郵輪上層建筑變形影響因素研究

吳樹成

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引言

近年來，郵輪已經(jīng)發(fā)展成為了集休閑、娛樂、度假等多種功能于一體的“海上城堡”，其顯著特點是上層建筑甲板層數(shù)多、跨度長、面積大、舷側(cè)開口大且數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復雜、重量重心控制難度大。海內(nèi)外諸多學者致力于郵輪結(jié)構(gòu)研究，早在20世紀50年代，Crawford[1]將上層建筑和主船體視作2根獨立的梁，相互間有著垂向力和水平剪力作用，據(jù)此對上層建筑和主船體的正應(yīng)力進行求解，得到上層建筑中部應(yīng)力的近似值。Schade[2]提出雙梁理論，考慮客船主船體和上層建筑相互作用，進行上層建筑參與總縱強度和變形特性研究。陸鑫森[3]分別采用彈性力學法和組合梁法對上層建筑結(jié)構(gòu)強度展開研究，并證明了不論上層建筑的彎曲方向與船舶主體相同還是相反，上層建筑的作用都使主船體所受的彎矩降低，從而主甲板的應(yīng)力降低。甘錫林等[4]采用平面梁模型對客船舷側(cè)連續(xù)開口的影響展開研究，發(fā)現(xiàn)豎向板條剛度和上層建筑端部連接構(gòu)件剛度對上層建筑有效度的影響較大。Heder等[5]提出一種簡化有限元模型，討論舷側(cè)開口對船體變形的影響，詳細討論了開口尺寸和上層建筑層數(shù)對變形的影響。Naar[6]對上層建筑與主船體之間的連接方式及救生通道等大開口引起的剪力傳遞規(guī)律進行研究，將甲板彎曲有效度定義為有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)梁理論計算結(jié)果的比值。

現(xiàn)代郵輪正朝著大型化和多樣化的方向發(fā)展，都設(shè)計有豐滿龐大的上層建筑，呈現(xiàn)跨度長、層數(shù)多、面積大、舷側(cè)開口多等特點，上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對全船重量重心控制至關(guān)重要，正確把握上層建筑變形影響因素和變形特點是郵輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文對一大型郵輪上層建筑變形影響因素展開研究，對上層建筑層數(shù)、舷側(cè)開口、甲板開口等典型因素對變形的影響進行探討，為合理的郵輪上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 有限元計算模型

1.1 模型介紹

本文以一大型郵輪為研究對象，該郵輪總長L=323.6 m，型寬B=37.2 m，型深D=16.98 m，設(shè)計吃水d=8.4 m，并以中段形狀延伸至首尾端建立理想化的三維有限元計算模型，典型橫剖面示意圖如圖1所示。模型中設(shè)置有14層甲板，主甲板以下3層甲板，上層建筑有10層甲板，所有板結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，縱骨、橫梁等采用梁單元模擬，支柱、高腹板梁的面板等采用桿單元模擬。船長方向網(wǎng)格大小為肋距，船寬方向網(wǎng)格大小為縱骨間距，型深方向為大致相同的網(wǎng)格尺寸。

圖1 郵輪典型橫剖面示意圖

1.2 載荷和邊界條件

本文郵輪計算選取典型的中拱狀態(tài)進行討論，按照英國勞式船級社規(guī)范《Primary Structure of Passenger Ships》（2018）[7]的規(guī)定，作用于郵輪的中拱彎矩MW為：

式中：MW為中拱彎矩，L為船長，x=s/L（0≤X≤1），s為距尾垂線距離，ai為系數(shù)，按規(guī)范規(guī)定選取（i=1，2，3，4）。

模型求解計算時，在船底中心線與尾垂線相交處約束橫向及垂向自由度（δy=δz=0），船底中心線與首垂線相交處約束縱向、橫向及垂向自由度（δx=δy=δz=0），主甲板中心線與首垂線相交處約束橫向自由度（δy=0）。

2 上層建筑變形影響因素分析

2.1 舷側(cè)開口影響分析

為了滿足游客全方位觀景需求，郵輪在舷側(cè)進行門、窗戶等開口，這些開口會對郵輪結(jié)構(gòu)強度和剛度產(chǎn)生影響，進而影響郵輪上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了探究舷側(cè)開口對上層建筑變形的影響，進行了不同舷側(cè)開口的計算分析，共討論6種工況。工況1為原始方案；工況2將D8甲板以上的窗戶改成落地窗，增加了開口面積，舷側(cè)開口率為0.403；工況3在原始方案基礎(chǔ)上，將D7～D8甲板之間的大開口取消，舷側(cè)開口率為0.431；工況4將原始方案的窗戶開口減小一半，門開口尺寸不變，舷側(cè)開口率為0.266；工況5在原始方案基礎(chǔ)上，將D7甲板以下的開口全部取消，舷側(cè)開口率為0.264；工況6將所有舷側(cè)開口取消，舷側(cè)開口率為0。

