大型豪华邮船上层建筑舷侧门窗结构强度

谷家扬，谭 磊，郑镜华，张乾坤，李 琛

(1.江苏科技大学 a.海洋装备研究院；b.船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137)

0 引 言

基于梁理论的船舶总强度问题研究已有较长的历史。其主要研究内容如下：针对各种危险海况，考虑在自重、货物载荷、静水压力、波浪载荷和惯性力的共同作用下船舶结构响应是否会对船舶安全航行造成影响。发展至今，常规船型如油船、散货船和集装箱船等均有相对成熟的强度分析方法。而大型豪华邮船结构复杂，特殊功能舱室较多，特殊结构形式较多，安全因数要求更高。常规海船强度分析方法虽具有一定的参考意义，但由于无法较好地模拟邮船的实际工况，因此大型豪华邮船结构强度一直是邮船安全性研究的重要部分。

罗小林等[1]总结大型豪华邮船的结构特点和设计难点，并针对目前设计建造过程中的关键技术给出相应的对策和方法。国际上主要的船级社[2-4]以沉淀数十年客船建造经验，近年来分别发布客船整船强度计算准则。中国船级社[5]于2021年发布最新的邮船整船和局部强度计算指南。谢心等[6]扩展传统的梁理论总强度计算方法，在船体强框架上施加节点力产生沿船长分布的弯矩与剪力值，避免整船有限元模型外载荷施加的复杂过程。王艳春等[7]对客滚船的结构强度进行有限元分析，提出根据应力热点范围对结构加强或精简的方案。高处等[8]基于端面修正弯矩法，对内河汽车运输船结构突变区域进行舱段直接计算，结果表明结构突变较小的区域更容易产生较大的应力。丁仕风等[9]分析车辆运输船整船强度，结果表明车辆运输船的大开口、支柱和舷门等特殊结构应力集中现象突出，需要对局部结构进行优化，降低特殊结构的应力集中。陆春晖等[10]在实船验证的基础上，计算邮船总强度和上层建筑有效度，指出舷侧门窗和纵舱壁开口破坏剪力传递的连续性导致结构的抗剪力性能弱，并给出设计初期上层建筑有效度估算的设计值。王英等[11]对客滚船横梁开口强度进行分析优化，在满足强度的前提下，可对横梁开口类型进行优化，以更好地布置线缆和管件。ANDRIC等[12]扩展多甲板船特殊形状和结构拓扑优化的方法，并通过1艘客船进行验证。朱红娟等[13]基于有限元法研究邮船超大舱室在不同作业工况条件下的强度和变形，根据舱室吊装时的相对变形提出加固方案。FRICKE等[14]认为客船侧壁的开口导致舷侧外壳平面的结构刚度和上层甲板的有效性降低，并基于梁理论推导抗剪刚度的分析方法。PEI等[15]研究不同因素对客船上层建筑有效度的影响，其中舷侧开口面积对上层建筑有效度影响显著，在开口面积占侧壳面积43%时，弯曲效率仅为81%。陈刚等[16]研究邮船的高腹板梁开孔应力，开孔角45°边缘均存在应力集中现象，而在结构补强时面板作为优选加强方式对降低应力集中效果较为明显。吴卫国等[17]针对邮船典型舷侧开口开展剪切强度试验研究，结果表明剪切载荷导致舷侧开口角应力集中明显，结构易发生屈曲破坏和加强筋侧倾。孙怡[18]对某极地邮船的玻璃幕墙框架进行强度评估，并提出框架结构的优化模型。

1 大型豪华邮船整船有限元分析

1.1 整船结构分析模型

目标大型豪华邮船总长320.0 m，垂线间长283.5 m，型宽38.4 m，型深11.2 m。整船采用三维有限元模型模拟整船结构，包含整个船长、船宽和型深，结构内容包含主船体、上层建筑所有的横向、纵向有效结构；局部支撑和T材开孔等不模拟；铝合金、玻璃和烟囱等结构计入质量模型，并进行质量调平。整船有限元模型如图1所示。整船结构质量分布如图2所示。

