愛達?魔都號郵輪露天裝飾柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：中國首制郵輪的露天甲板區(qū)域設(shè)置了迷你高爾夫球場，旨在提供游客一個宜人的休閑場所。針對所設(shè)計結(jié)構(gòu)的強度、美觀和功能性的要求，提出了露天裝飾柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這項設(shè)計通過有限元模型的仿真分析，并在結(jié)構(gòu)局部進行了優(yōu)化加強，來確保結(jié)構(gòu)整體的米塞斯應(yīng)力低于169 MPa，達到了強度要求，獲得了勞氏船級社的認證。實際制造已按照設(shè)計完成，并成功應(yīng)用于中國首艘自制郵輪——“愛達·魔都號”。這一成功案例為未來豪華郵輪的露天區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了寶貴的參考經(jīng)驗和建議。

關(guān)鍵詞：愛達魔都號郵輪 裝飾柱 結(jié)構(gòu)設(shè)計 數(shù)值模擬

中圖分類號：U674.11

Structural Design of theOpen-Air Decorative PergolaStructureofor the AdoraDORA MagicAGIC CityITY Cruise Ship

DONG Kuikui1CAO Zhibing1YU Haiyang2SHAO Zhuyun1，3 （SHAO-ZHU Yun？？）

1. Shanghai Waigaoqiao shipbuilding Co.，Ltd.， Shanghai， 200137China;2. Shanghai Forver Marine Technology Co.，Ltd.， Shanghai， 201306China;3. Shanghai Maritime University， Shanghai， 201306China

Abstract：A mini-golf course wais set up in the open-air deck area of China'sthe first cruise ship in China， aiming to provide tourists with a pleasant place to relax. In response to the requirements of strength， aesthetics and functionality of the designed structure， this paper presents the design of the open-air pergola structurewaspresented. The design has beenoptimisedzed and strengthenededthe parts of the structurelocally through the simulation analysis of the finite element models to ensure that itsthe overall Mises stress of the structureiwas less than 169MPa， which meetsthestrength requirements， and it washas beencertified by Lloyd's Register of Shipping. The actual fabrication has beenwas completed according to the design and successfully applied to China's the first self-built cruise ship— -"AIDAdora Magic City"in China. This successful case provides valuable reference experience and suggestions for the design of the open-air areastructuresofor future luxury cruise ships.

Key Words： AdoraDORA MagicAGIC CityITY cruise ship;DecorativePpergola; Structural design; Numerical simulation

全球郵輪市場已經(jīng)存在多年，有一些長期運營的豪華郵輪公司，如皇家加勒比國際郵輪、諾唯真郵輪和嘉年華郵輪等，國外的船廠和郵輪運營商已經(jīng)豪華市場上建立了強大的品牌和聲譽[1]。中國郵輪起步相對較晚，隨著我國加大力度對于郵輪業(yè)的發(fā)展，首艘國產(chǎn)大型郵輪——“愛達·魔都號”，正是為了實現(xiàn)零的突破，建立中國品牌。自2019年10月18日首艘國產(chǎn)大型郵輪（見圖1）正式開工點火起，經(jīng)過近4年的精心建造和制造，中國船舶外高橋造船有限公司的首艘國產(chǎn)大型郵輪——“愛達·魔都號”。其命名“愛達·魔都號”寓意著從上海這座繁榮之都出發(fā)，向全世界傳遞著愛和友善的信息，為中國郵輪業(yè)的未來提供了堅實的基礎(chǔ)和無限的可能性[2]。

關(guān)于郵輪露天結(jié)構(gòu)，國內(nèi)關(guān)于郵輪露天裝飾柱區(qū)域的結(jié)構(gòu)研究較少，相關(guān)設(shè)計建造經(jīng)驗幾乎為零，主要與國外供應(yīng)商相互合作。國內(nèi)由招商維京游輪產(chǎn)品開發(fā)的“招商伊敦號”郵輪，設(shè)計有露天運動甲板，是首艘入籍中國的遠洋郵輪。參考國外的郵輪而言，海洋和諧號（皇家加勒比），在露天區(qū)域配有10層的滑梯，為該郵輪增加了一大亮點。海洋綠洲號露天結(jié)構(gòu)配有劇場和兒童玩樂區(qū)，由韓國STX造船廠建造，是全球最大的郵輪。

