大型邮轮上层建筑特殊结构强度分析

林永水 孔祥韶 郭国虎 胡灏天 任鹏良 王 卓 ＊吴卫国

（1.武汉理工大学 理学院 武汉 430070；2.武汉理工大学 绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心 武汉430063；3.武汉理工大学 交通学院 武汉430063）

引 言

邮轮被造船界誉为“皇冠上最耀眼的明珠”，其衍生的各类产业均具有极高的经济附加值［1］。如何攻克大型邮轮设计建造关键技术，实现我国大型邮轮自主设计建造“从0到1”的突破，是当前我国造船界的一项艰巨任务。

邮轮产业在国外已有逾百年发展历史，其设计建造配套产业链完整。英国劳氏船级社出版的ShipRight Design and Construction-Structural Design Assessment中客船章节，对多层甲板客船（包含大型邮轮）的总强度和局部结构强度计算过程作了详细规定［2］。我国邮轮设计刚起步，目前国内针对大型邮轮结构设计方面的研究相对较少，文献［3］和文献［4］对邮轮总纵强度进行了分析，文献［5］对邮轮上层建筑参与总纵强度程度进行了研究，而对邮轮上层建筑局部结构强度和轻量化设计的研究较少。对于邮轮上层建筑局部结构研究国外公开发表文献极少。

邮轮与一般客船的主要区别在于，前者须为乘客提供多种类、高密度，且高规格的服务功能，这些服务包括但不限于：舒适的住宿空间、优美的观光体验，充足的娱乐设施以及安全的搭乘环境［6］。上述服务功能的集成，最终表现为邮轮极为发达的上层建筑（包含各种类功能舱室），以满足船上人员及乘客的生活和娱乐需求。同时为保证结构安全性和控制邮轮重量重心，诸如开孔高腹板板架结构，支柱结构，以及舷侧开口结构等特殊结构形式被灵活应用于邮轮结构。这也是大型邮轮设计建造的关键难点之一。

以某大型邮轮为例，对其上层建筑典型的特殊结构形式设计特点进行分析，并对特殊结构的承载能力特性进行数值仿真研究，为邮轮上层建筑结构轻量化设计提供指导。

1 邮轮典型特殊结构形式

根据各功能舱室布置要求所衍生出的各类特殊结构形式，可在满足舱室布置功能前提下，同时满足结构安全性指标。通过对目标邮轮的结构设计特点进行分析，主要有以下几种典型特殊结构形式。

1.1 开孔高腹板板架结构

由开孔高腹板T型钢梁、甲板以及若干骨材所组成的板架结构，广泛分布于目标邮轮上层建筑各功能舱室结构中，是最为常见的一类特殊结构。如前所述，现代邮轮上层建筑所涉及功能舱室众多。船上人员对温度、舒适度等方面的需求直接导致邮轮管路系统走线极为复杂［7］。另一方面，由于大型邮轮具备极为发达的上层建筑，船体重心高度的控制也会直接影响到邮轮稳性。采用开孔高腹板板架结构的作用包括：

（1）利于电缆、风管、水管等管路系统的铺设；

（2）让公共设施从开孔梁中通过，进一步压缩邮轮内部空间，降低层高；

（3）有效降低船体结构自重。

以目标邮轮开孔高腹板板架结构为例，结构形式类似普通船舶的纵骨架式结构，甲板上沿船长方向布置有数量较多的T型材及球扁钢，而在沿船宽方向则每隔4个肋位布置有1根T型材作为横梁。板架上的纵桁和横梁普遍采用腹板高度为450 mm的T型材，属于腹板高度较大的一类型材，普通船舶较少会使用到。局部区域还可能出现构件的尺寸过渡变化。如图1所示，纵桁及强横梁腹板上，均设有数量较多的开孔。腹板开孔形状分为圆孔和腰圆孔两种，其中圆孔和腰圆孔直径均为250 mm。

图1 邮轮开孔高腹板

邮轮板架钢梁上的腹板开孔，集中表现为开孔尺寸大，位置密集，排布具有规律，无补强等特点，开孔区域约占腹板总面积的30%～45%。

1.2 支柱结构

大型邮轮上层建筑中，布置有各类空间跨度较大的结构，这些结构一般是用作大型的影院、剧院或中庭。在这些结构中布置纵横舱壁作为支撑会严重破坏空间功能性，影响乘客的游玩体验。为了在保证结构安全性的同时，尽可能保留更多可供乘客活动的空间，邮轮设计会选择在适当的位置设置大量的支柱以对整体结构进行支撑。

