中型郵輪全船總縱強度評估

渠基順，谷家揚，韋 琪，張忠宇

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

郵輪是以休閑娛樂為主，配備餐廳、劇院、商場、游泳池等各種娛樂設(shè)施的水上旅游客船[1]，其結(jié)構(gòu)具有多層連續(xù)上層建筑、板壁較薄、高度高、吃水淺、完整橫向艙壁較少、舷側(cè)及縱壁擁有連續(xù)較大開孔等特點，因此安全可靠的結(jié)構(gòu)強度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。船體總縱強度是反映船舶結(jié)構(gòu)安全的基本指標(biāo)，用以保證船體結(jié)構(gòu)在彎曲和剪切作用下不發(fā)生屈服、屈曲和大變形。由于上層建筑不是100%參與總縱強度，且上層建筑各層甲板總縱強度不同，需要通過全船有限元強度計算真實反映郵輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，為設(shè)計人員提供依據(jù)。

陸春暉等[2]基于中國船級社《郵輪規(guī)范》[3]中的整船直接計算方法，分析總縱彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力的分布規(guī)律，歸納上層建筑各甲板的有效度參與特征，指出設(shè)計初期的關(guān)注點。陸紅干等[4]采用英國勞氏船級社規(guī)范包絡(luò)線外載荷，對中型豪華郵輪進(jìn)行全船有限元計算分析，得到整船應(yīng)力狀態(tài)和相對變形，為全船結(jié)構(gòu)強度評估和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。朱波[5]對一典型內(nèi)河郵輪在總縱彎矩作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，分析上層建筑內(nèi)正應(yīng)力的分布情況，并對上層建筑有效度進(jìn)行了研究，并對上層建筑側(cè)壁開口的影響進(jìn)行了分析。

本文以某中型郵輪為例，基于中國船級社《郵輪規(guī)范》，采用整船有限元直接計算方法計算郵輪結(jié)構(gòu)總縱彎曲應(yīng)力，并校核舷側(cè)連續(xù)開孔細(xì)化模型下開孔的應(yīng)力水平，分析應(yīng)力分布規(guī)律，為郵輪結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 船型概述

本船為流線型船體、球艏、連續(xù)主甲板船型，共13層甲板。該船用于全球范圍內(nèi)溫和水域(無冰)的巴拿馬、蘇伊士和基爾運河內(nèi)常規(guī)航行。動力方面采用4臺中速柴油機(jī)，分別布置于2個獨立主機(jī)艙內(nèi)；2個固定螺距螺旋槳負(fù)責(zé)推進(jìn)。本船設(shè)計時海水溫度0～32 ℃，大氣溫度-10～35 ℃。本船最大載客數(shù)量為948人，分別有主套房1個、艏部套房6個、艉部套房6個、初級套房24個、豪華套房116個、陽臺房間310個和窗戶房間9個，總計474個。船員艙室261個，可提供522個床位。

本船主要參數(shù)如下：總長232.00 m，垂線間長204.90 m，型寬31.00 m，型深9.30 m，設(shè)計吃水6.45 m，設(shè)計航速20 kn，最大乘客數(shù)948人，總噸(GT)52 000。

2 計算模型及工況

2.1 計算模型

利用三維有限元軟件PATRAN建立中型郵輪全船有限元模型，采用空間板梁組合模型模擬全船結(jié)構(gòu)，船體的外殼、甲板、縱橫艙壁、內(nèi)底和肋板等采用板單元模擬，骨材、扶強材及加強筋采用偏心梁單元模擬，非結(jié)構(gòu)質(zhì)量采用質(zhì)量單元模擬。由于中型郵輪艏部具有曲率變化較大的球鼻艏結(jié)構(gòu)及水線附近有冰區(qū)加強區(qū)域，在建模過程中對這類區(qū)域結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格要有所細(xì)化。劃分單元網(wǎng)格時，縱向網(wǎng)格尺寸為肋骨間距，橫向網(wǎng)格尺寸為縱骨間距。本船的材料屬性為高強度鋼材，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×10-9t/mm3，有限元模型見圖1。

圖1 郵輪全船有限元模型

2.2 空船重量調(diào)整

空船重量調(diào)整是確保船舶獲得真實載荷分布的前提條件。空船重量可以通過調(diào)整各部分的材料密度來模擬鋼料、舾裝和小的設(shè)備的重量，大的設(shè)備、壓載水采用質(zhì)量單元模擬。質(zhì)量單元可建在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上，也可通過虛擬結(jié)構(gòu)和實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接[6]。本文通過中國船級社軟件全船添加質(zhì)量點的方式調(diào)整空船重量，具體流程見圖2。裝載計算書中的重量分布是將全船重量分布在每檔肋位之間，Shipright軟件調(diào)平衡原理是將每檔肋位間的重量平均分布在有限元若干節(jié)點上；大型設(shè)備的重量，如主機(jī)、螺旋槳、舵機(jī)、錨絞機(jī)、側(cè)推等分布在局部位置，若平均分布若干肋位則不能真實反映全船的重量分布。因此，軟件調(diào)整完后手工將大型設(shè)備的重量通過質(zhì)量點或者M(jìn)PC的方式施加在強框處，最終獲得實際的目標(biāo)空船重量分布。