图1 整船有限元模型

图2 整船结构质量分布

1.2 工况与载荷应用

强度分析主要是为获取大型豪华邮船在正浮和横摇工况条件下的船体结构响应。在正浮状态时取最大中拱和最大中垂(或最小中拱)的载况；在横摇状态时取重心最高的载况。上述工况条件下的载荷包括静水载荷和波浪载荷。船体梁静载荷为统计载况条件下的包络值，船体梁波浪载荷由垂向节点力实现，作用于外壳与强框架的交点。舷外海水的静动压力以压力场的形式作用于船壳，人员和备品等局部质量以质量点的形式施加；液舱压载水以压力场的形式作用于液舱周界。由上述载荷进行组合，构成英国劳氏船级社(LR)规范载荷法中用于计算邮船在弯矩和剪切力作用下的结构强度典型工况，即最大中拱与最大中垂工况、船中最大剪力与最小剪力工况和向左与向右横摇工况。

通过对大型豪华邮船所有航行工况条件下的装载情况进行弯矩和剪力极值统计，得到计算工况条件下的静水许用弯矩和剪力包络曲线。由于统计所得的剪力极值未将船中剪力极值包含在内，因此船中剪力极值采用插值计算。根据上述方式所得的沿船长方向的船体梁静载荷包络曲线如图3所示。

图3 船体梁静载荷包络曲线

规范载荷法定义的应用波浪载荷由垂向节点力的形式作用于有限元模型相应肋位的节点。对于规范计算的波浪载荷与应用载荷存在的差异，以单位弯矩和剪力计算修正因数，在应力合成时进行修正。波浪载荷条件下的船体变形如图4所示。

图4 波浪载荷作用下的船体变形

1.3 结果分析

通过整船质量调平应用载荷和边界条件，最终得到大型豪华邮船相应工况条件下的应力和变形结果。整船有限元分析计算表明，最大中拱为强度决定性工况。横向结构强度较好，少数开口区域存在零星的单元应力超出许用值，其余结构均满足衡准要求，零星单元应力过高可通过单元重新分配或应力平均对应力评估值进行二次计算。多层甲板在垂向的应力梯度变化明显，且在强力甲板以上呈增加趋势，上层建筑的存在对整船结构的应力水平具有较强的分担作用。甲板DK11和DK12处于中庭区域，不规则的超大型开口破坏甲板的连续性，开口周围的屈服和屈曲强度均存在超规范区域，需要进行结构优化；而纵舱壁作为整船主要的纵向支承结构，连续性虽好，但在弯矩和剪切力的作用下开孔处存在明显的应力集中效应，且切力作为决定性应力，该现象在距船中16.2 m的舷侧门窗较为明显。由计算结果可知：门窗应力在开孔角处较大，呈对角分布。为获取该处的准确应力分布规律，选取典型门窗类型进行细化分析。粗网格模型中的舷侧门窗区域应力分布如图5所示。支柱结构作为上层建筑除纵舱壁外的主要承力构件，承受拉压载荷。由整船分析结果可知：首尾少量支柱承受拉力，船中支柱主要承受压应力；对于不满足强度衡准的支柱，需要进行细化分析。

图5 舷侧门窗区域应力分布

2 大型豪华邮船上层建筑舷侧门窗开口结构强度

2.1 分析模型

为保证大型豪华邮船上层建筑舷侧门窗结构边界所受载荷和位移的准确性，在整船模型上对门窗区域进行细化分析。使用板单元对主要支撑构件进行模拟，整体网格大小为30 mm×30 mm，开口角处为模拟实际几何形状；适当增加网格数量，沿开口角边缘保证每90°圆心角内的单元数量不少于8个。计算工况为中拱和中垂工况。舷侧门窗结构数量较多，主要选取4类典型的门窗结构进行分析，并依次命名1-1、1-2、1-3和1-4。典型门窗结构选取区域如图6所示。

