朱紅娟，葛珅瑋，張衛(wèi)

(招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000)

大型豪華郵輪通常有數(shù)以千計的艙房，國外造船廠普遍采用艙室單元技術建造居住艙室[1]。模塊化艙室單元絕大部分在工廠制作好，運送至現(xiàn)場后，逐個吊裝至指定位置。該技術可降低建造成本，提高了內(nèi)裝質(zhì)量，大幅縮短了施工周期。我國在豪華郵輪設計建造上剛剛起步，迄今為止，國內(nèi)鮮有豪華郵輪艙室單元結(jié)構(gòu)強度及變形控制相關的研究[2]。艙室單元是大跨度的薄板焊接結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)運和吊裝過程中極易發(fā)生變形，如果變形較大，將會影響艙室單元的美觀、吊裝進艙的定位安裝，甚至會破壞預裝的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)。為深入掌握艙室單元的受力特點、變形規(guī)律，以及相對變形規(guī)律，以某郵輪超大艙室單元為例，采用有限元分析方法，選取艙室單元3種典型的狀態(tài)：靜止狀態(tài)、吊裝狀態(tài)、工作狀態(tài)，分別計算其應力和變形，并分析工作狀態(tài)和吊裝狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)的相對變形，以期掌握艙室單元的應力分布和變形規(guī)律，并找到相對變形的控制方法。

1 艙室單元的結(jié)構(gòu)設計概況

郵輪艙室單元主體是長方體結(jié)構(gòu)，共3層，自上而下分別為：頂層甲板、二甲板、一甲板、底層甲板。整個艙室單元長20 290 mm、寬10 690 mm、高9 414 mm。艙室單元的各層甲板板厚5 mm。橫、縱艙壁板厚6 mm，板材均較薄。各層甲板均采用縱骨架式，除底層甲板以外，其他層甲板沿長度方向僅設置3道強橫梁，間距5 000 mm。強橫梁的構(gòu)件尺寸為T400×8/150×8。艙室單元縱、橫艙壁上設置大小為L150×70×7的骨材，間距800 mm。艙室單元層高，根據(jù)艙室所需凈空間、橫梁高度、甲板板架的變形量綜合確定。

2 艙室單元的結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型

艙室單元結(jié)構(gòu)分析基于有限元方法，采用通用有限元軟件Femap with Nastran進行分析。有限元網(wǎng)格大小為500 mm×800 mm。吊耳局部位置采用大小為35 mm×35 mm的細網(wǎng)格，見圖1、2。

圖2 吊耳細化有限元模型

艙室單元的甲板，橫艙壁，橫梁腹板等主要結(jié)構(gòu)均采用4節(jié)點的板單元模擬，在高應力區(qū)盡可能避免使用三角形單元，特別是吊耳開孔周圍等應力梯度大的區(qū)域。

由于舾裝，通風，管系，電氣，木作，油漆等結(jié)構(gòu)重量未包含在有限元模型中，統(tǒng)計艙室單元各構(gòu)件的重心見表1。

表1 艙室單元及其各部分的抽質(zhì)量、重心

通過放大重力加速度的方法，使有限元模型的總質(zhì)量與實際艙室單元質(zhì)量一致。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的密度，使得結(jié)構(gòu)重心與艙室單元吻合[3]。

2.2 計算工況

根據(jù)艙室單元的狀態(tài)，考慮3種典型工況。

1)艙室單元靜止狀態(tài)。艙室單元靜止狀態(tài)時只考慮自身重力。評估艙室單元靜止狀態(tài)下的強度和變形。

2)艙室單元吊裝狀態(tài)?？紤]起吊瞬間慣性載荷的影響，慣性載荷的垂向加速度取az=1.1g。計算艙室單元吊裝狀態(tài)下的強度和變形，并計算吊裝相對于靜止狀態(tài)的相對變形。

