爱达•魔都号邮轮露天装饰柱结构设计

摘要：中国首制邮轮的露天甲板区域设置了迷你高尔夫球场，旨在提供游客一个宜人的休闲场所。针对所设计结构的强度、美观和功能性的要求，提出了露天装饰柱结构的设计。这项设计通过有限元模型的仿真分析，并在结构局部进行了优化加强，来确保结构整体的米塞斯应力低于169 MPa，达到了强度要求，获得了劳氏船级社的认证。实际制造已按照设计完成，并成功应用于中国首艘自制邮轮——“爱达·魔都号”。这一成功案例为未来豪华邮轮的露天区域结构设计提供了宝贵的参考经验和建议。

关键词：爱达魔都号邮轮 装饰柱 结构设计 数值模拟

中图分类号：U674.11

Structural Design of theOpen-Air Decorative PergolaStructureofor the AdoraDORA MagicAGIC CityITY Cruise Ship

DONG Kuikui1CAO Zhibing1YU Haiyang2SHAO Zhuyun1，3 （SHAO-ZHU Yun？？）

1. Shanghai Waigaoqiao shipbuilding Co.，Ltd.， Shanghai， 200137China;2. Shanghai Forver Marine Technology Co.，Ltd.， Shanghai， 201306China;3. Shanghai Maritime University， Shanghai， 201306China

Abstract：A mini-golf course wais set up in the open-air deck area of China'sthe first cruise ship in China， aiming to provide tourists with a pleasant place to relax. In response to the requirements of strength， aesthetics and functionality of the designed structure， this paper presents the design of the open-air pergola structurewaspresented. The design has beenoptimisedzed and strengthenededthe parts of the structurelocally through the simulation analysis of the finite element models to ensure that itsthe overall Mises stress of the structureiwas less than 169MPa， which meetsthestrength requirements， and it washas beencertified by Lloyd's Register of Shipping. The actual fabrication has beenwas completed according to the design and successfully applied to China's the first self-built cruise ship— -"AIDAdora Magic City"in China. This successful case provides valuable reference experience and suggestions for the design of the open-air areastructuresofor future luxury cruise ships.

Key Words： AdoraDORA MagicAGIC CityITY cruise ship;DecorativePpergola; Structural design; Numerical simulation

全球邮轮市场已经存在多年，有一些长期运营的豪华邮轮公司，如皇家加勒比国际邮轮、诺唯真邮轮和嘉年华邮轮等，国外的船厂和邮轮运营商已经豪华市场上建立了强大的品牌和声誉[1]。中国邮轮起步相对较晚，随着我国加大力度对于邮轮业的发展，首艘国产大型邮轮——“爱达·魔都号”，正是为了实现零的突破，建立中国品牌。自2019年10月18日首艘国产大型邮轮（见图1）正式开工点火起，经过近4年的精心建造和制造，中国船舶外高桥造船有限公司的首艘国产大型邮轮——“爱达·魔都号”。其命名“爱达·魔都号”寓意着从上海这座繁荣之都出发，向全世界传递着爱和友善的信息，为中国邮轮业的未来提供了坚实的基础和无限的可能性[2]。

关于邮轮露天结构，国内关于邮轮露天装饰柱区域的结构研究较少，相关设计建造经验几乎为零，主要与国外供应商相互合作。国内由招商维京游轮产品开发的“招商伊敦号”邮轮，设计有露天运动甲板，是首艘入籍中国的远洋邮轮。参考国外的邮轮而言，海洋和谐号（皇家加勒比），在露天区域配有10层的滑梯，为该邮轮增加了一大亮点。海洋绿洲号露天结构配有剧场和儿童玩乐区，由韩国STX造船厂建造，是全球最大的邮轮。

