gòu)承載能力主要的參量，適當(dāng)增加甲板板厚可有效提升板架強(qiáng)度?？紤]到郵輪上層建筑甲板面積較大，甲板板厚的選取除局部強(qiáng)度，還須考慮結(jié)構(gòu)對(duì)船舶重量重心的影響。

（2）縱骨間距過(guò)大，會(huì)使板架強(qiáng)度顯著下降，而減小縱骨間距至一定程度，高腹板結(jié)構(gòu)承載能力的變化將不再明顯，設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理間距可提高承載能力。

（3）板架鋼梁腹板上的開(kāi)孔會(huì)影響結(jié)構(gòu)承載能力。以目標(biāo)郵輪為例，有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的極限承載能力約為無(wú)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的85%，高腹板梁上合理開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大，有利于降低空船重量重心。

（4）偏心度對(duì)支柱連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響顯著，且隨著偏心度的增大，結(jié)構(gòu)承載能力的下降幅度也越大。對(duì)郵輪上層建筑中不得不使用大偏心度支柱連接結(jié)構(gòu)的位置，需要通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)，增大上下支柱尺寸等方式來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全。

（5）當(dāng)開(kāi)口位于舷側(cè)板中部，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相對(duì)更低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能保證舷側(cè)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的開(kāi)口區(qū)域距離舷側(cè)板邊緣不要過(guò)近，并對(duì)角隅補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化。

（6）基于我國(guó)船舶的設(shè)計(jì)建造規(guī)范，建立郵輪特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和強(qiáng)度衡準(zhǔn)，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。