客滾船大型舷窗窗框結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析

王丙杰 高 辰 張 亮

（招商局金陵船舶（南京）有限公司 南京210015）

引 言

美學(xué)設(shè)計是豪華客滾船的必要因素。在進(jìn)行豪華客滾船的研發(fā)設(shè)計過程中，有必要對全船外觀以及乘客區(qū)域進(jìn)行美學(xué)塑造，使之具有現(xiàn)代感、藝術(shù)感等美學(xué)效果。

窗戶是豪華客滾船美學(xué)設(shè)計的要素之一，尤其是公共區(qū)域的大型窗戶。公共區(qū)域承載了美食、購物、娛樂及觀光等體驗功能，大型窗戶的布置可以整體提升公共區(qū)域的照明與光學(xué)感受以及藝術(shù)美感。

基于以上特點(diǎn)，大型窗戶在滿足美學(xué)設(shè)計的同時，也給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)：過大的開孔極度削弱了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使船體產(chǎn)生疲勞裂紋的概率大大增加；同時裂紋亦會使窗框結(jié)構(gòu)變形過大而導(dǎo)致玻璃破裂。因此，有必要對客滾船的大型窗戶結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度研究。

1 船型概述

本文研究基于某866客/4 850 m車道客滾船（以下簡稱“目標(biāo)船型”）進(jìn)行，該船為四機(jī)雙槳尾機(jī)型，主要航行于波羅的海，其船型參數(shù)如下：

總 長 229.4 m

規(guī)范船長 219.6 m

型 寬 31.0 m

型 深 9.5 m

結(jié)構(gòu)吃水 6.7 m

方形系數(shù) 0.66

服務(wù)航速 22 kn

公共區(qū)域大型舷窗布置于艏部最上兩層居住甲板，大小為2 112 mm×1 662 mm，如圖1所示。

圖1 公共區(qū)域大型舷窗布置

2 舷窗規(guī)范設(shè)計

常規(guī)的舷窗框架結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

圖2 典型舷窗框架結(jié)構(gòu)

舷窗的玻璃厚度及窗框結(jié)構(gòu)可參考船級社規(guī)范或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。窗玻璃的厚度可參照式（1）計算[1]：

式中：B為窗框的短邊長度，mm；β為與長短邊比率相關(guān)的系數(shù)；P為設(shè)計壓力，kN/m2。

對于窗框的設(shè)計可參考規(guī)范描述性要求，例如在設(shè)計壓力下窗框屈服極限不能超過95%的材料最小屈服極限，窗框厚度不小于5 mm等。窗框中間撐桿的剖面模數(shù)可參照式（2）計算[2]：

式中：Hd為設(shè)計壓頭，m；l為平行于中間撐桿的邊的長度，mm；Am為窗格面積，mm2；k為材料系數(shù)。

船和窗按防火等級可以劃分為：普通窗（沒有防火等級要求）、A0級窗、A30級窗、A60級窗等4種[3]。通常，防火級別越高，窗結(jié)構(gòu)越重。因此，在滿足規(guī)范前提下，優(yōu)化窗戶設(shè)計既可減輕空船自重，又能降低建造成本。

3 窗戶開孔疲勞強(qiáng)度分析

對于具有長上層建筑的中大型客滾船而言，上建舷側(cè)外板上的開孔（尤其是上建首尾端部與主船體連接處），需特別關(guān)注其因船體梁總縱變形引起的疲勞問題。本文主要依據(jù)疲勞應(yīng)力篩選法[4]進(jìn)行疲勞評估，網(wǎng)格模型參考船級社規(guī)范，網(wǎng)格尺寸一般取t×t（t為板厚，mm）。主要流程如下：

（1）計算應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)ND

式中：ND為疲勞設(shè)計年限內(nèi)應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)；f0為海上航行時間系數(shù)；TDF為疲勞設(shè)計壽命，一般取25年。

（2）與概率水平對應(yīng)的系數(shù)fp修正，針對垂向波浪彎矩計算，概率水平從10-8修正到10-2。

（3）計算weibull形狀參數(shù)：

（4）通過DNV·GL“Fatigue Assessment of Ship Structures”（船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南）[5]附件C表4，可插值得到第1步及第3步ND與 所對應(yīng)的10-8概率水平下最大疲勞應(yīng)力范圍許和值 。

（5）疲勞應(yīng)力范圍許和值的修正：

式中：fm為平均應(yīng)力系數(shù)；ft為板厚系數(shù)；fM為材料系數(shù)；fw為焊縫處理系數(shù)；fc為凈尺寸系數(shù)；fe為環(huán)境系數(shù)。

（6）疲勞強(qiáng)度評估衡準(zhǔn)：

疲勞應(yīng)力篩選法基于10-8概率水平的波浪載荷，即全船屈服、屈曲及疲勞評估基于相同載荷，避免了重新定義傳統(tǒng)基于10-2概率水平的波浪載荷。

由圖2可知，窗框與開孔自由邊為焊接形式，S-N曲線類型選D（具體參見文獻(xiàn)4相關(guān)章節(jié)）。經(jīng)計算，本船在波浪中拱彎矩與波浪中垂彎矩載荷組合工況下，D曲線的疲勞應(yīng)力范圍的許和值約為397 MPa。

按照規(guī)范設(shè)計的窗框需鑲嵌在預(yù)留的外板開孔上，通過大量實船分析發(fā)現(xiàn)，窗戶開孔處結(jié)構(gòu)尺寸的決定因素是疲勞強(qiáng)度，主要是由于船體梁在波浪中垂中拱交替變形的影響下，窗戶開孔上下甲板間不同步變形引起的，見圖3。

