郵輪模塊化鋁制陽臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與評估

李子凡，殷浩，朱紅娟，覃淳

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000；2.招商局新材料科技(重慶)有限公司，重慶 402160)

陽臺房是郵輪上必不可少的一種客艙房型。為追求高級的住宿體驗，位于郵輪上層建筑兩側(cè)的客艙幾乎全部為陽臺房，大型郵輪上陽臺房更是多達數(shù)百甚至上千間。傳統(tǒng)的客艙陽臺建造是在兩層甲板之間進行分隔而形成陽臺空間，為了進一步節(jié)省鋼材，減輕重量，陽臺區(qū)域的另一種建造方法是預(yù)先在上層建筑外壁設(shè)置懸臂梁，碼頭舾裝階段以懸臂梁為支撐鋪設(shè)地板、欄桿、分隔等。但是隨著郵輪總噸位的不斷增大，陽臺房數(shù)量增加，這種陽臺建造方式的舾裝工程量巨大，船上安裝時間長，影響造船效率，于是歐洲的舾裝件廠商提出采用模塊化的生產(chǎn)和安裝方式建造客艙陽臺。模塊化陽臺是在工廠預(yù)先制作組裝的陽臺結(jié)構(gòu)，待船體結(jié)構(gòu)成型后，以螺栓形式快速安裝至船體的客艙陽臺模塊。這種建造方式可以提高舾裝速度，統(tǒng)一產(chǎn)品質(zhì)量、改善施工環(huán)境。模塊化陽臺建造方式在歐洲船廠的中大型郵輪建造上得到廣泛應(yīng)用，目前僅意大利SOMEC集團生產(chǎn)模塊化陽臺產(chǎn)品，并壟斷了郵輪市場。為此，提出了一種模塊化鋁制陽臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并完成結(jié)構(gòu)強度評估。

1 模塊化陽臺結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

模塊化陽臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足船級社規(guī)范要求，對于陽臺甲板，各船級社規(guī)范對于陽臺區(qū)域的設(shè)計載荷均有規(guī)定，見表1。對玻璃欄桿的設(shè)計，目前僅DNVGL規(guī)范[1]和LR規(guī)范[2]中有較為詳細(xì)的規(guī)定。

表1 各船級社規(guī)范陽臺設(shè)計載荷對比 kN/m2

DNVGL規(guī)范對于預(yù)制的陽臺模塊、玻璃欄桿、玻璃的強度試驗也有相關(guān)要求，規(guī)定預(yù)制的陽臺模塊需要進行結(jié)構(gòu)測試，測試載荷2.5 kN/m2，在移除測試負(fù)載時，不應(yīng)產(chǎn)生視覺損傷或永久變形；外玻璃欄桿在吃水1.7Cwm以上的應(yīng)進行強度測試，用于測試的欄桿玻璃應(yīng)采用與船上實際布置相似的布置來支撐，試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1.1倍，如果玻璃或其支撐結(jié)構(gòu)沒有明顯的損傷，則認(rèn)為測試成功；對于玻璃應(yīng)按照EN12600[6]或同等標(biāo)準(zhǔn)要求進行沖擊測試，跌落高度不小于1.2 m，并且至少重復(fù)3次，要求單片玻璃不破碎，不形成裂紋，夾層玻璃即使破碎也應(yīng)在框架內(nèi)保持為一塊。

由于總噸位5萬t的目標(biāo)郵輪入級LR船級社，因此本文中陽臺模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參照LR船級社的相關(guān)要求。LR規(guī)范規(guī)定，外部玻璃欄桿應(yīng)采用夾膠鋼化玻璃，且高度不小于1 m。設(shè)計時應(yīng)考慮環(huán)境載荷和人員載荷，環(huán)境載荷大小取決于欄桿位置，見表2，人員載荷應(yīng)不小于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1991-1-1:2002[7]中規(guī)定載荷的1.5倍。欄桿立柱的彎曲應(yīng)力系數(shù)不大于0.6。欄桿扶手的最小剖面模數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范計算公式，且承受人員載荷時的變形不能超過扶手長度的1/96。外部玻璃欄桿應(yīng)進行擺錘沖擊試驗，采用高度不少于1.5 m的國際標(biāo)準(zhǔn)，試件布置應(yīng)與完成安裝的實際布置相同。

表2 舷側(cè)玻璃欄桿設(shè)計壓頭 m

2 模塊化陽臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 材料的選擇

當(dāng)代郵輪的建造正在朝著安全、節(jié)能、環(huán)保的趨勢發(fā)展，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計正是節(jié)能、環(huán)保理念的體現(xiàn)，因此模塊化陽臺的材料選擇也圍繞輕量化設(shè)計開展。

