客滾船公共區(qū)域窗戶相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與優(yōu)化

沈 波，趙 勇，殷星杰，吉春正，王 俊

（1. 招商局工業(yè)集團有限公司，廣東 深圳 518000；2. 招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

客滾船的公共區(qū)域通常布置有大量窗戶，以滿足艙室內(nèi)部空間的自然采光需求和乘客的觀景需求[1]。公共區(qū)域窗戶的布置除了要滿足這2方面的基本功能需求以外，還要與船舶整體外觀設(shè)計相融合。為滿足功能和外觀方面的設(shè)計要求，窗戶的數(shù)量需盡可能地多，開孔須盡可能地大，形狀通常多變（甚至不規(guī)則），位置可能位于船舶的高應(yīng)力區(qū)域（見圖1和圖2），這會在很大程度上削弱窗戶周界結(jié)構(gòu)的強度和剛度，導(dǎo)致窗戶周界結(jié)構(gòu)受損。在公共區(qū)域，舷側(cè)窗戶周界結(jié)構(gòu)受損問題尤為突出。

另外，在建造和運營客滾船過程中，其公共區(qū)域的大型窗戶漏水和玻璃破碎的情況時有出現(xiàn)，這會導(dǎo)致乘客的體驗變差，甚至給其帶來安全隱患，對船舶的正常運營有很大的影響。分析引發(fā)此類問題的原因，除了與窗框的強度和玻璃安裝節(jié)點有關(guān)以外，還與周界結(jié)構(gòu)的強度和剛度有密切的聯(lián)系。因此，探究客滾船公共區(qū)域大型窗戶周界的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常有必要，是客滾船項目的設(shè)計難點及關(guān)鍵風(fēng)險點之一。

圖1 某客滾船公共區(qū)域舷側(cè)窗戶

圖2 某客滾船公共區(qū)域前部窗戶

本文以某系列客滾船窗戶的結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算和應(yīng)用為例，分析客滾船公共區(qū)域各類大窗戶相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點和風(fēng)險控制對策；在此基礎(chǔ)上，對如何減弱舷側(cè)大窗戶區(qū)域參與結(jié)構(gòu)總縱強度的程度進行分析，并對探索的思路和結(jié)論進行總結(jié)。

1 客滾船公共區(qū)域窗戶相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點

根據(jù)公共區(qū)域窗戶周界結(jié)構(gòu)的受力特點，將公共區(qū)域的窗戶分為2類：第一類為布置在舷側(cè)的大窗戶（如圖1所示），尺寸較大且布置密集，主要與結(jié)構(gòu)的總縱強度和疲勞密切相關(guān)[2]；第二類為公共區(qū)域前部的大窗戶（如圖2所示），尺寸較大且布置密集，主要與其周界結(jié)構(gòu)的局部強度和剛度有關(guān)。為充分闡述各類窗戶結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，分別從結(jié)構(gòu)受力特點、設(shè)計關(guān)鍵點和風(fēng)險控制對策等3個方面進行分析與總結(jié)。

1.1 公共區(qū)域舷側(cè)大窗戶相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1.1 結(jié)構(gòu)受力特點

公共區(qū)域舷側(cè)大窗戶主要位于船體梁中性層上部，主要承受總縱剪切與總縱彎曲的組合作用[3]。以某客滾船公共區(qū)域舷側(cè)窗戶開孔結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果為例，在總縱剪切與總縱彎曲的共同作用下，該結(jié)構(gòu)主應(yīng)力方向隨著其位置的變化而變化（見圖3），其中：越靠近中性層，結(jié)構(gòu)的總縱剪切應(yīng)力越大；越靠近頂部，結(jié)構(gòu)的總縱彎曲應(yīng)力越大。

圖3 某客滾船公共區(qū)域舷側(cè)窗戶周界合成應(yīng)力方向和應(yīng)力水平示意

在密集且尺寸很大的窗戶開孔周圍，應(yīng)力水平較高，主要呈現(xiàn)出以下特點：

1) 不同幾何形狀開孔周界的應(yīng)力集中系數(shù)不同，矩形窗戶開孔角隅處的應(yīng)力水平比圓形窗戶開孔周界的應(yīng)力水平高；

2) 貨艙通風(fēng)結(jié)構(gòu)的開孔尺寸較大，當其與上方的窗戶開孔布置在一列時，該區(qū)域的剪切面積折減較多，導(dǎo)致貨艙通風(fēng)開孔上方的窗戶開孔周界的應(yīng)力水平比附近類似位置的應(yīng)力水平高。

由于大型窗戶開孔周界有應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域窗戶周界，特別是矩形窗戶角隅處出現(xiàn)了嚴重的總縱疲勞強度問題。

