客滚船公共区域窗户相关结构设计分析与优化

沈 波，赵 勇，殷星杰，吉春正，王 俊

（1. 招商局工业集团有限公司，广东 深圳 518000；2. 招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

客滚船的公共区域通常布置有大量窗户，以满足舱室内部空间的自然采光需求和乘客的观景需求[1]。公共区域窗户的布置除了要满足这2方面的基本功能需求以外，还要与船舶整体外观设计相融合。为满足功能和外观方面的设计要求，窗户的数量需尽可能地多，开孔须尽可能地大，形状通常多变（甚至不规则），位置可能位于船舶的高应力区域（见图1和图2），这会在很大程度上削弱窗户周界结构的强度和刚度，导致窗户周界结构受损。在公共区域，舷侧窗户周界结构受损问题尤为突出。

另外，在建造和运营客滚船过程中，其公共区域的大型窗户漏水和玻璃破碎的情况时有出现，这会导致乘客的体验变差，甚至给其带来安全隐患，对船舶的正常运营有很大的影响。分析引发此类问题的原因，除了与窗框的强度和玻璃安装节点有关以外，还与周界结构的强度和刚度有密切的联系。因此，探究客滚船公共区域大型窗户周界的结构设计非常有必要，是客滚船项目的设计难点及关键风险点之一。

图1 某客滚船公共区域舷侧窗户

图2 某客滚船公共区域前部窗户

本文以某系列客滚船窗户的结构设计、计算和应用为例，分析客滚船公共区域各类大窗户相关结构设计的关键点和风险控制对策；在此基础上，对如何减弱舷侧大窗户区域参与结构总纵强度的程度进行分析，并对探索的思路和结论进行总结。

1 客滚船公共区域窗户相关结构设计关键点

根据公共区域窗户周界结构的受力特点，将公共区域的窗户分为2类：第一类为布置在舷侧的大窗户（如图1所示），尺寸较大且布置密集，主要与结构的总纵强度和疲劳密切相关[2]；第二类为公共区域前部的大窗户（如图2所示），尺寸较大且布置密集，主要与其周界结构的局部强度和刚度有关。为充分阐述各类窗户结构的设计要点，分别从结构受力特点、设计关键点和风险控制对策等3个方面进行分析与总结。

1.1 公共区域舷侧大窗户相关结构设计

1.1.1 结构受力特点

公共区域舷侧大窗户主要位于船体梁中性层上部，主要承受总纵剪切与总纵弯曲的组合作用[3]。以某客滚船公共区域舷侧窗户开孔结构有限元分析结果为例，在总纵剪切与总纵弯曲的共同作用下，该结构主应力方向随着其位置的变化而变化（见图3），其中：越靠近中性层，结构的总纵剪切应力越大；越靠近顶部，结构的总纵弯曲应力越大。

图3 某客滚船公共区域舷侧窗户周界合成应力方向和应力水平示意

在密集且尺寸很大的窗户开孔周围，应力水平较高，主要呈现出以下特点：

1) 不同几何形状开孔周界的应力集中系数不同，矩形窗户开孔角隅处的应力水平比圆形窗户开孔周界的应力水平高；

2) 货舱通风结构的开孔尺寸较大，当其与上方的窗户开孔布置在一列时，该区域的剪切面积折减较多，导致货舱通风开孔上方的窗户开孔周界的应力水平比附近类似位置的应力水平高。

由于大型窗户开孔周界有应力集中现象，导致该区域窗户周界，特别是矩形窗户角隅处出现了严重的总纵疲劳强度问题。

1.1.2 设计关键点

为满足总纵疲劳寿命的要求，舷侧大窗户区域结构设计的主体思路是降低区域整体的应力水平，并进一步降低矩形窗户角隅处的应力水平。增加板厚可有效降低区域整体的应力水平，在此基础上增大加强筋的密度可进一步降低局部应力集中区域的应力水平。但是，窗户之间的间距较小，且要布置窗框和除雾管道等设施，增大加强筋的密度通常并不现实，因此增加板厚是解决该区域疲劳问题的主要方案[3]。为制订一套合理的公共区域舷侧窗户周界结构设计方案，需综合考虑以下因素：