圖3 開孔上下錯位變形及引起的彎矩剪力示意圖

此不同步變形會在窗戶開孔間結(jié)構(gòu)（即：撐柱）上產(chǎn)生附加彎矩及剪力，導(dǎo)致?lián)沃谏舷露藞A弧處產(chǎn)生很高的疲勞應(yīng)力。以靠艏舷窗為例，在波浪中拱彎矩與波浪中垂彎矩載荷組合工況下，舷窗開孔角隅處的疲勞應(yīng)力范圍值（最大主應(yīng)力差值）達(dá)到936 MPa，見圖4。

圖4 靠艏舷窗開孔疲勞應(yīng)力云圖

3.1 降低疲勞應(yīng)力的基本措施研究

本文通過疲勞應(yīng)力篩選法評判關(guān)鍵區(qū)域疲勞強(qiáng)度是否滿足，因此，對于疲勞應(yīng)力超標(biāo)處需采取相關(guān)措施降低疲勞應(yīng)力。在不改變窗戶開孔高度的情況下，本節(jié)將通過對研究對象撐柱結(jié)構(gòu)的3個基本要素：板厚t、板寬W及倒圓半徑R分別展開研究。窗戶開孔的原始尺寸為2 112 mm×1 662 mm/R131 mm，外板厚度為7 mm，撐柱寬度為288 mm。如圖5。

圖5 舷窗布置示意圖

（1）調(diào)整倒角半徑R

基于板厚7 mm，撐柱寬度288 mm，分別考察不同倒角半徑情況下的疲勞應(yīng)力值，綜合比較趨勢如圖6所示。

圖6 調(diào)整圓弧疲勞應(yīng)力趨勢圖

（2）調(diào)整撐柱寬度W

基于板厚30 mm，倒角半徑400 mm，分別考察不同撐柱寬度情況下的疲勞應(yīng)力值，綜合比較趨勢如圖7所示。

圖7 調(diào)整撐柱寬度疲勞應(yīng)力趨勢圖

（3）調(diào)整板厚t

倒角半徑400 mm，撐柱寬度488 mm，分別考察不同外板厚度情況下的疲勞應(yīng)力值，綜合比較趨勢如圖8所示。

圖8 調(diào)整板厚疲勞應(yīng)力趨勢圖

通過以上比較可發(fā)現(xiàn)：增大倒角半徑、撐柱寬度與板厚，均可有效降低疲勞應(yīng)力；但增加撐柱寬度，則疲勞應(yīng)力下降趨勢更快，效果更明顯。

不過，板厚增加意味著更重，增大撐柱寬度意味著窗戶開孔減小，增大倒角半徑則意味著外形效果的改變。因此，應(yīng)進(jìn)行綜合考慮并征求船東意見。最終通過對比多種方案，推薦以下兩種方案供船東選擇。

3.2 方案1

根據(jù)規(guī)格書要求，保持窗戶尺寸為2 112 mm×1 662 mm，外形則基本不變。具體措施為：通過增加兩根角鋼形成方管立柱，增大撐柱抗彎模量及剪切面積，同時端部倒角增大至R400 mm，且外板厚度增至約20 mm，局部增至40 mm。此方案公共區(qū)域結(jié)構(gòu)重量增加約40 t。撐柱橫截面見圖9。

圖9 增加角鋼示意圖

3.3 方案2

在疲勞應(yīng)力嚴(yán)重區(qū)域，將矩形窗戶改成直徑為1 662 mm的圓形窗戶（見圖10），同時將外板厚度優(yōu)化至12 mm以下。此方案外形改動較大，但公共區(qū)域結(jié)構(gòu)重量僅增加約21 t。

圖10 圓窗方案示意圖

通過對比，發(fā)現(xiàn)方案2不僅更輕，施工難度也更低，同時也增加了圓形的美學(xué)要素。不過，圓形窗戶的面積相比之前減少約38%，降低了公共區(qū)域的照明與光學(xué)感受效果。但由于重量、重心的控制對客滾船設(shè)計至關(guān)重要，因此綜合評判的結(jié)果是方案2更容易被船東接受。

以上兩種方案均為強(qiáng)化措施，重量也都有所增加。為了尋找減重的方法，也進(jìn)行了弱化嘗試[6]：即通過減小上建的總縱參與度，進(jìn)而降低疲勞應(yīng)力范圍。但是，降低上建總縱參與度，需要將縱向連續(xù)構(gòu)件斷開（如甲板、外板及縱骨等），修改量過大且削弱了全船總縱強(qiáng)度。因此綜合來看，該弱化方案并不推薦。

4 結(jié) 語

舷窗開口區(qū)域疲勞裂紋不僅會引起結(jié)構(gòu)失效，并且隨著裂紋擴(kuò)展會進(jìn)一步導(dǎo)致窗戶玻璃的破損，尤其是在運(yùn)營期間，玻璃的破損將直接影響乘客的體驗甚至影響班輪航次。因此，對于客滾船設(shè)計而言，大型舷窗的周邊結(jié)構(gòu)設(shè)計及疲勞強(qiáng)度應(yīng)作為重要關(guān)注對象進(jìn)行分析研究。

本文對目標(biāo)船型大型舷窗開口區(qū)域的板厚、圓弧半徑及撐柱寬度等基本參數(shù)對疲勞強(qiáng)度的影響進(jìn)行量化對比分析；進(jìn)而通過對各類改進(jìn)措施進(jìn)行組合與多方案對比分析，形成可供船東選擇的可行方案；最終，綜合考慮重量、疲勞強(qiáng)度及外觀等多種因素的影響，確定了相對最優(yōu)的技術(shù)方案。

本文所采和的分析流程，得出的相應(yīng)結(jié)論及設(shè)計改進(jìn)方案，對于類似船型尺度下的豪華客滾船乃至豪華郵輪的大型舷窗設(shè)計，具有一定的參考與借鑒意義。