1.1.2 設(shè)計關(guān)鍵點

為滿足總縱疲勞壽命的要求，舷側(cè)大窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計的主體思路是降低區(qū)域整體的應(yīng)力水平，并進一步降低矩形窗戶角隅處的應(yīng)力水平。增加板厚可有效降低區(qū)域整體的應(yīng)力水平，在此基礎(chǔ)上增大加強筋的密度可進一步降低局部應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力水平。但是，窗戶之間的間距較小，且要布置窗框和除霧管道等設(shè)施，增大加強筋的密度通常并不現(xiàn)實，因此增加板厚是解決該區(qū)域疲勞問題的主要方案[3]。為制訂一套合理的公共區(qū)域舷側(cè)窗戶周界結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，需綜合考慮以下因素：

1.1.2.1 最大程度控制結(jié)構(gòu)重量

根據(jù)船級社規(guī)范的要求，公共區(qū)域兩側(cè)板厚通常在7mm左右即可滿足最小板厚的要求，但為滿足總縱疲勞強度的要求，公共區(qū)域兩側(cè)外板厚度通常需增加至20～30mm，局部高應(yīng)力區(qū)域的板厚需增加到40～50mm，甚至更厚。原則上看，在大窗戶的周界或角隅處局部增加厚板能將應(yīng)力降至合理水平，但考慮到增加的厚板區(qū)域不能太分散和板厚的過渡要合理等因素，往往需在公共區(qū)域兩側(cè)外板全范圍內(nèi)設(shè)置多個厚板分布區(qū)域（見圖4）。

圖4 某客滾船舷側(cè)窗戶周界外板板厚分布示意

根據(jù)某客滾船的設(shè)計方案，增加外板厚度可能會導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)重量增加數(shù)十噸，由于增加的重量均位于船舶較高的位置處，對空船的重心和初穩(wěn)心高度hGM的影響非常大[3]。因此，在設(shè)計結(jié)構(gòu)方案時，需充分考慮如何合理地減小板厚和厚板的分布區(qū)域，以最大程度地控制重量的增加。

通過研究可知，窗戶的形狀與所需板厚密切相關(guān)。在同一范圍內(nèi)，圓形窗戶周界的應(yīng)力水平比矩形窗戶角隅處的應(yīng)力水平低很多，在高應(yīng)力區(qū)域選擇圓形窗戶可有效減小結(jié)構(gòu)的板厚。但是，同一范圍內(nèi)圓形窗戶的透光面積比矩形窗戶小，因此選擇何種形狀的窗戶需與船東方協(xié)商確定。另外，選擇截面積大且材質(zhì)與外板相同的窗框可在一定程度上減小窗戶周界的板厚。

1.1.2.2 充分考慮窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)變形的范圍

為避免窗戶在安裝和運營過程中出現(xiàn)漏水及破裂的情況，需充分考慮建造和運營過程中窗戶周界的結(jié)構(gòu)變形情況，在設(shè)計前期與窗戶制造商充分討論窗戶周界結(jié)構(gòu)變形的允許范圍。為計算結(jié)構(gòu)相對變形，需基于有限元分析手段讀取加載前后窗戶對角的坐標值，分別求出角變形值和線變形值。

1.1.2.3 船廠的施工流程及精度控制

為控制結(jié)構(gòu)重量，在某些高應(yīng)力區(qū)域，僅在矩形窗戶的角隅處增加板厚。該方案會給船廠的施工和精度控制帶來很大挑戰(zhàn)，甚至導(dǎo)致后期窗戶很難安裝。在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案之前，需與施工部門和精控部門充分討論。通常情況下，在安裝窗戶的結(jié)構(gòu)開孔處須盡可能地避免此類在局部角隅處增加板厚的節(jié)點，若僅是結(jié)構(gòu)開孔，則無須特殊考慮。

1.1.3 風(fēng)險控制對策

從上述關(guān)鍵點分析中可看出，高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)窗戶的形狀為該區(qū)域板厚和重量的最重要影響因素。因此在合同設(shè)計階段需與船東和內(nèi)裝藝術(shù)設(shè)計人員討論，盡可能地將高應(yīng)力區(qū)域處窗戶的形狀確定為圓形。另，外，為有效控制窗戶變形，要與船東爭取在窗戶中部增加垂直支撐等。通過這些措施，可有效規(guī)避合同生效之后設(shè)計和建造過程中的相關(guān)風(fēng)險。

1.2 公共區(qū)域前部大窗戶相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 結(jié)構(gòu)受力特點

公共區(qū)域前部窗戶不承受總縱載荷，主要承受橫向強度和上浪載荷。由于該區(qū)域并未與上下結(jié)構(gòu)有效連接，因此承受的橫向載荷不大。另外，由于該區(qū)域位置較高，根據(jù)DNV GL規(guī)范計算得到的上浪載荷較?。▋H有12.5kPa左右），結(jié)構(gòu)自身易滿足強度要求。

盡管如此，為使采光面積足夠大，通常會采用大尺寸窗戶。根據(jù)DNV GL規(guī)范計算，大尺寸窗戶的外部承力玻璃的厚度可能會達到80～100mm，甚至更厚，局部的重量較大，加上該區(qū)域的大窗戶比較密集，公共區(qū)域前部結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮玻璃的重力和慣性力導(dǎo)致的局部強度問題。