圖2 空船重量調(diào)整流程

中型郵輪整個空船重量為24 750 t。有限元模型調(diào)整后模型重量與實船重量一致，整船質(zhì)量模型與船舶靜水浮態(tài)匹配。

2.3 計算工況及載荷組成

在評估郵輪總縱強度時，一般需要考慮4種典型的工況[3]：郵輪最大中拱、最大中垂、中部最大和最小剪切狀態(tài)，其中剪切工況主要評估船中0.4L～0.6L(L為船長)內(nèi)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。本文參照中國船級社規(guī)范，選取計算工況及其載荷組成見表1。目標(biāo)中型郵輪裝載工況中沒有靜水中垂子工況，計算選取靜水最小中拱工況，靜水中拱和靜水中垂子工況首先需要做浮態(tài)調(diào)整工作，確保靜水彎矩分布與郵輪實際裝載情況一致。采用水動力學(xué)軟件，通過等效設(shè)計波方法確定主要載荷控制參數(shù)，計算各工況下的波浪載荷，慣性載荷通過設(shè)計波計算所得的慣性加速度，作用在整個模型上。

表1 計算工況及其載荷組成

本文通過慣性釋放技術(shù)對全船有限元分析自動調(diào)整和平衡，盡可能消除邊界條件對應(yīng)力計算結(jié)果的不利影響，使得船舶結(jié)構(gòu)符合實際應(yīng)力狀態(tài)的要求，在PATRAN中采用PARAM INREL -2語句定義來實現(xiàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 失效衡準(zhǔn)

根據(jù)中國船級社《郵輪規(guī)范》(2017)中相關(guān)衡準(zhǔn)要求，船體結(jié)構(gòu)屈服強度衡準(zhǔn)見表2。本船全船采用AH36高強度鋼，材料系數(shù)K取0.72。

表2 船體結(jié)構(gòu)屈服強度衡準(zhǔn)

3.2 計算結(jié)果

對4種典型總縱計算工況進(jìn)行計算后得到船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，計算結(jié)果見表3。從表3中可以看出，工況3和工況4下全船結(jié)構(gòu)強度滿足衡準(zhǔn)要求。最大中拱工況(LC1)結(jié)構(gòu)強度達(dá)到523 MPa，最大中垂工況(LC2)結(jié)構(gòu)強度361 MPa，均超過許用衡準(zhǔn)要求，其最大應(yīng)力處位于上層建筑甲板不連續(xù)位置縱桁腹板處。這是由于結(jié)構(gòu)的突變導(dǎo)致應(yīng)力集中(見圖3)，因此需對過渡區(qū)域增加結(jié)構(gòu)尺寸并修改結(jié)構(gòu)過渡形式，以減少應(yīng)力集中，使應(yīng)力分布更加均勻，滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求。

表3 各工況下最大合成應(yīng)力

圖3 整船主要應(yīng)力集中處

3.3 細(xì)網(wǎng)格強度評估

為了觀光的需求，郵輪上層建筑部分舷側(cè)開了較多的開孔，大大破壞了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的傳遞路徑，易產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域，其結(jié)構(gòu)強度不能忽視，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需重點關(guān)注。粗網(wǎng)格模型很難反映結(jié)構(gòu)的真實形狀和應(yīng)力分布水平，需要對典型的舷側(cè)開孔進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格評估。本文選取粗網(wǎng)格評估中舷側(cè)開孔較大的區(qū)域開展典型結(jié)構(gòu)強度計算，模型開孔充分考慮相鄰開孔之間的影響，取3層甲板舷側(cè)開孔，船長方向前后各延伸2個強框，計算模型見圖4。

圖4 舷側(cè)結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格模型

將子模型嵌入到粗網(wǎng)格全船有限元模型中開展計算，舷側(cè)開孔在各工況下計算結(jié)果見表4。各工況應(yīng)力最大區(qū)域均發(fā)生在舷側(cè)開孔負(fù)角隅處，見圖5。開孔倒圓角高應(yīng)力區(qū)域最大值為379 MPa，滿足衡準(zhǔn)要求。舷側(cè)開孔破壞了總縱應(yīng)力的均勻分布特征，連續(xù)開孔使高應(yīng)力區(qū)域相互影響。4種典型總縱工況下開孔應(yīng)力分布特征相似(見圖6)，舷側(cè)開孔負(fù)角隅處應(yīng)力梯度變化較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中；離舷側(cè)開孔負(fù)角隅區(qū)域越遠(yuǎn)，應(yīng)力水平降低比較明顯。

表4 各工況下舷側(cè)開孔細(xì)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力值

圖5 最大中垂工況下舷側(cè)開孔結(jié)構(gòu)細(xì)化應(yīng)力

圖6 舷側(cè)連續(xù)開孔應(yīng)力分布(單位：MPa)

4 結(jié)論

(1)本船結(jié)構(gòu)強度在最大中拱和最大中垂工況下總縱強度超過許用衡準(zhǔn)，不滿足規(guī)范要求。應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在上層建筑甲板不連續(xù)部分，設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注。

(2)剪切工況主要評估船長0.4L～0.6L區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)強度。本船剪切工況下船體結(jié)構(gòu)強度均滿足規(guī)范要求。

(3)郵輪連續(xù)的舷側(cè)開孔強度應(yīng)重點評估。本船舷側(cè)開孔應(yīng)力集中區(qū)域均在開孔負(fù)角隅區(qū)域，兩相鄰開孔區(qū)域離開孔區(qū)域越遠(yuǎn)，應(yīng)力水平越低。