1 郵輪露天裝飾柱結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

在當(dāng)前的郵輪設(shè)計中，豪華郵輪已經(jīng)演變成漂浮在海上的多功能度假勝地，其角色不僅僅局限于提供舒適的住宿和美味的飲食，還包括充當(dāng)豪華酒店、高端餐廳和綜合性娛樂場所。旅客在這片大海上的有限空間內(nèi)，可盡情享受泡酒吧、欣賞歌劇、觀賞電影，甚至在水上樂園中嬉戲玩樂。然而，郵輪設(shè)計面臨著一個極具挑戰(zhàn)性的問題，即在追求絕對舒適性和旅客體驗的同時，必須滿足嚴格的海上安全標(biāo)準。這使得設(shè)計師在保障人員安全的前提下，需要創(chuàng)造出令人留連忘返的娛樂和休閑環(huán)境，確保旅客能夠在船上盡情享受豪華、便利和愉悅的體驗[3]。這種平衡是郵輪設(shè)計領(lǐng)域的重要課題，需要不斷地創(chuàng)新和技術(shù)進步來解決。設(shè)計師們必須找到一種有效的方法，在有限的空間內(nèi)集成各種娛樂活動，同時確保船舶符合最高水平的安全要求。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，郵輪行業(yè)將能夠更好地滿足旅客對豪華、舒適和安全的追求，為乘客打造出一次難忘的海上度假體驗。這種平衡是郵輪設(shè)計領(lǐng)域的重要課題，需要不斷的創(chuàng)新和技術(shù)進步來解決。

結(jié)構(gòu)進行有限元計算，環(huán)境條件為：滿足70 m/s的風(fēng)速，橫傾30°，縱傾10°，承受頂部膜的重量，考慮雨水等外部載荷，以及船體1 mm的變形影響。結(jié)構(gòu)表明均滿足變形、應(yīng)力的安全校核。

1.1 郵輪露天裝飾柱概述

大型豪華郵輪的上層建筑場地設(shè)施不僅僅是一個簡單的觀景平臺，它實際上是一個多功能的綜合體，匯聚了觀景、娛樂、休閑等眾多功能于一體[4]。這些設(shè)施在豪華郵輪上擔(dān)任著至關(guān)重要的角色，不僅直接影響著游客選擇郵輪度假體驗的決策，而且在整個郵輪的外觀造型中也發(fā)揮著強烈的影響。這些上層建筑場地設(shè)施不僅為游客提供了壯觀的觀景機會，還充當(dāng)了娛樂和休閑的中心。游客可以在這里享受寧靜的時光，欣賞大海的壯麗景色，或者參與各種娛樂活動，從而充分享受郵輪之旅。此外，這些設(shè)施還在整個郵輪外觀上發(fā)揮著重要作用，為豪華郵輪的設(shè)計增添了獨特的魅力和視覺吸引力。因此，設(shè)計豪華郵輪上的上層建筑場地設(shè)施成為了設(shè)計過程中的關(guān)鍵焦點。設(shè)計師必須綜合考慮空間利用、美學(xué)設(shè)計、功能性和舒適性，以確保這些設(shè)施在滿足游客需求的同時，也為整個郵輪帶來獨特的魅力和品味。這一方面要滿足游客對舒適和娛樂的期望，另一方面要考慮如何將這些設(shè)施巧妙地融入郵輪的整體設(shè)計中，使其成為吸引游客的杰出特點。郵輪上的上層建筑場地設(shè)施因此成為郵輪設(shè)計中不可或缺的要素。

中國首制郵輪的露天區(qū)域包括了一個特別設(shè)計的裝飾柱結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是上海外高橋造船有限公司為中船嘉年華（上海）郵輪有限公司的13.55萬噸級豪華郵輪（H1508）的關(guān)鍵組成部分。這個裝飾柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計（整體模型BQoqK7rakMvn5ErpCpm8mA==如圖2所示）有多重功能，旨在滿足游客在露天區(qū)域的休閑需求。首先，這一結(jié)構(gòu)需要能夠承受頂部膜的重量，這個膜用于遮擋陽光，為游客提供舒適的遮蔭空間。其次，結(jié)構(gòu)中還需要容納電纜，這些電纜用于連接照明設(shè)備，以提供夜間的照明效果，同時也起到美化區(qū)域的作用。該設(shè)計旨在為游客提供一個宜人的休閑場所，同時考慮了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和美觀性，以確保其在郵輪上的功能得以充分發(fā)揮。這一結(jié)構(gòu)的多功能性和綜合設(shè)計是中國首制郵輪的一個重要亮點，為游客創(chuàng)造了一個令人難忘的郵輪體驗。

1.2 裝飾柱有限元參數(shù)設(shè)定

結(jié)構(gòu)的有限元分析采用了大型通用性ANSYS軟件，該軟件廣泛用于進行整體結(jié)構(gòu)的有限元建模和計算。有限元方法是一種基于數(shù)值計算的強大分析工具，它將實際工程離散化為許多小的單元，然后通過內(nèi)置的結(jié)構(gòu)力學(xué)公式進行計算，從而得出整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。在進行有限元分析時，需要輸入各個結(jié)構(gòu)所采用的材料的物理參數(shù)。這些關(guān)鍵參數(shù)包括在表1中列出的各種材料特性。精準的物理參數(shù)輸入對于模擬結(jié)構(gòu)在實際工作條件下的行為至關(guān)重要，確保分析結(jié)果的準確性和可靠性。