1.1.2.1 最大程度控制结构重量

根据船级社规范的要求，公共区域两侧板厚通常在7mm左右即可满足最小板厚的要求，但为满足总纵疲劳强度的要求，公共区域两侧外板厚度通常需增加至20～30mm，局部高应力区域的板厚需增加到40～50mm，甚至更厚。原则上看，在大窗户的周界或角隅处局部增加厚板能将应力降至合理水平，但考虑到增加的厚板区域不能太分散和板厚的过渡要合理等因素，往往需在公共区域两侧外板全范围内设置多个厚板分布区域（见图4）。

图4 某客滚船舷侧窗户周界外板板厚分布示意

根据某客滚船的设计方案，增加外板厚度可能会导致船舶结构重量增加数十吨，由于增加的重量均位于船舶较高的位置处，对空船的重心和初稳心高度hGM的影响非常大[3]。因此，在设计结构方案时，需充分考虑如何合理地减小板厚和厚板的分布区域，以最大程度地控制重量的增加。

通过研究可知，窗户的形状与所需板厚密切相关。在同一范围内，圆形窗户周界的应力水平比矩形窗户角隅处的应力水平低很多，在高应力区域选择圆形窗户可有效减小结构的板厚。但是，同一范围内圆形窗户的透光面积比矩形窗户小，因此选择何种形状的窗户需与船东方协商确定。另外，选择截面积大且材质与外板相同的窗框可在一定程度上减小窗户周界的板厚。

1.1.2.2 充分考虑窗户区域结构变形的范围

为避免窗户在安装和运营过程中出现漏水及破裂的情况，需充分考虑建造和运营过程中窗户周界的结构变形情况，在设计前期与窗户制造商充分讨论窗户周界结构变形的允许范围。为计算结构相对变形，需基于有限元分析手段读取加载前后窗户对角的坐标值，分别求出角变形值和线变形值。

1.1.2.3 船厂的施工流程及精度控制

为控制结构重量，在某些高应力区域，仅在矩形窗户的角隅处增加板厚。该方案会给船厂的施工和精度控制带来很大挑战，甚至导致后期窗户很难安装。在确定结构设计方案之前，需与施工部门和精控部门充分讨论。通常情况下，在安装窗户的结构开孔处须尽可能地避免此类在局部角隅处增加板厚的节点，若仅是结构开孔，则无须特殊考虑。

1.1.3 风险控制对策

从上述关键点分析中可看出，高应力区域内窗户的形状为该区域板厚和重量的最重要影响因素。因此在合同设计阶段需与船东和内装艺术设计人员讨论，尽可能地将高应力区域处窗户的形状确定为圆形。另，外，为有效控制窗户变形，要与船东争取在窗户中部增加垂直支撑等。通过这些措施，可有效规避合同生效之后设计和建造过程中的相关风险。

1.2 公共区域前部大窗户相关结构设计

1.2.1 结构受力特点

公共区域前部窗户不承受总纵载荷，主要承受横向强度和上浪载荷。由于该区域并未与上下结构有效连接，因此承受的横向载荷不大。另外，由于该区域位置较高，根据DNV GL规范计算得到的上浪载荷较小（仅有12.5kPa左右），结构自身易满足强度要求。

尽管如此，为使采光面积足够大，通常会采用大尺寸窗户。根据DNV GL规范计算，大尺寸窗户的外部承力玻璃的厚度可能会达到80～100mm，甚至更厚，局部的重量较大，加上该区域的大窗户比较密集，公共区域前部结构设计主要考虑玻璃的重力和惯性力导致的局部强度问题。