在船体结构中，支柱作为传递甲板载荷的有效支撑构件得以广泛应用。相较于舱壁结构，支柱结构较轻且承载能力强，布置也较灵活，对船体舱室功能区的划分影响较小［8-9］。以目标邮轮为例，分别使用了截面形状为方形、圆形和工字形的三类型材作为支柱，且管钢支柱的使用最为频繁。如图2所示，支柱的布置位置主要集中在几个特定半宽剖面上，并沿船长方向每隔4个肋位进行布置。上下相邻支柱间的连接形式，根据局部布置特点，分为同心连接和偏心连接。由于支柱通常被布置在邮轮甲板纵桁和横梁的相交处，邮轮设计建造中应特别注意支柱与甲板的连接方式。

图2 邮轮支柱布置图

此外，不同布置位置上的支柱尺寸也存在明显差异，具体表现为同一截面形状支柱，位于下方的支柱尺寸会稍大于上方支柱。支柱截面形状及尺寸通过大量精细优化设计工作确定。

1.3 舷侧开口结构

如图3所示，大型邮轮上层建筑两侧舷侧甲板上设有密集的开口，这些开口形状各异、尺寸较大，但布置相对规律，主要用作邮轮海景房的观景舷窗。不同于普通客船，邮轮舷侧开口尺寸更大、数量更多，会对船体局部结构强度造成极大的影响。

图3 邮轮舷侧开口

舷侧开口结构的舷侧板上布置有数量较多的扶强材以及骨材，以对局部结构进行补强。在对扶强材和骨材进行布置时，一般会保证舷侧板上的每一个开口周围，均被由扶强材和骨材组成的框架所包围，以期达到最佳的补强效果。与此同时，开口角隅所存在的应力集中问题，也应该特别注意。目标邮轮在对舷侧开口结构角隅区域的补强上，主要采用对称角隅增焊补板的方式［10］。补板的位置、范围以及厚度需要大量的优化设计工作来确定。

2 邮轮特殊结构强度分析研究

2.1 开孔高腹板板架不同变量影响因素研究

2.1.1 甲板板厚对结构极限承载力影响

邮轮上层建筑甲板板架中的甲板板厚，会随着甲板高度不同发生变化、设置开孔高腹板板架系列仿真工况、调整甲板板厚参量，探究板厚变化对板架纵向受压极限能力的影响。有限元模型及仿真失稳形式如下页图4所示。有限元模型采用简支边界条件，施加纵向轴压载荷。系列仿真共设置11组不同甲板板厚计算工况，工况参数及最终计算得到载荷位移曲线如表1和图5所示。

图4 开孔高腹板板架仿真结果

表1 不同板厚系列工况 mm

图5 不同甲板板厚载荷位移曲线

由仿真计算结果可知，板架失稳主要发生在腹板开孔处，开孔是其薄弱位置。根据各工况载荷位移曲线，随着甲板板厚的不断增加，板架的极限载荷也随之增加。经过数据统计，甲板板厚与板架极限承载力之间的关系，大致为板厚每增加1 mm，板架极限载荷增加85 t，增长幅度约为16%。由上述现象可以发现，甲板板厚对板架极限承载能力至关重要。邮轮设计需要在板架板厚与板架重量间寻找合适的平衡点。

2.1.2 纵骨间距对结构极限承载力影响

设置开孔高腹板板架系列仿真工况，调整有限元模型纵骨间距大小，探究纵骨间距对结构极限承载力的影响。仿真工况参数见表2。

表2 不同纵骨间距系列工况 mm

由于调整模型纵骨间距后，模型面板宽度随之发生变化，直接比较各工况极限载荷将不符合控制变量的原则。因此转而对比各工况板架的应力变化水平，将仿真计算得到各工况最大应力值与纵骨间距间的关系绘制如图6曲线。

图6 不同纵骨间距极限应力曲线

根据仿真结果，随着模型纵骨间距的不断增加，板架极限应力首先出现缓慢的增加，随后以较快的速度出现衰减。这主要是因为纵骨间距增加，甲板板的柔度增加，与腹板柔度差异进一步加大，板格的长宽比变小导致屈曲半波数目减小，更容易接近低阶屈曲模态，进而失稳。

2.1.3 腹板开孔对结构极限承载力影响

高腹板钢梁上的开孔会直接影响到局部结构承载能力，同时钢梁腹板开孔又可有效降低结构重量［11］。分别建立腹板开孔和腹板无开孔的板架模型，调整甲板板厚，探究不同甲板板厚情况下，腹板上的开孔对结构极限承载力的影响。

