邮轮上层建筑变形影响因素研究

吴树成

（中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引言

近年来，邮轮已经发展成为了集休闲、娱乐、度假等多种功能于一体的“海上城堡”，其显著特点是上层建筑甲板层数多、跨度长、面积大、舷侧开口大且数量众多、结构复杂、重量重心控制难度大。海内外诸多学者致力于邮轮结构研究，早在20世纪50年代，Crawford[1]将上层建筑和主船体视作2根独立的梁，相互间有着垂向力和水平剪力作用，据此对上层建筑和主船体的正应力进行求解，得到上层建筑中部应力的近似值。Schade[2]提出双梁理论，考虑客船主船体和上层建筑相互作用，进行上层建筑参与总纵强度和变形特性研究。陆鑫森[3]分别采用弹性力学法和组合梁法对上层建筑结构强度展开研究，并证明了不论上层建筑的弯曲方向与船舶主体相同还是相反，上层建筑的作用都使主船体所受的弯矩降低，从而主甲板的应力降低。甘锡林等[4]采用平面梁模型对客船舷侧连续开口的影响展开研究，发现竖向板条刚度和上层建筑端部连接构件刚度对上层建筑有效度的影响较大。Heder等[5]提出一种简化有限元模型，讨论舷侧开口对船体变形的影响，详细讨论了开口尺寸和上层建筑层数对变形的影响。Naar[6]对上层建筑与主船体之间的连接方式及救生通道等大开口引起的剪力传递规律进行研究，将甲板弯曲有效度定义为有限元计算结果与传统梁理论计算结果的比值。

现代邮轮正朝着大型化和多样化的方向发展，都设计有丰满庞大的上层建筑，呈现跨度长、层数多、面积大、舷侧开口多等特点，上层建筑结构设计对全船重量重心控制至关重要，正确把握上层建筑变形影响因素和变形特点是邮轮结构设计的基础和关键。本文对一大型邮轮上层建筑变形影响因素展开研究，对上层建筑层数、舷侧开口、甲板开口等典型因素对变形的影响进行探讨，为合理的邮轮上层建筑结构设计提供技术参考。

1 有限元计算模型

1.1 模型介绍

本文以一大型邮轮为研究对象，该邮轮总长L=323.6 m，型宽B=37.2 m，型深D=16.98 m，设计吃水d=8.4 m，并以中段形状延伸至首尾端建立理想化的三维有限元计算模型，典型横剖面示意图如图1所示。模型中设置有14层甲板，主甲板以下3层甲板，上层建筑有10层甲板，所有板结构均采用板单元模拟，纵骨、横梁等采用梁单元模拟，支柱、高腹板梁的面板等采用杆单元模拟。船长方向网格大小为肋距，船宽方向网格大小为纵骨间距，型深方向为大致相同的网格尺寸。

图1 邮轮典型横剖面示意图

1.2 载荷和边界条件

本文邮轮计算选取典型的中拱状态进行讨论，按照英国劳式船级社规范《Primary Structure of Passenger Ships》（2018）[7]的规定，作用于邮轮的中拱弯矩MW为：

式中：MW为中拱弯矩，L为船长，x=s/L（0≤X≤1），s为距尾垂线距离，ai为系数，按规范规定选取（i=1，2，3，4）。

模型求解计算时，在船底中心线与尾垂线相交处约束横向及垂向自由度（δy=δz=0），船底中心线与首垂线相交处约束纵向、横向及垂向自由度（δx=δy=δz=0），主甲板中心线与首垂线相交处约束横向自由度（δy=0）。

2 上层建筑变形影响因素分析

2.1 舷侧开口影响分析

为了满足游客全方位观景需求，邮轮在舷侧进行门、窗户等开口，这些开口会对邮轮结构强度和刚度产生影响，进而影响邮轮上层建筑结构设计。为了探究舷侧开口对上层建筑变形的影响，进行了不同舷侧开口的计算分析，共讨论6种工况。工况1为原始方案；工况2将D8甲板以上的窗户改成落地窗，增加了开口面积，舷侧开口率为0.403；工况3在原始方案基础上，将D7～D8甲板之间的大开口取消，舷侧开口率为0.431；工况4将原始方案的窗户开口减小一半，门开口尺寸不变，舷侧开口率为0.266；工况5在原始方案基础上，将D7甲板以下的开口全部取消，舷侧开口率为0.264；工况6将所有舷侧开口取消，舷侧开口率为0。