鋁合金材料密度較小，約為鋼材的1/3，且具有較高的比強度，在減輕船體重量方面應(yīng)用廣泛。雖然鋁合金也有彈性模量低，受焊接影響大等缺點，但是由于模塊化陽臺的尺寸跨距小，設(shè)計載荷不高，且連接節(jié)點多采用螺栓、拼扣等物理連接方式，鋁合金的上述缺點對模塊化陽臺的強度、剛度影響并不突出。因此，模塊化陽臺的材料選擇為鋁合金材料，主型材牌號6063A-T6，其他輔型材為6061-T6，板材為5083-H116。

2.2 模塊化陽臺整體設(shè)計

模塊化陽臺主要由陽臺甲板、玻璃欄桿、欄桿立柱、陽臺隔斷等結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)之間的連接采用螺栓連接方式，其布置見圖1。

圖1 模塊化陽臺的結(jié)構(gòu)布置

由于不同郵輪的陽臺設(shè)計尺寸不同，為了使模塊化陽臺產(chǎn)品適應(yīng)不同郵輪的需求，陽臺的甲板設(shè)計為型材拼接而成，型材拼接數(shù)量決定陽臺模塊的寬度，型材的切割長度決定模塊化陽臺的長度。型材拼接形式使陽臺模塊更具靈活性，可以滿足各種郵輪的陽臺設(shè)計需求。

基于目標(biāo)郵輪的艙房尺寸，模塊化陽臺的甲板尺寸為2 800 mm×1 560 mm。

陽臺之間用于分隔不同房間的隔斷，設(shè)計為可拆卸式，隔板采用厚度為25 mm的蜂窩板。

2.3 鋁制甲板型材設(shè)計

考慮到型材材料為鋁合金，為減少焊接影響，陽臺甲板設(shè)計為型材拼接形式，采用物理形狀卡扣連接。為了增加型材剖面模數(shù)，提高型材的承載能力，甲板型材結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙面板雙腹板形式，型材長度為2 800 mm，整體高度為50 mm，面板寬度為160 mm，兩腹板居中對稱分布，間距為100 mm，面板和腹板的板厚均為2 mm。為了與敷料更緊密結(jié)合，上面板表面每間隔15 mm設(shè)有高度為1 mm的半圓突起，型材上下面板端部設(shè)計為凹凸卡扣形狀，型材結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 甲板型材結(jié)構(gòu)形式

陽臺甲板邊緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計既要考慮與玻璃欄桿以及船體懸臂梁的連接，又要考慮整個陽臺排水需求。因此陽臺邊緣結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)部分與甲板型材的高度以及板厚保持一致，考慮排水需求，上面板設(shè)計有直徑為50 mm的圓弧下凹。邊緣結(jié)構(gòu)的外側(cè)部分的頂部設(shè)計有安裝玻璃的插槽，底部與船體懸臂梁底部面板平齊，考慮設(shè)計載荷影響，設(shè)計外側(cè)部分板厚為2.5 mm。邊緣結(jié)構(gòu)整體寬度為195 mm，高度為290 mm，具體形式見圖3。

圖3 甲板邊緣型材結(jié)構(gòu)形式

2.4 玻璃欄桿和立柱設(shè)計

玻璃欄桿由2塊欄桿玻璃，頂部玻璃支撐結(jié)構(gòu)及頂部扶手組成?；贚R規(guī)范要求，模塊陽臺玻璃欄桿高度設(shè)計為1 150 mm，玻璃欄桿的設(shè)計載荷按照表2計算。根據(jù)目標(biāo)郵輪布置，算得的最大設(shè)計壓頭為三甲板艏部的陽臺處，設(shè)計壓頭為1.28 m。欄桿玻璃選用雙層夾膠玻璃，外側(cè)夾膠玻璃厚度為10 mm，內(nèi)側(cè)夾膠玻璃為8 mm，夾膠厚度1.52 mm，單片玻璃尺寸約1 340 mm×1 080 mm，欄桿立柱為8mm厚度的U形剖面鋁合金型材，采用變截面設(shè)計，頂部剖面尺寸為56 mm×40 mm,底部剖面尺寸為56 mm×124 mm，立柱凈高度為1 092 mm，立柱結(jié)構(gòu)示意見圖4。欄桿立柱頂部焊接有規(guī)格為140 mm×56 mm×8 mm扁鋁，用于螺栓固定欄桿頂部的柚木扶手。頂部柚木扶手為實心橢圓形柚木扶手，剖面尺寸為125 mm×96 mm。

