中型郵輪全船總縱強度評估

渠基順，谷家揚，韋 琪，張忠宇

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212000；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

郵輪是以休閑娛樂為主，配備餐廳、劇院、商場、游泳池等各種娛樂設施的水上旅游客船[1]，其結構具有多層連續上層建筑、板壁較薄、高度高、吃水淺、完整橫向艙壁較少、舷側及縱壁擁有連續較大開孔等特點，因此安全可靠的結構強度是結構設計的關鍵。船體總縱強度是反映船舶結構安全的基本指標，用以保證船體結構在彎曲和剪切作用下不發生屈服、屈曲和大變形。由于上層建筑不是100%參與總縱強度，且上層建筑各層甲板總縱強度不同，需要通過全船有限元強度計算真實反映郵輪結構的應力水平，為設計人員提供依據。

陸春暉等[2]基于中國船級社《郵輪規范》[3]中的整船直接計算方法，分析總縱彎曲應力和剪切應力的分布規律，歸納上層建筑各甲板的有效度參與特征，指出設計初期的關注點。陸紅干等[4]采用英國勞氏船級社規范包絡線外載荷，對中型豪華郵輪進行全船有限元計算分析，得到整船應力狀態和相對變形，為全船結構強度評估和優化提供基礎。朱波[5]對一典型內河郵輪在總縱彎矩作用下的結構響應進行了數值仿真模擬，分析上層建筑內正應力的分布情況，并對上層建筑有效度進行了研究，并對上層建筑側壁開口的影響進行了分析。

本文以某中型郵輪為例，基于中國船級社《郵輪規范》，采用整船有限元直接計算方法計算郵輪結構總縱彎曲應力，并校核舷側連續開孔細化模型下開孔的應力水平，分析應力分布規律，為郵輪結構設計提供參考。

1 船型概述

本船為流線型船體、球艏、連續主甲板船型，共13層甲板。該船用于全球范圍內溫和水域(無冰)的巴拿馬、蘇伊士和基爾運河內常規航行。動力方面采用4臺中速柴油機，分別布置于2個獨立主機艙內；2個固定螺距螺旋槳負責推進。本船設計時海水溫度0～32 ℃，大氣溫度-10～35 ℃。本船最大載客數量為948人，分別有主套房1個、艏部套房6個、艉部套房6個、初級套房24個、豪華套房116個、陽臺房間310個和窗戶房間9個，總計474個。船員艙室261個，可提供522個床位。

本船主要參數如下：總長232.00 m，垂線間長204.90 m，型寬31.00 m，型深9.30 m，設計吃水6.45 m，設計航速20 kn，最大乘客數948人，總噸(GT)52 000。

2 計算模型及工況

2.1 計算模型

利用三維有限元軟件PATRAN建立中型郵輪全船有限元模型，采用空間板梁組合模型模擬全船結構，船體的外殼、甲板、縱橫艙壁、內底和肋板等采用板單元模擬，骨材、扶強材及加強筋采用偏心梁單元模擬，非結構質量采用質量單元模擬。由于中型郵輪艏部具有曲率變化較大的球鼻艏結構及水線附近有冰區加強區域，在建模過程中對這類區域結構的網格要有所細化。劃分單元網格時，縱向網格尺寸為肋骨間距，橫向網格尺寸為縱骨間距。本船的材料屬性為高強度鋼材，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×10-9t/mm3，有限元模型見圖1。

圖1 郵輪全船有限元模型

2.2 空船重量調整

空船重量調整是確保船舶獲得真實載荷分布的前提條件。空船重量可以通過調整各部分的材料密度來模擬鋼料、舾裝和小的設備的重量，大的設備、壓載水采用質量單元模擬。質量單元可建在相應的結構上，也可通過虛擬結構和實際結構進行連接[6]。本文通過中國船級社軟件全船添加質量點的方式調整空船重量，具體流程見圖2。裝載計算書中的重量分布是將全船重量分布在每檔肋位之間，Shipright軟件調平衡原理是將每檔肋位間的重量平均分布在有限元若干節點上；大型設備的重量，如主機、螺旋槳、舵機、錨絞機、側推等分布在局部位置，若平均分布若干肋位則不能真實反映全船的重量分布。因此，軟件調整完后手工將大型設備的重量通過質量點或者MPC的方式施加在強框處，最終獲得實際的目標空船重量分布。