1 邮轮露天装饰柱结构总体设计

在当前的邮轮设计中，豪华邮轮已经演变成漂浮在海上的多功能度假胜地，其角色不仅仅局限于提供舒适的住宿和美味的饮食，还包括充当豪华酒店、高端餐厅和综合性娱乐场所。旅客在这片大海上的有限空间内，可尽情享受泡酒吧、欣赏歌剧、观赏电影，甚至在水上乐园中嬉戏玩乐。然而，邮轮设计面临着一个极具挑战性的问题，即在追求绝对舒适性和旅客体验的同时，必须满足严格的海上安全标准。这使得设计师在保障人员安全的前提下，需要创造出令人留连忘返的娱乐和休闲环境，确保旅客能够在船上尽情享受豪华、便利和愉悦的体验[3]。这种平衡是邮轮设计领域的重要课题，需要不断地创新和技术进步来解决。设计师们必须找到一种有效的方法，在有限的空间内集成各种娱乐活动，同时确保船舶符合最高水平的安全要求。通过不断优化和创新，邮轮行业将能够更好地满足旅客对豪华、舒适和安全的追求，为乘客打造出一次难忘的海上度假体验。这种平衡是邮轮设计领域的重要课题，需要不断的创新和技术进步来解决。

结构进行有限元计算，环境条件为：满足70 m/s的风速，横倾30°，纵倾10°，承受顶部膜的重量，考虑雨水等外部载荷，以及船体1 mm的变形影响。结构表明均满足变形、应力的安全校核。

1.1 邮轮露天装饰柱概述

大型豪华邮轮的上层建筑场地设施不仅仅是一个简单的观景平台，它实际上是一个多功能的综合体，汇聚了观景、娱乐、休闲等众多功能于一体[4]。这些设施在豪华邮轮上担任着至关重要的角色，不仅直接影响着游客选择邮轮度假体验的决策，而且在整个邮轮的外观造型中也发挥着强烈的影响。这些上层建筑场地设施不仅为游客提供了壮观的观景机会，还充当了娱乐和休闲的中心。游客可以在这里享受宁静的时光，欣赏大海的壮丽景色，或者参与各种娱乐活动，从而充分享受邮轮之旅。此外，这些设施还在整个邮轮外观上发挥着重要作用，为豪华邮轮的设计增添了独特的魅力和视觉吸引力。因此，设计豪华邮轮上的上层建筑场地设施成为了设计过程中的关键焦点。设计师必须综合考虑空间利用、美学设计、功能性和舒适性，以确保这些设施在满足游客需求的同时，也为整个邮轮带来独特的魅力和品味。这一方面要满足游客对舒适和娱乐的期望，另一方面要考虑如何将这些设施巧妙地融入邮轮的整体设计中，使其成为吸引游客的杰出特点。邮轮上的上层建筑场地设施因此成为邮轮设计中不可或缺的要素。

中国首制邮轮的露天区域包括了一个特别设计的装饰柱结构，这一结构是上海外高桥造船有限公司为中船嘉年华（上海）邮轮有限公司的13.55万吨级豪华邮轮（H1508）的关键组成部分。这个装饰柱结构的设计（整体模型BQoqK7rakMvn5ErpCpm8mA==如图2所示）有多重功能，旨在满足游客在露天区域的休闲需求。首先，这一结构需要能够承受顶部膜的重量，这个膜用于遮挡阳光，为游客提供舒适的遮荫空间。其次，结构中还需要容纳电缆，这些电缆用于连接照明设备，以提供夜间的照明效果，同时也起到美化区域的作用。该设计旨在为游客提供一个宜人的休闲场所，同时考虑了结构的稳定性和美观性，以确保其在邮轮上的功能得以充分发挥。这一结构的多功能性和综合设计是中国首制邮轮的一个重要亮点，为游客创造了一个令人难忘的邮轮体验。

1.2 装饰柱有限元参数设定

结构的有限元分析采用了大型通用性ANSYS软件，该软件广泛用于进行整体结构的有限元建模和计算。有限元方法是一种基于数值计算的强大分析工具，它将实际工程离散化为许多小的单元，然后通过内置的结构力学公式进行计算，从而得出整体结构的响应。在进行有限元分析时，需要输入各个结构所采用的材料的物理参数。这些关键参数包括在表1中列出的各种材料特性。精准的物理参数输入对于模拟结构在实际工作条件下的行为至关重要，确保分析结果的准确性和可靠性。