圖4 欄桿立柱的結(jié)構(gòu)形式

3 模塊化陽臺強度評估

3.1 甲板型材評估

陽臺模塊的甲板區(qū)域是由多根獨立的鋁合金型材通過結(jié)構(gòu)本身的形狀卡扣拼接組成，考慮到型材接頭之間的相互作用，特選擇3根相鄰的型材單元作為典型分析位置，采用有限元分析方法，建立體單元模型，將型材形狀卡扣之間相接觸的面分別定義為接觸區(qū)域，在相互作用的接觸區(qū)域之間建立接觸對，定義接觸類型為約束函數(shù)類型，約束模型甲板型材與底部橫梁接觸位置的z向位移(, ,0, , , ,)，型材邊緣與橫梁螺栓連接處的x，y，z三個方向位移自由度 (0,0,0, , , ,) (0代表約束, 空代表釋放)。采用非線性求解，校核型材的強度剛度是否滿足設(shè)計要求。有限元計算使用Femap軟件進行建模，NX Nastran軟件計算求解。

LR規(guī)范要求細(xì)網(wǎng)格(≤50 mm×50 mm)的等效應(yīng)力不大于1.2σ0，對于鋁合金材料，其σ0為125 MPa，因此許用應(yīng)力為150 MPa。最大變形準(zhǔn)則取型材跨距的1/400，即7 mm。

計算得到型材最大等效設(shè)計應(yīng)力為69 MPa，最大變形3.3 mm，滿足設(shè)計要求。

3.2 陽臺模塊整體強度評估

采用有限元方法對模塊化陽臺的整體結(jié)構(gòu)進行強度評估，校核鋁合金陽臺模塊的結(jié)構(gòu)在LR規(guī)范設(shè)計載荷下能否滿足強度要求。由于前文已經(jīng)采用非線性接觸分析對甲板型材拼接強度進行校核，因此陽臺整體校核時，為了提高計算效率，采用線性分析，甲板型材卡扣之間通過設(shè)置厚度為0.01 mm的板單元來傳遞載荷，強度評估時不計這些單元上的應(yīng)力。

陽臺模塊整體有限元模型包括鋁合金陽臺甲板、欄桿和立柱，見圖5。陽臺甲板、支柱等鋁合金結(jié)構(gòu)使用板單元模擬，欄桿扶手使用梁單元模擬，玻璃欄桿采用質(zhì)量單元及剛性單元模擬，網(wǎng)格大小約10×10 mm。

圖5 有限元模型示意

計算時考慮結(jié)構(gòu)自重，欄桿玻璃的重量通過施加0.2 t的質(zhì)量單元來體現(xiàn)，模型自重通過施加重力加速度的方式來實現(xiàn)。

參照LR規(guī)范，甲板載荷取3.92 kN/m2。玻璃型材及欄桿上的設(shè)計載荷取14 kN/m2，方向指向舷外，玻璃欄桿長2.8 m，高1.15 m，所受總力45 080 N，作用于玻璃欄桿質(zhì)心位置，通過6個自由度相關(guān)的剛性單元傳遞到鋁合金模塊上。欄桿扶手上的設(shè)計載荷取1.5 kN/m，扶手長2.8 m，整體受力4 200 N，施加在欄桿所在的幾何線上。

由于船舶運動產(chǎn)生的慣性力影響，通過施加慣性加速度來考慮，橫向加速度0.5g，縱向加速度0.5g，垂向加速度0.5g。

約束模型在支柱頂端與陽臺分隔連接處的x向位移(0, , , , , ,)，陽臺甲板與底部橫梁接觸位置的z向位移(, ,0, , , ,)，螺栓位置的x，y，z3個方向位移自由度 (0,0,0, , , ,)，靠船體側(cè)螺栓角鋁固定處約束x向位移(0, , , , , ,)(0代表約束, 空代表釋放)。

計算得到模塊化陽臺最危險工況下的最大等效應(yīng)力為107.4 MPa，小于許用應(yīng)力150 MPa，甲板最大變形約5 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

對一艘總噸位為5萬t的中型郵輪，完成了模塊化陽臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊化陽臺采用鋁合金材料，設(shè)計為型材拼接形式，采用物理形狀卡扣連接，以滿足不同郵輪的陽臺尺寸設(shè)計需求，經(jīng)過強度評估，所設(shè)計的模塊化鋁制陽臺滿足LR船級社規(guī)范要求。

目前國內(nèi)尚沒有郵輪項目采用模塊化陽臺建造安裝方式，模塊化陽臺的國產(chǎn)化研究對于降低造船成本，提高造船效率，完善國內(nèi)郵輪產(chǎn)業(yè)配套具有重要意義。