本文的有限元分析中，使用了四節(jié)點殼元素來建立結(jié)構(gòu)模型，這種元素適用于處理較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)幾何形狀。而在模型的幾何形狀較為簡單的區(qū)域，設(shè)計人員則采用了三角形殼元素，以更有效地模擬結(jié)構(gòu)的行為。這樣的分段建模策略有助于在保持計算效率的同時，提高對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的準確建模能力。總體而言，有限元分析結(jié)合ANSYS軟件的運用為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供了可靠的數(shù)值工具，但在使用過程中需特別注意物理參數(shù)的準確性和模型的合理性，以確保得到具有實際可行性和工程意義的分析結(jié)果。

第3、6、7柱子與耳板連接存在峰值應(yīng)力，采用局部加強，設(shè)定與甲板和船墻壁相連的部分為固定端，基于加固支柱的反作用力載荷數(shù)據(jù)（設(shè)計輸入為）見表2，結(jié)構(gòu)所設(shè)定的具體節(jié)點力如圖3所示。表格數(shù)據(jù)來源于上海外高橋造船有限公司內(nèi)部文件《210008 NC 01 ind 0 - NDC - SWS Deck12》。

表中：F-X、F-Y、F-Z分別為構(gòu)件X、Y、Z方向受到的外力載荷（結(jié)構(gòu)外部懸掛遮陽棚的支反力）的節(jié)點力。

2 郵輪露天裝飾柱結(jié)構(gòu)有限元仿真及優(yōu)化

本文使用了ANSYS Workbench作為有限元仿真軟件，以進行線性靜態(tài)分析。以下是有限元仿真的相關(guān)步驟。

（1）選擇靜力學(xué)分析。首先，在ANSYS Workbench中選擇靜力學(xué)分析作為仿真類型。

（2）導(dǎo)入三維模型。將之前在SOLIDWORKS或其他三維建模軟件中建立的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。確保模型的文件格式是ANSYS Workbench可識別的格式。

（3）材料設(shè)定。根據(jù)實際情況，為模型的各個部件設(shè)置適當(dāng)?shù)牟牧蠈傩?，包括彈性模量、泊松比等物理參?shù)。

（4）設(shè)置邊界條件。定義結(jié)構(gòu)的邊界條件，即哪些部分是固定的，哪些部分是自由的。這些條件反映了實際情況中的約束和支撐。

（5）設(shè)置載荷。為模型施加外部載荷，如力、壓力或重力等，以模擬實際工況下的受力情況。

（6）節(jié)點和網(wǎng)格設(shè)置。在模型中創(chuàng)建節(jié)點和網(wǎng)格，以使結(jié)構(gòu)分析成為離散的單元，通常使用有限元分析中的元素進行網(wǎng)格劃分。

（7）求解。啟動仿真分析，軟件將根據(jù)設(shè)置的條件進行計算，以求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。等待ANSYS Workbench完成仿真計算，并生成結(jié)果。

（8）分析應(yīng)力和應(yīng)變。分析模型的應(yīng)力和應(yīng)變分布，以評估結(jié)構(gòu)的性能和安全性。

這些步驟幫助工程師模擬和評估結(jié)構(gòu)在不同工況下的行為，為優(yōu)化設(shè)計和確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供了有力工具。有限元仿真在工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，可以大大降低實驗成本和時間，同時提供準確的工程分析結(jié)果。

2.1 裝飾柱有限元仿真

在該區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮到不同部位的要求，采用了不同材料：主體結(jié)構(gòu)采用鋼（等級A），圓管選擇不銹鋼316，而方管則采用鋁合金。這種材料的選擇基于其在海洋環(huán)境下的耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)強度，以確保在船舶運行的各種工況下都能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。通過結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計人員對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行了全面的評估。這包括了對不同材料的彈性模量、泊松比等物理特性的準確輸入，以確保有限元分析的精度。同時，設(shè)計人員考慮了各個結(jié)構(gòu)組件的幾何形狀和連接方式，以更真實地反映結(jié)構(gòu)在受力情況下的行為。在計算將傳遞到船舶的載荷應(yīng)力值時，設(shè)計人員關(guān)注了各個關(guān)鍵部位的受力情況，包括主體結(jié)構(gòu)、圓管和方管。通過分析這些應(yīng)力值，設(shè)計人員能夠評估結(jié)構(gòu)在各種工況下的穩(wěn)定性，確保其在船舶運行過程中能夠承受來自海浪、風(fēng)力等多種載荷的作用，而不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

