中型邮轮全船总纵强度评估

渠基顺，谷家扬，韦 琪，张忠宇

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212000；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212000)

0 引言

邮轮是以休闲娱乐为主，配备餐厅、剧院、商场、游泳池等各种娱乐设施的水上旅游客船[1]，其结构具有多层连续上层建筑、板壁较薄、高度高、吃水浅、完整横向舱壁较少、舷侧及纵壁拥有连续较大开孔等特点，因此安全可靠的结构强度是结构设计的关键。船体总纵强度是反映船舶结构安全的基本指标，用以保证船体结构在弯曲和剪切作用下不发生屈服、屈曲和大变形。由于上层建筑不是100%参与总纵强度，且上层建筑各层甲板总纵强度不同，需要通过全船有限元强度计算真实反映邮轮结构的应力水平，为设计人员提供依据。

陆春晖等[2]基于中国船级社《邮轮规范》[3]中的整船直接计算方法，分析总纵弯曲应力和剪切应力的分布规律，归纳上层建筑各甲板的有效度参与特征，指出设计初期的关注点。陆红干等[4]采用英国劳氏船级社规范包络线外载荷，对中型豪华邮轮进行全船有限元计算分析，得到整船应力状态和相对变形，为全船结构强度评估和优化提供基础。朱波[5]对一典型内河邮轮在总纵弯矩作用下的结构响应进行了数值仿真模拟，分析上层建筑内正应力的分布情况，并对上层建筑有效度进行了研究，并对上层建筑侧壁开口的影响进行了分析。

本文以某中型邮轮为例，基于中国船级社《邮轮规范》，采用整船有限元直接计算方法计算邮轮结构总纵弯曲应力，并校核舷侧连续开孔细化模型下开孔的应力水平，分析应力分布规律，为邮轮结构设计提供参考。

1 船型概述

本船为流线型船体、球艏、连续主甲板船型，共13层甲板。该船用于全球范围内温和水域(无冰)的巴拿马、苏伊士和基尔运河内常规航行。动力方面采用4台中速柴油机，分别布置于2个独立主机舱内；2个固定螺距螺旋桨负责推进。本船设计时海水温度0～32 ℃，大气温度-10～35 ℃。本船最大载客数量为948人，分别有主套房1个、艏部套房6个、艉部套房6个、初级套房24个、豪华套房116个、阳台房间310个和窗户房间9个，总计474个。船员舱室261个，可提供522个床位。

本船主要参数如下：总长232.00 m，垂线间长204.90 m，型宽31.00 m，型深9.30 m，设计吃水6.45 m，设计航速20 kn，最大乘客数948人，总吨(GT)52 000。

2 计算模型及工况

2.1 计算模型

利用三维有限元软件PATRAN建立中型邮轮全船有限元模型，采用空间板梁组合模型模拟全船结构，船体的外壳、甲板、纵横舱壁、内底和肋板等采用板单元模拟，骨材、扶强材及加强筋采用偏心梁单元模拟，非结构质量采用质量单元模拟。由于中型邮轮艏部具有曲率变化较大的球鼻艏结构及水线附近有冰区加强区域，在建模过程中对这类区域结构的网格要有所细化。划分单元网格时，纵向网格尺寸为肋骨间距，横向网格尺寸为纵骨间距。本船的材料属性为高强度钢材，泊松比为0.3，弹性模量为2.06×105MPa，密度为7.85×10-9t/mm3，有限元模型见图1。

图1 邮轮全船有限元模型

2.2 空船重量调整

空船重量调整是确保船舶获得真实载荷分布的前提条件。空船重量可以通过调整各部分的材料密度来模拟钢料、舾装和小的设备的重量，大的设备、压载水采用质量单元模拟。质量单元可建在相应的结构上，也可通过虚拟结构和实际结构进行连接[6]。本文通过中国船级社软件全船添加质量点的方式调整空船重量，具体流程见图2。装载计算书中的重量分布是将全船重量分布在每档肋位之间，Shipright软件调平衡原理是将每档肋位间的重量平均分布在有限元若干节点上；大型设备的重量，如主机、螺旋桨、舵机、锚绞机、侧推等分布在局部位置，若平均分布若干肋位则不能真实反映全船的重量分布。因此，软件调整完后手工将大型设备的重量通过质量点或者MPC的方式施加在强框处，最终获得实际的目标空船重量分布。