1.2.2 設(shè)計關(guān)鍵點

從窗戶的結(jié)構(gòu)形式（見圖5）的角度看，為保證乘客的安全性，會在窗戶內(nèi)部布置玻璃，以避免窗戶外部玻璃破裂掉落至船內(nèi)。同時，船舶的前部通常為傾斜形式，導(dǎo)致內(nèi)部玻璃與外部玻璃的接觸處會受到很大的壓力，這是公共區(qū)域前部窗戶最主要的風(fēng)險點。為避免內(nèi)部玻璃被外部承力玻璃壓碎，最主要的思路是設(shè)法降低外部玻璃的重量。此外，對于窗戶周界的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需充分考慮以下因素：

圖5 某公共區(qū)域前部窗戶與玻璃構(gòu)造節(jié)點

1) 窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)的整體剛度。為保證窗戶在重力和慣性力作用下的變形在可控范圍內(nèi)，除了要求窗框的強度和玻璃周界的間隙要有足夠的裕度以外，還要求嚴格控制窗戶周界結(jié)構(gòu)整體的剛度，通過增加結(jié)構(gòu)強框和外板板厚等措施增強剛度，以控制窗戶周界整體的扭曲變形值在合理范圍內(nèi)。

2) 艏部區(qū)域振動的影響。公共區(qū)域前部的窗戶通常會布置在艏側(cè)推的上方。在進出港時，艏側(cè)推處于高負荷狀態(tài)，通常會激發(fā)其上方區(qū)域出現(xiàn)明顯的振動。此外，在高航速工況下，由于波浪的作用，會導(dǎo)致艏部區(qū)域發(fā)生明顯的振動?；谶@些原因，需考慮公共區(qū)域前部窗戶區(qū)域的固有頻率，避開艏側(cè)推和波浪的激振頻率[5]。

1.2.3 風(fēng)險控制對策

根據(jù)上述分析，公共區(qū)域前部窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是降低該區(qū)域各窗戶的重量。最有效的方法是減小單個窗戶的尺寸，或?qū)⒁粋€大窗戶分為幾部分。另外，也可考慮使用復(fù)合材料輕質(zhì)玻璃以減輕重量。這些問題均需在合同設(shè)計階段與船東和內(nèi)裝藝術(shù)設(shè)計人員等各方達成一致。

2 客滾船舷側(cè)大窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

通過對公共區(qū)域窗戶結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析可知，在舷側(cè)窗戶區(qū)域參與總縱強度的情況下，考慮的因素較多，技術(shù)風(fēng)險較大，為結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點之一。為控制技術(shù)風(fēng)險并優(yōu)化舷側(cè)大窗戶區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計，比較有效的方法是減弱該區(qū)域結(jié)構(gòu)參與船體梁總縱強度的程度。

2.1 優(yōu)化思路和方案

為減弱舷側(cè)大窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)參與船體梁總縱強度的程度，主要考慮在適當?shù)奈恢脤⒋w外板上下分離，使總縱剪切力不能通過外板上下傳遞，從而將舷側(cè)窗戶周界結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化為僅考慮局部強度和剛度的問題。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案需根據(jù)船舶總體布置的實際情況選擇：若舷側(cè)范圍內(nèi)可設(shè)置足夠長的通道，可采用圖6所示的方案，將帶窗戶的結(jié)構(gòu)艙壁移至船舶的內(nèi)側(cè)；若舷側(cè)不允許設(shè)置通道，可采用圖7所示的方案，將窗戶區(qū)域設(shè)計為整體大窗戶，內(nèi)部采用桁架結(jié)構(gòu)形式。

圖6 可設(shè)置貫穿通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案示意

圖7 舷側(cè)整體窗戶的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案示意

2.2 結(jié)論分析

基于上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，結(jié)合某客滾船的有限元分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1) 將外板上下分離可有效減弱舷側(cè)參與船體梁總縱強度的程度，但因船舶中部垂直管弄的連接作用，整個上層建筑的總縱強度參與度變化不大；

2) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前外板參與的總縱剪切力將轉(zhuǎn)移到垂直管弄的縱壁，盡管其應(yīng)力水平有所提高，但不需要考慮總縱疲勞問題和諸多工藝問題。

可見，將連續(xù)的外板斷開可使窗戶周界的總體應(yīng)力水平明顯下降，該方法能有效簡化舷側(cè)窗戶結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié) 語

通過分析與總結(jié)可知，客滾船公共區(qū)域舷側(cè)和前部大窗戶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計需綜合考慮船舶總體布置、結(jié)構(gòu)受力特點、區(qū)域固有頻率，窗戶連接節(jié)點和船廠的工藝等多方面的因素，只有如此才能給出合理的設(shè)計方案。盡管本文已針對窗戶相關(guān)結(jié)構(gòu)受力特點、關(guān)鍵考慮因素和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等內(nèi)容進行了較為詳細的總結(jié)和分析，但有關(guān)非對稱波浪載荷對窗戶周界結(jié)構(gòu)受力和變形的影響等更為復(fù)雜的問題并未涉及，有待進一步深入研究。