3)艙室單元工作狀態(tài)。艙室單元吊裝到位后，除了自重以外，主要是游客引起的載荷。所以主要考慮游客對各層甲板及樓梯產(chǎn)生的載荷。

參照DNVGL-RU-SHIP-Pt3[4]中2.2.1節(jié)，住宿區(qū)甲板載荷應不低于2.5 kN/m2，本設計考慮20%的載荷余量，所以住宿區(qū)甲板均布載荷取為3 kN/m2。

因郵輪規(guī)范中無樓梯載荷相關說明，根據(jù)DNVGL-OS-C101中4.2節(jié)表3[5]，樓梯上踏步載荷考慮均布載荷和樓梯踏步中心集中載荷兩種情況。取樓梯上參觀人員均布載荷4.5 kN/m2，或集中載荷4.5 kN，集中載荷作用在整個樓梯的中心處。

計算艙室單元工作狀態(tài)下的強度和變形，以及工作狀態(tài)相對靜止狀態(tài)的相對變形。

2.3 邊界條件

1)艙室單元靜止狀態(tài)，考慮兩種支撐形式。

①吊裝之前，艙室單元靜止時，底部僅圖中強橫梁兩端的支撐點接觸地面，支撐點前后對稱。對這12個支撐點簡支約束，見圖3。

圖3 底部支撐布置(正視)

②吊裝之前，艙室單元靜止時，底部強橫梁和縱桁支撐點全部接觸地面。對所有支撐點簡支約束。

分析通過局部支撐的方法，預留自重變形，是否對控制吊裝相對變形有一定作用。

2)通常情況下，為了保證吊裝強度，控制變形，船舶的分段劃分尺寸控制在12 m×12 m以內(nèi)，且只要求吊裝強度滿足要求即可。在結(jié)構(gòu)強度滿足要求的情況下，分段吊裝時引起的彈性變形會在外力消失后恢復。本艙室單元大小為20.290 m×10.69 m×9.414 m，遠大于常規(guī)分段的吊裝尺寸。且艙室單元的最上層是玻璃房、游泳池等休閑娛樂區(qū)，沒有完整的鋼結(jié)構(gòu)強框架。如按照常規(guī)的吊裝方案，將吊耳布置在艙室單元結(jié)構(gòu)的頂部，勢必會帶來大量額外的結(jié)構(gòu)加強。因此，將底部強橫梁的間距微調(diào)，在底部平臺多設置兩道永久性的強橫梁，將吊耳布置在底部強橫梁的端部，避免不必要的臨時加強。

吊裝狀態(tài)下，吊點前后對稱，僅在吊耳位置簡支固定，具體位置見圖4。

圖4 吊耳布置(正視)

3)工作狀態(tài)。

①僅強橫梁兩端的支撐點接觸地面。對12個支撐點簡支約束。

②底部橫梁和縱桁全部與底部結(jié)構(gòu)接觸，對所有底部橫梁和縱桁底端簡支約束。

2.4 評估標準

1)強度評估標準。強度評估衡準參照《郵輪規(guī)范(2017)》中2.4.6條，見表2。

表2 許用應力 MPa

2)艙室單元變形衡準。艙室單元的各層甲板主要支撐構(gòu)件的變大變形值參照CCS《郵輪規(guī)范(2017)》中2.5.4.2條，對于甲板的主要支撐構(gòu)件，撓度應不超過其跨距的L/400[6]，26.6 mm。

3)艙室單元相對變形衡準。因吊裝或者工作狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)均會產(chǎn)生額外的相對變形，內(nèi)裝提出艙室單元結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下相對變形不超過10 mm的要求。