1.2.2 设计关键点

从窗户的结构形式（见图5）的角度看，为保证乘客的安全性，会在窗户内部布置玻璃，以避免窗户外部玻璃破裂掉落至船内。同时，船舶的前部通常为倾斜形式，导致内部玻璃与外部玻璃的接触处会受到很大的压力，这是公共区域前部窗户最主要的风险点。为避免内部玻璃被外部承力玻璃压碎，最主要的思路是设法降低外部玻璃的重量。此外，对于窗户周界的结构设计，需充分考虑以下因素：

图5 某公共区域前部窗户与玻璃构造节点

1) 窗户区域结构的整体刚度。为保证窗户在重力和惯性力作用下的变形在可控范围内，除了要求窗框的强度和玻璃周界的间隙要有足够的裕度以外，还要求严格控制窗户周界结构整体的刚度，通过增加结构强框和外板板厚等措施增强刚度，以控制窗户周界整体的扭曲变形值在合理范围内。

2) 艏部区域振动的影响。公共区域前部的窗户通常会布置在艏侧推的上方。在进出港时，艏侧推处于高负荷状态，通常会激发其上方区域出现明显的振动。此外，在高航速工况下，由于波浪的作用，会导致艏部区域发生明显的振动。基于这些原因，需考虑公共区域前部窗户区域的固有频率，避开艏侧推和波浪的激振频率[5]。

1.2.3 风险控制对策

根据上述分析，公共区域前部窗户区域结构设计的关键是降低该区域各窗户的重量。最有效的方法是减小单个窗户的尺寸，或将一个大窗户分为几部分。另外，也可考虑使用复合材料轻质玻璃以减轻重量。这些问题均需在合同设计阶段与船东和内装艺术设计人员等各方达成一致。

2 客滚船舷侧大窗户区域结构设计优化

通过对公共区域窗户结构设计进行分析可知，在舷侧窗户区域参与总纵强度的情况下，考虑的因素较多，技术风险较大，为结构设计的难点之一。为控制技术风险并优化舷侧大窗户区域的结构设计，比较有效的方法是减弱该区域结构参与船体梁总纵强度的程度。

2.1 优化思路和方案

为减弱舷侧大窗户区域结构参与船体梁总纵强度的程度，主要考虑在适当的位置将船体外板上下分离，使总纵剪切力不能通过外板上下传递，从而将舷侧窗户周界结构设计简化为仅考虑局部强度和刚度的问题。

结构优化方案需根据船舶总体布置的实际情况选择：若舷侧范围内可设置足够长的通道，可采用图6所示的方案，将带窗户的结构舱壁移至船舶的内侧；若舷侧不允许设置通道，可采用图7所示的方案，将窗户区域设计为整体大窗户，内部采用桁架结构形式。

图6 可设置贯穿通道的结构设计方案示意

图7 舷侧整体窗户的结构设计方案示意

2.2 结论分析

基于上述结构优化思路，结合某客滚船的有限元分析结果，可得到以下结论：

1) 将外板上下分离可有效减弱舷侧参与船体梁总纵强度的程度，但因船舶中部垂直管弄的连接作用，整个上层建筑的总纵强度参与度变化不大；

2) 结构优化前外板参与的总纵剪切力将转移到垂直管弄的纵壁，尽管其应力水平有所提高，但不需要考虑总纵疲劳问题和诸多工艺问题。

可见，将连续的外板断开可使窗户周界的总体应力水平明显下降，该方法能有效简化舷侧窗户结构设计。

3 结 语

通过分析与总结可知，客滚船公共区域舷侧和前部大窗户区域结构设计需综合考虑船舶总体布置、结构受力特点、区域固有频率，窗户连接节点和船厂的工艺等多方面的因素，只有如此才能给出合理的设计方案。尽管本文已针对窗户相关结构受力特点、关键考虑因素和结构优化等内容进行了较为详细的总结和分析，但有关非对称波浪载荷对窗户周界结构受力和变形的影响等更为复杂的问题并未涉及，有待进一步深入研究。