整個項目的目標(biāo)是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析，確保所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在實際工作環(huán)境中表現(xiàn)出色，并滿足船舶運行的各項要求。這包括了材料的合理選擇、結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性分析，以及對各種工況下的載荷應(yīng)力進行全面評估。通過這一綜合的設(shè)計和分析過程，旨在提供一個可靠、安全且性能卓越的結(jié)構(gòu)，以滿足海上工程項目的需要。

模型采用右手坐標(biāo)系法則：X為縱向，船首為正；Y為橫向，從船中向左舷為正；Z為垂向，從基線向上為正。

結(jié)構(gòu)按照下面的計算準則進行設(shè)計：

（1）

（2）

式（1）（2）中： 為單元的米塞斯應(yīng)力，N/mm2; 為許用米塞斯應(yīng)力，N/mm2； 為屈服強度，N/mm2。

結(jié)構(gòu)有限元分析分別采用大型通用性ANSYS軟件進行整體結(jié)構(gòu)有限元建模和計算，三維示意圖如圖4所示。

通過ANSYS軟件的計算，我們對不同工況下的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了詳細的掃描和分析。通過計算和驗證的過程，我們得出的結(jié)論是該結(jié)構(gòu)在各種工況下均表現(xiàn)出良好的安全性。結(jié)構(gòu)的米塞斯應(yīng)力均經(jīng)過精確計算，并驗證結(jié)果表明，這些應(yīng)力值都不超過169 MPa。這一結(jié)果明確證明了結(jié)構(gòu)在受力情況下的安全性，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計中規(guī)定的安全性要求。米塞斯應(yīng)力是一種全面考慮各向異性和復(fù)雜載荷作用下的應(yīng)力評估方式，其穩(wěn)定在設(shè)計要求內(nèi)進一步確保了結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.2 裝飾柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文中采用的是尺寸優(yōu)化方法，這是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最基本的一種。尺寸優(yōu)化通常可分為兩種主要類型，具體敘述如下。

一是優(yōu)化梁板等截面參數(shù)，例如梁的截面尺寸和板的厚度等。這種類型的優(yōu)化并不需要對幾何和網(wǎng)格進行更新，而是通過調(diào)整截面參數(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的改進。二是優(yōu)化模型的幾何尺寸，包括模型的整體特征尺寸、局部圓孔半徑、方孔的長寬等。與前一類型不同，這種優(yōu)化需要對幾何和網(wǎng)格進行更新，以更全面地考慮結(jié)構(gòu)形狀的變化[5]。選擇不同類型的尺寸優(yōu)化方法取決于具體的結(jié)構(gòu)問題和優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮計算效率和優(yōu)化效果。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況靈活選擇優(yōu)化策略以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的最佳提升。

在該裝飾柱的有限元仿真中，發(fā)現(xiàn)PR4和PR6的上端結(jié)構(gòu)受力較大，為增加結(jié)構(gòu)的使用壽命以及保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性，對結(jié)構(gòu)進行局部加強，分別添加10 mm厚度的橫向腹板以及25 mm厚度的縱向腹板，具體如圖5所示。

所優(yōu)化的結(jié)構(gòu)獲得勞氏船級社認證，并成功應(yīng)用于愛達魔都號，結(jié)構(gòu)現(xiàn)場圖如圖6所示，為后期中國豪華郵輪的建設(shè)提出了寶貴的意見。

3 結(jié)語

本文從愛達魔都號的案例出發(fā)，通過郵輪露天區(qū)域的需求對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化。結(jié)構(gòu)獲得勞氏船級社認證，并成功應(yīng)用于愛達魔都號，為后期中國豪華郵輪的建設(shè)提出了寶貴的意見。

本文研究的成果可總結(jié)如下：

（1）本文通過根據(jù)郵輪露天區(qū)域的需求，進行裝飾柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，并使用有限元仿真進行結(jié)構(gòu)的強度模擬；（2）中國首制郵輪的露天裝飾柱結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得勞氏船級社的認證，而且實物已經(jīng)成功制造和安裝到中國首制郵輪上；（3）本文的設(shè)計和制造過程為中國首制郵輪提供了關(guān)鍵支持，同時也在后期使用中積累了寶貴的意見和經(jīng)驗，可以用于進一步優(yōu)化和升級后續(xù)郵輪的設(shè)計。

中國郵輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將在國家戰(zhàn)略的引領(lǐng)下持續(xù)壯大，同時不斷提高技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，推動中國成為全球郵輪制造和運營領(lǐng)域的重要參與者。這一領(lǐng)域的成功經(jīng)驗將為中國的船舶制造和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

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