圖2 空船重量調整流程

中型郵輪整個空船重量為24 750 t。有限元模型調整后模型重量與實船重量一致，整船質量模型與船舶靜水浮態匹配。

2.3 計算工況及載荷組成

在評估郵輪總縱強度時，一般需要考慮4種典型的工況[3]：郵輪最大中拱、最大中垂、中部最大和最小剪切狀態，其中剪切工況主要評估船中0.4L～0.6L(L為船長)內船體結構應力水平。本文參照中國船級社規范，選取計算工況及其載荷組成見表1。目標中型郵輪裝載工況中沒有靜水中垂子工況，計算選取靜水最小中拱工況，靜水中拱和靜水中垂子工況首先需要做浮態調整工作，確保靜水彎矩分布與郵輪實際裝載情況一致。采用水動力學軟件，通過等效設計波方法確定主要載荷控制參數，計算各工況下的波浪載荷，慣性載荷通過設計波計算所得的慣性加速度，作用在整個模型上。

表1 計算工況及其載荷組成

本文通過慣性釋放技術對全船有限元分析自動調整和平衡，盡可能消除邊界條件對應力計算結果的不利影響，使得船舶結構符合實際應力狀態的要求，在PATRAN中采用PARAM INREL -2語句定義來實現。

3 結果分析

3.1 失效衡準

根據中國船級社《郵輪規范》(2017)中相關衡準要求，船體結構屈服強度衡準見表2。本船全船采用AH36高強度鋼，材料系數K取0.72。

表2 船體結構屈服強度衡準

3.2 計算結果

對4種典型總縱計算工況進行計算后得到船體結構應力水平，計算結果見表3。從表3中可以看出，工況3和工況4下全船結構強度滿足衡準要求。最大中拱工況(LC1)結構強度達到523 MPa，最大中垂工況(LC2)結構強度361 MPa，均超過許用衡準要求，其最大應力處位于上層建筑甲板不連續位置縱桁腹板處。這是由于結構的突變導致應力集中(見圖3)，因此需對過渡區域增加結構尺寸并修改結構過渡形式，以減少應力集中，使應力分布更加均勻，滿足規范衡準要求。

表3 各工況下最大合成應力

圖3 整船主要應力集中處

3.3 細網格強度評估

為了觀光的需求，郵輪上層建筑部分舷側開了較多的開孔，大大破壞了結構應力的傳遞路徑，易產生高應力區域，其結構強度不能忽視，結構設計時需重點關注。粗網格模型很難反映結構的真實形狀和應力分布水平，需要對典型的舷側開孔進行細網格評估。本文選取粗網格評估中舷側開孔較大的區域開展典型結構強度計算，模型開孔充分考慮相鄰開孔之間的影響，取3層甲板舷側開孔，船長方向前后各延伸2個強框，計算模型見圖4。

圖4 舷側結構細網格模型

將子模型嵌入到粗網格全船有限元模型中開展計算，舷側開孔在各工況下計算結果見表4。各工況應力最大區域均發生在舷側開孔負角隅處，見圖5。開孔倒圓角高應力區域最大值為379 MPa，滿足衡準要求。舷側開孔破壞了總縱應力的均勻分布特征，連續開孔使高應力區域相互影響。4種典型總縱工況下開孔應力分布特征相似(見圖6)，舷側開孔負角隅處應力梯度變化較大，產生應力集中；離舷側開孔負角隅區域越遠，應力水平降低比較明顯。

表4 各工況下舷側開孔細化結構應力值

圖5 最大中垂工況下舷側開孔結構細化應力

圖6 舷側連續開孔應力分布(單位：MPa)

4 結論

(1)本船結構強度在最大中拱和最大中垂工況下總縱強度超過許用衡準，不滿足規范要求。應力集中區域主要集中在上層建筑甲板不連續部分，設計時應重點關注。

(2)剪切工況主要評估船長0.4L～0.6L區域內的結構強度。本船剪切工況下船體結構強度均滿足規范要求。

(3)郵輪連續的舷側開孔強度應重點評估。本船舷側開孔應力集中區域均在開孔負角隅區域，兩相鄰開孔區域離開孔區域越遠，應力水平越低。