本文的有限元分析中，使用了四节点壳元素来建立结构模型，这种元素适用于处理较为复杂的结构几何形状。而在模型的几何形状较为简单的区域，设计人员则采用了三角形壳元素，以更有效地模拟结构的行为。这样的分段建模策略有助于在保持计算效率的同时，提高对复杂结构的准确建模能力。总体而言，有限元分析结合ANSYS软件的运用为工程结构的设计和优化提供了可靠的数值工具，但在使用过程中需特别注意物理参数的准确性和模型的合理性，以确保得到具有实际可行性和工程意义的分析结果。

第3、6、7柱子与耳板连接存在峰值应力，采用局部加强，设定与甲板和船墙壁相连的部分为固定端，基于加固支柱的反作用力载荷数据（设计输入为）见表2，结构所设定的具体节点力如图3所示。表格数据来源于上海外高桥造船有限公司内部文件《210008 NC 01 ind 0 - NDC - SWS Deck12》。

表中：F-X、F-Y、F-Z分别为构件X、Y、Z方向受到的外力载荷（结构外部悬挂遮阳棚的支反力）的节点力。

2 邮轮露天装饰柱结构有限元仿真及优化

本文使用了ANSYS Workbench作为有限元仿真软件，以进行线性静态分析。以下是有限元仿真的相关步骤。

（1）选择静力学分析。首先，在ANSYS Workbench中选择静力学分析作为仿真类型。

（2）导入三维模型。将之前在SOLIDWORKS或其他三维建模软件中建立的模型导入ANSYS Workbench中。确保模型的文件格式是ANSYS Workbench可识别的格式。

（3）材料设定。根据实际情况，为模型的各个部件设置适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等物理参数。

（4）设置边界条件。定义结构的边界条件，即哪些部分是固定的，哪些部分是自由的。这些条件反映了实际情况中的约束和支撑。

（5）设置载荷。为模型施加外部载荷，如力、压力或重力等，以模拟实际工况下的受力情况。

（6）节点和网格设置。在模型中创建节点和网格，以使结构分析成为离散的单元，通常使用有限元分析中的元素进行网格划分。

（7）求解。启动仿真分析，软件将根据设置的条件进行计算，以求解结构的响应。等待ANSYS Workbench完成仿真计算，并生成结果。

（8）分析应力和应变。分析模型的应力和应变分布，以评估结构的性能和安全性。

这些步骤帮助工程师模拟和评估结构在不同工况下的行为，为优化设计和确保结构的稳定性提供了有力工具。有限元仿真在工程领域中广泛应用，可以大大降低实验成本和时间，同时提供准确的工程分析结果。

2.1 装饰柱有限元仿真

在该区域的结构设计中，考虑到不同部位的要求，采用了不同材料：主体结构采用钢（等级A），圆管选择不锈钢316，而方管则采用铝合金。这种材料的选择基于其在海洋环境下的耐腐蚀性和结构强度，以确保在船舶运行的各种工况下都能保持结构的稳定性和可靠性。通过结构分析，设计人员对设计的结构进行了全面的评估。这包括了对不同材料的弹性模量、泊松比等物理特性的准确输入，以确保有限元分析的精度。同时，设计人员考虑了各个结构组件的几何形状和连接方式，以更真实地反映结构在受力情况下的行为。在计算将传递到船舶的载荷应力值时，设计人员关注了各个关键部位的受力情况，包括主体结构、圆管和方管。通过分析这些应力值，设计人员能够评估结构在各种工况下的稳定性，确保其在船舶运行过程中能够承受来自海浪、风力等多种载荷的作用，而不发生结构破坏。

整个项目的目标是通过结构设计和有限元分析，确保所设计的结构在实际工作环境中表现出色，并满足船舶运行的各项要求。这包括了材料的合理选择、结构的强度和稳定性分析，以及对各种工况下的载荷应力进行全面评估。通过这一综合的设计和分析过程，旨在提供一个可靠、安全且性能卓越的结构，以满足海上工程项目的需要。