2.5 計算結(jié)果分析

底部12點支撐、各載荷工況下的最大應力統(tǒng)計見表3?？梢钥闯觯嗽O計的結(jié)構(gòu)強度均滿足規(guī)范要求，且余量較大。靜止狀態(tài)和工作狀態(tài)最大應力均發(fā)生在樓梯和DECK1平臺連接處。此位置因為空間布置的限制，不能設置立柱和強支撐結(jié)構(gòu)，屬于懸空結(jié)構(gòu)，且其上有較大跨度的樓梯，所以應力較大，該位置是結(jié)構(gòu)設計時重點考慮的位置。需對樓梯和二甲板平臺連接處及樓梯底部的強橫梁做適當?shù)募訌?。以保證人在樓梯上行走時的穩(wěn)定性和舒適性。

表3 最大應力匯總 MPa

吊裝狀態(tài)下，最大應力發(fā)生在吊耳處，局部最大應力為279 MPa，滿足細網(wǎng)格的許用應力。具體的應力云圖見圖5～7。

圖5 工作狀態(tài)應力云圖(包絡值)

圖6 吊裝狀態(tài)應力云圖

圖7 吊耳應力云圖

各層甲板最大變形見表4。

由表4可見：最大變形發(fā)生在吊裝狀態(tài)下。吊裝時，各層甲板的變形值均較大，最大變形值發(fā)生在底部甲板中心位置處，其值為18.9 mm。吊裝狀態(tài)下的變形規(guī)律見圖8。

圖8 吊裝狀態(tài)的變形

表4 各層甲板最大變形 mm

其他各種狀態(tài)下的最大變形也全部滿足《郵輪規(guī)范(2017)》的變形要求，各層甲板的最大變形基本上發(fā)生在各層甲板的中心處。

各層甲板相對靜止狀態(tài)的最大相對變形見表5。

由表5可見，底部12點支撐時，艙室單元工作狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)的相對變形均滿足內(nèi)裝的工程要求。

表5 各層甲板相對靜止狀態(tài)的最大相對變形 mm

底部橫梁縱桁支撐時，艙室單元工作狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)的相對變形均滿足內(nèi)裝的工程要求。

吊裝變形相對于靜止狀態(tài)、底部12點支撐的變形最大值是9.9 mm，小于內(nèi)裝專業(yè)提出的甲板敷料破壞的臨界值。

吊裝變形相對于靜止狀態(tài)、底部橫梁縱桁支撐的變形最大值是15.8 mm。因為艙室單元靜止狀態(tài)、底部橫梁縱桁全部支撐時，底部甲板的初始變形較小，導致相對變形遠遠超出了甲板敷料破壞的臨界值。

所以通過底部12點局部支撐，讓艙室單元在自重的狀態(tài)下，提前釋放應力，充分變形，通過內(nèi)裝敷料找平消化掉變形。此法避免了艙室單元因吊裝引起的變形與自重變形疊加從而產(chǎn)生過大的變形。避免破壞內(nèi)裝敷料等預舾裝結(jié)構(gòu)，保證了艙室單元整體吊裝的安全。

3 結(jié)論

1)大型艙室單元薄板結(jié)構(gòu)剛性較弱，在轉(zhuǎn)運吊裝階段，由于板材受力不均勻，極易發(fā)生變形。

所以，對于大尺寸薄板艙室單元，除了滿足規(guī)范的強度要求外，更應重點關注其變形。避免因為變形過大，導致艙室單元無法進艙。

2)吊耳的布置，不同于常規(guī)做法。將吊耳布置在底部強橫梁端部，可避免大量的加強工作，也可以很好地通過底部強結(jié)構(gòu)框架傳遞載荷，有助于控制吊裝相對變形。

3)對于已經(jīng)完成預舾裝的艙室單元，即使是彈性變形，也有可能對管路、窗戶、絕緣材料、內(nèi)裝地板等造成損傷，所以艙室單元吊裝的重點是控制吊裝的相對變形。通過底部的局部支撐，提前釋放自重狀態(tài)下的變形，減少吊裝時產(chǎn)生的相對變形，可保證艙室單元吊裝時內(nèi)裝敷料的安全。