6种典型工况下每层甲板的船中最大垂向变形值如图2所示，舷侧开口率越大，每层甲板的垂向变形越大。这是由于随着舷侧开口面积的增大，邮轮整体刚度降低，抵抗变形能力减弱。对各典型工况而言，每层甲板的变形相差不大，最大变形随着层数的升高而减小，但是最上面2层甲板最大变形值并没有持续减小，反而有所增加，这是由于邮轮最上2层甲板设有大开口的露天泳池结构，更进一步削弱了结构刚度所致。工况4和工况5总开口面积相近，每层甲板的变形值也接近，说明舷侧开口率比开口分布对上层建筑变形的影响要大。另外，对比工况1和工况6的计算结果可知，舷侧开口对上层建筑变形影响非常大，设计的舷侧开口比不开口的各层甲板的变形要增大约40%，因此在邮轮上层建筑设计时，在满足总功能需求的前提下，尽可能减小舷侧开口尺寸，以增强结构刚度[8]。

图2 各工况下每层甲板船中最大垂向变形值

2.2 上层建筑层数影响分析

大型邮轮为乘客提供剧院、餐厅、商店、宿舍等多种场所，需要足够大的设计空间，因此大型邮轮上层建筑往往设计成多层甲板。本文研究的大型邮轮上层建筑共有10层，主要对上面7层上层建筑进行分析，共探讨8种工况。工况1为3层上层建筑（甲板D7以下），工况2为4层上层建筑（甲板D8以下），以此类推，工况8为10层上层建筑，此为原始方案。

各工况下每层甲板的船中最大垂向变形值如图3所示，上层建筑层数越多，每层甲板的最大垂向变形越小，相同上层建筑层数时每层甲板的最大垂向变形相差不大。随着上层建筑层数的增加，整体刚度增加，抵抗变形能力增强，故变形有效减小；工况1时，船中最大垂向变形值为工况8的2.3倍左右，因此上层建筑层数对变形的影响非常大。另外，随着上层建筑层数的增加，每层甲板垂向最大变形的减小率越来越小，上层建筑由3层增加到4层，变形减小约200 mm，而从9层增加到10层，变形只减小约50 mm。因此，在邮轮上层建筑设计时，在满足功能需求前提下，还需从强度、刚度等各方面综合考虑，选择合理的上层建筑层数。

图3 各层甲板不同上层建筑层数时垂向最大变形

2.3 甲板开口影响分析

邮轮上电梯、楼梯、剧场、泳池等设施会导致甲板开口，这些开口会对结构刚度产生影响，进而影响上层建筑的结构变形。本节研究模型在D13和D14甲板船中区域有一大开口泳池结构，长30 m，宽27 m。为了研究甲板开口对上层建筑变形的影响，本节对4种典型工况展开研究，工况1为原始方案；工况2将电梯、楼梯等各层甲板开口取消；工况3将泳池大开口取消，工况4将所有甲板开口取消。

各工况下每层甲板的船中最大垂向变形值如图4所示，仅取消电梯、楼梯等甲板开口各层甲板最大变形改变很小；将最上2层船中部泳池大开口取消后，各层甲板最大变形减小4%左右，各层甲板的开口全部取消最大变形减小6%左右。这说明电梯、楼梯等甲板开口对上层建筑变形影响很小，泳池等大开口对上层建筑变形的影响较大。功能布置不得不设置甲板大开口结构时，要特别注意，以免造成较大的上层建筑变形。

图4 各层甲板不同甲板开口时垂向最大变形

3 结语

本文以一大型邮轮为研究对象，采用有限元法对舷侧开口面积、上层建筑层数、甲板开口等因素对上层建筑变形特性的影响进行计算分析，为合理可靠的邮轮结构设计奠定基础。主要结论如下：

1）随着舷侧开口面积的增大，邮轮整体刚度降低，抵抗变形能力减弱，每层甲板的垂向变形变大。

2）舷侧开口率比开口分布对上层建筑变形的影响要大，在设计邮轮上层建筑时，应尽可能减小舷侧开口率。

3）上层建筑层数对邮轮变形影响较大，随着上层建筑层数的增加，最大垂向变形减小，但最大变形的减小率越来越小。

4）面积较小的甲板开口对上层建筑变形影响很小，泳池等大开口对上层建筑变形的影响较大，在进行大开口设计时要特别注意。