模型采用右手坐标系法则：X为纵向，船首为正；Y为横向，从船中向左舷为正；Z为垂向，从基线向上为正。

结构按照下面的计算准则进行设计：

（1）

（2）

式（1）（2）中： 为单元的米塞斯应力，N/mm2; 为许用米塞斯应力，N/mm2； 为屈服强度，N/mm2。

结构有限元分析分别采用大型通用性ANSYS软件进行整体结构有限元建模和计算，三维示意图如图4所示。

通过ANSYS软件的计算，我们对不同工况下的结构参数进行了详细的扫描和分析。通过计算和验证的过程，我们得出的结论是该结构在各种工况下均表现出良好的安全性。结构的米塞斯应力均经过精确计算，并验证结果表明，这些应力值都不超过169 MPa。这一结果明确证明了结构在受力情况下的安全性，符合结构设计中规定的安全性要求。米塞斯应力是一种全面考虑各向异性和复杂载荷作用下的应力评估方式，其稳定在设计要求内进一步确保了结构的可靠性。

2.2 装饰柱结构优化

本文中采用的是尺寸优化方法，这是结构优化中最基本的一种。尺寸优化通常可分为两种主要类型，具体叙述如下。

一是优化梁板等截面参数，例如梁的截面尺寸和板的厚度等。这种类型的优化并不需要对几何和网格进行更新，而是通过调整截面参数来实现结构性能的改进。二是优化模型的几何尺寸，包括模型的整体特征尺寸、局部圆孔半径、方孔的长宽等。与前一类型不同，这种优化需要对几何和网格进行更新，以更全面地考虑结构形状的变化[5]。选择不同类型的尺寸优化方法取决于具体的结构问题和优化目标，综合考虑计算效率和优化效果。在实际应用中，需要根据具体情况灵活选择优化策略以实现结构性能的最佳提升。

在该装饰柱的有限元仿真中，发现PR4和PR6的上端结构受力较大，为增加结构的使用寿命以及保证结构的安全可靠性，对结构进行局部加强，分别添加10 mm厚度的横向腹板以及25 mm厚度的纵向腹板，具体如图5所示。

所优化的结构获得劳氏船级社认证，并成功应用于爱达魔都号，结构现场图如图6所示，为后期中国豪华邮轮的建设提出了宝贵的意见。

3 结语

本文从爱达魔都号的案例出发，通过邮轮露天区域的需求对结构进行设计和优化。结构获得劳氏船级社认证，并成功应用于爱达魔都号，为后期中国豪华邮轮的建设提出了宝贵的意见。

本文研究的成果可总结如下：

（1）本文通过根据邮轮露天区域的需求，进行装饰柱结构的设计和优化，并使用有限元仿真进行结构的强度模拟；（2）中国首制邮轮的露天装饰柱结构已经获得劳氏船级社的认证，而且实物已经成功制造和安装到中国首制邮轮上；（3）本文的设计和制造过程为中国首制邮轮提供了关键支持，同时也在后期使用中积累了宝贵的意见和经验，可以用于进一步优化和升级后续邮轮的设计。

中国邮轮产业的发展将在国家战略的引领下持续壮大，同时不断提高技术水平和创新能力，推动中国成为全球邮轮制造和运营领域的重要参与者。这一领域的成功经验将为中国的船舶制造和相关产业的进一步发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 陈怡.船舶专家向青少年讲述客船百年设计和建造历程[N].上海科技报，2023-08-04（1）.

[2] 段然.“爱达·魔都”号出坞与国产豪华邮轮建造之路[N].北京科技报，2023-06-26（4）.

[3] 谭磊.大型豪华邮轮上层建筑有效度及异型结构安全研究[D].镇江：江苏科技大学，2022.

[4] 邹志伟.豪华邮轮上层建筑的顶层甲板设计研究[J].艺术与设计（理论），2022，2（3）：60-62.

[5] 秦小龙.豪华邮轮玻璃穹顶设计分析[J].船舶工程，2022，44（10）：27-35.