6種典型工況下每層甲板的船中最大垂向變形值如圖2所示，舷側(cè)開口率越大，每層甲板的垂向變形越大。這是由于隨著舷側(cè)開口面積的增大，郵輪整體剛度降低，抵抗變形能力減弱。對各典型工況而言，每層甲板的變形相差不大，最大變形隨著層數(shù)的升高而減小，但是最上面2層甲板最大變形值并沒有持續(xù)減小，反而有所增加，這是由于郵輪最上2層甲板設(shè)有大開口的露天泳池結(jié)構(gòu)，更進一步削弱了結(jié)構(gòu)剛度所致。工況4和工況5總開口面積相近，每層甲板的變形值也接近，說明舷側(cè)開口率比開口分布對上層建筑變形的影響要大。另外，對比工況1和工況6的計算結(jié)果可知，舷側(cè)開口對上層建筑變形影響非常大，設(shè)計的舷側(cè)開口比不開口的各層甲板的變形要增大約40%，因此在郵輪上層建筑設(shè)計時，在滿足總功能需求的前提下，盡可能減小舷側(cè)開口尺寸，以增強結(jié)構(gòu)剛度[8]。

圖2 各工況下每層甲板船中最大垂向變形值

2.2 上層建筑層數(shù)影響分析

大型郵輪為乘客提供劇院、餐廳、商店、宿舍等多種場所，需要足夠大的設(shè)計空間，因此大型郵輪上層建筑往往設(shè)計成多層甲板。本文研究的大型郵輪上層建筑共有10層，主要對上面7層上層建筑進行分析，共探討8種工況。工況1為3層上層建筑（甲板D7以下），工況2為4層上層建筑（甲板D8以下），以此類推，工況8為10層上層建筑，此為原始方案。

各工況下每層甲板的船中最大垂向變形值如圖3所示，上層建筑層數(shù)越多，每層甲板的最大垂向變形越小，相同上層建筑層數(shù)時每層甲板的最大垂向變形相差不大。隨著上層建筑層數(shù)的增加，整體剛度增加，抵抗變形能力增強，故變形有效減??；工況1時，船中最大垂向變形值為工況8的2.3倍左右，因此上層建筑層數(shù)對變形的影響非常大。另外，隨著上層建筑層數(shù)的增加，每層甲板垂向最大變形的減小率越來越小，上層建筑由3層增加到4層，變形減小約200 mm，而從9層增加到10層，變形只減小約50 mm。因此，在郵輪上層建筑設(shè)計時，在滿足功能需求前提下，還需從強度、剛度等各方面綜合考慮，選擇合理的上層建筑層數(shù)。

圖3 各層甲板不同上層建筑層數(shù)時垂向最大變形

2.3 甲板開口影響分析

郵輪上電梯、樓梯、劇場、泳池等設(shè)施會導致甲板開口，這些開口會對結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生影響，進而影響上層建筑的結(jié)構(gòu)變形。本節(jié)研究模型在D13和D14甲板船中區(qū)域有一大開口泳池結(jié)構(gòu)，長30 m，寬27 m。為了研究甲板開口對上層建筑變形的影響，本節(jié)對4種典型工況展開研究，工況1為原始方案；工況2將電梯、樓梯等各層甲板開口取消；工況3將泳池大開口取消，工況4將所有甲板開口取消。

各工況下每層甲板的船中最大垂向變形值如圖4所示，僅取消電梯、樓梯等甲板開口各層甲板最大變形改變很??；將最上2層船中部泳池大開口取消后，各層甲板最大變形減小4%左右，各層甲板的開口全部取消最大變形減小6%左右。這說明電梯、樓梯等甲板開口對上層建筑變形影響很小，泳池等大開口對上層建筑變形的影響較大。功能布置不得不設(shè)置甲板大開口結(jié)構(gòu)時，要特別注意，以免造成較大的上層建筑變形。

圖4 各層甲板不同甲板開口時垂向最大變形

3 結(jié)語

本文以一大型郵輪為研究對象，采用有限元法對舷側(cè)開口面積、上層建筑層數(shù)、甲板開口等因素對上層建筑變形特性的影響進行計算分析，為合理可靠的郵輪結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

1）隨著舷側(cè)開口面積的增大，郵輪整體剛度降低，抵抗變形能力減弱，每層甲板的垂向變形變大。

2）舷側(cè)開口率比開口分布對上層建筑變形的影響要大，在設(shè)計郵輪上層建筑時，應(yīng)盡可能減小舷側(cè)開口率。

3）上層建筑層數(shù)對郵輪變形影響較大，隨著上層建筑層數(shù)的增加，最大垂向變形減小，但最大變形的減小率越來越小。

4）面積較小的甲板開口對上層建筑變形影響很小，泳池等大開口對上層建筑變形的影響較大，在進行大開口設(shè)計時要特別注意。