随着板架甲板板厚逐渐增多，板架柔度逐渐减小。图7为有无开孔高腹板板架极限应力比值随板架柔度变化的散点分布图，其中蓝色粗虚线表示有开孔板架极限应力与无开孔板架极限应力的比值为1，红色细虚线则表示比值为0.85。由散点分布图可以看到，随着板架柔度的逐渐增大，有/无开孔板架极限应力比值出现了一定程度的起伏。在柔度大于4的区域，极限应力比值均小于0.9。考虑到结构设计的安全储备，可基本认为目标邮轮高腹板上的开孔直接导致结构材料利用率下降约15%。

图7 有/无开孔模型极限应力比值

2.2 支柱结构偏心度仿真分析

大型邮轮上层建筑中的各类空间结构大量使用到支柱结构进行支撑。相比于一般客船，大型邮轮对于内装的外观美学设计极为重视，在保证结构流线美观的同时，也牺牲了一定的结构完整性，进而衍生出各类偏心支柱结构。下面对偏心支柱进行简单介绍，参见图8。

图8 邮轮偏心支柱

偏心度代表上下两相邻支柱轴线的相对偏移量，是影响支柱连接结构的主要参量之一。支柱偏心度根据式（1）进行计算：

式中：d为上下两支柱的轴心间距，mm；D1为上支柱直径，mm；D2为下支柱直径，mm。

设置偏心支柱结构系列仿真工况，调整模型上下支柱偏心度，探究偏心度对结构承载能力的影响。表3为系列仿真工况参数以及最终计算得到的各工况极限承载力。

表3 支柱结构系列仿真工况及极限承载力

将各上下支柱直径比下，不同偏心度的极限承载能力绘制如图9曲线。

图9 支柱偏心度-极限承载力曲线

由图9可以看到，随着偏心度由0.11增大至1.27，支柱结构的极限承载能力出现明显下降，且偏心度越大，支柱结构极限承载能力的下降幅度也越大。同时，随着下支柱直径的逐渐减小，结构承载能力同样出现明显下降，图中代表各直径比曲线成明显分离趋势。偏心度对支柱结构承载能力的影响十分显著，对邮轮上支柱结构偏心度较大的位置，在设计时应重点关注。

2.3 舷侧开口结构仿真分析

通过改变舷侧开口距离下方纵骨的间距以及舷侧板的厚度，设置多组仿真工况，探究舷侧开口位置及舷侧板厚对结构局部强度的影响［12］。仿真工况参数见表4。仿真模型选取连续三跨舷侧开口结构，施加轴压载荷，图10为工况1的舷侧开口结构仿真应力云图。

图10 舷侧开口结构仿真应力云图

表4 舷侧开口结构仿真工况 mm

图11 舷侧开口结构应力集中系数

将各舷侧板厚下，开口角隅应力集中系数随开口位置下移的变化曲线绘制于图11。由图11可以看到，同一舷侧板厚下，随着开口不断远离板格中心，应力集中系数均呈现出递增的趋势。表明当开口位于板格中心时，舷侧开口结构拥有更好的承载能力以及更低的应力水平。同时还可以看到，舷侧板厚度对于结构应力水平同样有着较大影响，板厚为18 mm的舷侧板结构的应力水平远低于板厚为12 mm的舷侧板结构。

3 结 语

本文针对邮轮上层建筑结构设计特点进行总结，并采用有限元方法对特殊结构承载能力特性进行分析，得出下列结论：

（1）甲板板厚是影响开孔高腹板板架结构承载能力主要的参量，适当增加甲板板厚可有效提升板架强度。考虑到邮轮上层建筑甲板面积较大，甲板板厚的选取除局部强度，还须考虑结构对船舶重量重心的影响。

（2）纵骨间距过大，会使板架强度显著下降，而减小纵骨间距至一定程度，高腹板结构承载能力的变化将不再明显，设计时选择合理间距可提高承载能力。

（3）板架钢梁腹板上的开孔会影响结构承载能力。以目标邮轮为例，有开孔结构的极限承载能力约为无开孔结构的85%，高腹板梁上合理开孔对结构强度影响不大，有利于降低空船重量重心。

（4）偏心度对支柱连接结构承载能力的影响显著，且随着偏心度的增大，结构承载能力的下降幅度也越大。对邮轮上层建筑中不得不使用大偏心度支柱连接结构的位置，需要通过补强连接结构，增大上下支柱尺寸等方式来保证结构安全。

（5）当开口位于舷侧板中部，结构应力水平相对更低。设计时应尽可能保证舷侧开口结构的开口区域距离舷侧板边缘不要过近，并对角隅补强优化。

（6）基于我国船舶的设计建造规范，建立邮轮特殊结构的设计方法和强度衡准，为设计提供指导。