图2 空船重量调整流程

中型邮轮整个空船重量为24 750 t。有限元模型调整后模型重量与实船重量一致，整船质量模型与船舶静水浮态匹配。

2.3 计算工况及载荷组成

在评估邮轮总纵强度时，一般需要考虑4种典型的工况[3]：邮轮最大中拱、最大中垂、中部最大和最小剪切状态，其中剪切工况主要评估船中0.4L～0.6L(L为船长)内船体结构应力水平。本文参照中国船级社规范，选取计算工况及其载荷组成见表1。目标中型邮轮装载工况中没有静水中垂子工况，计算选取静水最小中拱工况，静水中拱和静水中垂子工况首先需要做浮态调整工作，确保静水弯矩分布与邮轮实际装载情况一致。采用水动力学软件，通过等效设计波方法确定主要载荷控制参数，计算各工况下的波浪载荷，惯性载荷通过设计波计算所得的惯性加速度，作用在整个模型上。

表1 计算工况及其载荷组成

本文通过惯性释放技术对全船有限元分析自动调整和平衡，尽可能消除边界条件对应力计算结果的不利影响，使得船舶结构符合实际应力状态的要求，在PATRAN中采用PARAM INREL -2语句定义来实现。

3 结果分析

3.1 失效衡准

根据中国船级社《邮轮规范》(2017)中相关衡准要求，船体结构屈服强度衡准见表2。本船全船采用AH36高强度钢，材料系数K取0.72。

表2 船体结构屈服强度衡准

3.2 计算结果

对4种典型总纵计算工况进行计算后得到船体结构应力水平，计算结果见表3。从表3中可以看出，工况3和工况4下全船结构强度满足衡准要求。最大中拱工况(LC1)结构强度达到523 MPa，最大中垂工况(LC2)结构强度361 MPa，均超过许用衡准要求，其最大应力处位于上层建筑甲板不连续位置纵桁腹板处。这是由于结构的突变导致应力集中(见图3)，因此需对过渡区域增加结构尺寸并修改结构过渡形式，以减少应力集中，使应力分布更加均匀，满足规范衡准要求。

表3 各工况下最大合成应力

图3 整船主要应力集中处

3.3 细网格强度评估

为了观光的需求，邮轮上层建筑部分舷侧开了较多的开孔，大大破坏了结构应力的传递路径，易产生高应力区域，其结构强度不能忽视，结构设计时需重点关注。粗网格模型很难反映结构的真实形状和应力分布水平，需要对典型的舷侧开孔进行细网格评估。本文选取粗网格评估中舷侧开孔较大的区域开展典型结构强度计算，模型开孔充分考虑相邻开孔之间的影响，取3层甲板舷侧开孔，船长方向前后各延伸2个强框，计算模型见图4。

图4 舷侧结构细网格模型

将子模型嵌入到粗网格全船有限元模型中开展计算，舷侧开孔在各工况下计算结果见表4。各工况应力最大区域均发生在舷侧开孔负角隅处，见图5。开孔倒圆角高应力区域最大值为379 MPa，满足衡准要求。舷侧开孔破坏了总纵应力的均匀分布特征，连续开孔使高应力区域相互影响。4种典型总纵工况下开孔应力分布特征相似(见图6)，舷侧开孔负角隅处应力梯度变化较大，产生应力集中；离舷侧开孔负角隅区域越远，应力水平降低比较明显。

表4 各工况下舷侧开孔细化结构应力值

图5 最大中垂工况下舷侧开孔结构细化应力

图6 舷侧连续开孔应力分布(单位：MPa)

4 结论

(1)本船结构强度在最大中拱和最大中垂工况下总纵强度超过许用衡准，不满足规范要求。应力集中区域主要集中在上层建筑甲板不连续部分，设计时应重点关注。

(2)剪切工况主要评估船长0.4L～0.6L区域内的结构强度。本船剪切工况下船体结构强度均满足规范要求。

(3)邮轮连续的舷侧开孔强度应重点评估。本船舷侧开孔应力集中区域均在开孔负角隅区域，两相邻开孔区域离开孔区域越远，应力水平越低。