图6 典型门窗结构选取区域

为获取门窗角单元边缘的峰值应力，角边缘建立虚拟梁单元。门窗周围的加强筋腹板和面板以壳单元模拟，并考虑端部削斜，结构细节如图7所示。

图7 典型门窗模型细节

2.2 计算结果分析

规范规定门窗开口所有细网格区域的合成应力许用值不超过1.2×G1×σ0，单元边缘的峰值应力不超过1.5×G1×σ0，其中：G1为系数；σ0为钢材最小屈服应力。在σ0取355 MPa时，可得细网格区域的合成应力许用值不超过426 MPa，单元边缘的峰值应力取整不超过532 MPa。应力衡准如表1所示。

表1 应力衡准

根据应力衡准，在4种类型的门窗开口中，仅1-3结构满足衡准要求，1-1、1-2和1-4结构的开口角应力均超出许用应力标准，面板区域应力水平较低，最大中拱为应力决定工况。门窗开口的4个开口角在90°内应力集中现象较为突出，该区域外应力梯度变化明显。对称门窗(1-1)的热点应力从开口角区域向45°方向交叉延伸，斜交叉处应力向周围扩散，总体呈斜十字形状，如图8所示。门窗连接处面板尺寸虽较小，但由于抗剪加强筋和T型材的设置增加截面的剪切面积，因此板周围应力水平降低，裕量较大。开口角单元边缘的峰值应力对应合成应力的热点区域。非对称门窗(1-2和1-4)与1-1类似，开口角应力集中明显，并向周围面板传递，逐渐降至较低水平，如图9所示。

图8 1-1结构开口角应力分布

图9 1-4结构开口角应力分布

2.3 开口角设计优化

在确定应力集中严重的开口角后，对这些区域进行结构优化设计，对高应力区域进行板厚加强。经多次计算发现，加强板厚区域与周围连接处出现应力传递不连续现象，甚至为满足强度要求，导致在加厚后板厚差增大，出现新的应力集中，其原因在于：所用板材一般为4～12 mm的薄板，不能采用直接加厚的方式进行加强。根据规范板厚设计，相邻钢板厚度差不能超过一倍，若在加强后应力过渡不均且强度仍不足，则应进行板厚过渡处理。因此，对上述典型结构采用增设插入板的方式进行加强优化。典型结构插入板布置形式如图10所示。

图10 典型结构插入板布置形式

2.4 优化结果

在采用增设插入板的措施进行优化设计后，门窗开口角周围的应力水平均达LR规范细模型分析时的应力衡准值，满足结构强度要求。应力优化结果如表2所示。

表2 应力优化结果

3 结 论

基于LR客船规范，介绍该规范针对客船强度计算所考虑的典型计算工况，对大型豪华邮船进行载荷加载和整船有限元计算，分析整船主要支承结构的应力分布特点。根据分析结果对典型门窗开口进行细网格分析，获取热点区域的详细应力，并对超规范衡准的区域进行结构优化设计，得出如下结论：

(1)大型豪华邮船结构具有特殊性，各类异型结构繁多，在承受复杂载荷时结构间应力传递复杂，整船结构虽不存在大面积应力超衡准区域，但在舷侧、甲板和横纵舱壁大量的开口周围，支柱与甲板连接处，均存在应力梯度突变的地方。在整船强度分析后，对上述区域的优化分析必不可少。

(2)由于开口破坏结构的纵向连续性，因此大型豪华邮船舷侧门窗开口角周围的应力集中现象普遍存在且非常明显。大量的开口降低舷侧板的结构刚度，导致结构抵抗变形能力降低。开口周围为屈曲强度较弱区域，门窗周围均应布置抗屈曲筋，防止结构屈曲破坏。

(3)在结构优化过程中不仅应考虑结构强度满足规范要求，而且应兼顾结构的合理过渡，以避免连接处产生新的应力传递不连续现象。通过增设插入板的方式对开口角结构进行优化，可为后续大型豪华邮船门窗结构的设计和优化提供参考。