郵輪模塊化鋁制陽臺的結構設計與評估

李子凡，殷浩，朱紅娟，覃淳

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000；2.招商局新材料科技(重慶)有限公司，重慶 402160)

陽臺房是郵輪上必不可少的一種客艙房型。為追求高級的住宿體驗，位于郵輪上層建筑兩側的客艙幾乎全部為陽臺房，大型郵輪上陽臺房更是多達數百甚至上千間。傳統的客艙陽臺建造是在兩層甲板之間進行分隔而形成陽臺空間，為了進一步節省鋼材，減輕重量，陽臺區域的另一種建造方法是預先在上層建筑外壁設置懸臂梁，碼頭舾裝階段以懸臂梁為支撐鋪設地板、欄桿、分隔等。但是隨著郵輪總噸位的不斷增大，陽臺房數量增加，這種陽臺建造方式的舾裝工程量巨大，船上安裝時間長，影響造船效率，于是歐洲的舾裝件廠商提出采用模塊化的生產和安裝方式建造客艙陽臺。模塊化陽臺是在工廠預先制作組裝的陽臺結構，待船體結構成型后，以螺栓形式快速安裝至船體的客艙陽臺模塊。這種建造方式可以提高舾裝速度，統一產品質量、改善施工環境。模塊化陽臺建造方式在歐洲船廠的中大型郵輪建造上得到廣泛應用，目前僅意大利SOMEC集團生產模塊化陽臺產品，并壟斷了郵輪市場。為此，提出了一種模塊化鋁制陽臺的結構設計方案，并完成結構強度評估。

1 模塊化陽臺結構設計要求

模塊化陽臺的結構設計需要滿足船級社規范要求，對于陽臺甲板，各船級社規范對于陽臺區域的設計載荷均有規定，見表1。對玻璃欄桿的設計，目前僅DNVGL規范[1]和LR規范[2]中有較為詳細的規定。

表1 各船級社規范陽臺設計載荷對比 kN/m2

DNVGL規范對于預制的陽臺模塊、玻璃欄桿、玻璃的強度試驗也有相關要求，規定預制的陽臺模塊需要進行結構測試，測試載荷2.5 kN/m2，在移除測試負載時，不應產生視覺損傷或永久變形；外玻璃欄桿在吃水1.7Cwm以上的應進行強度測試，用于測試的欄桿玻璃應采用與船上實際布置相似的布置來支撐，試驗壓力應為設計壓力的1.1倍，如果玻璃或其支撐結構沒有明顯的損傷，則認為測試成功；對于玻璃應按照EN12600[6]或同等標準要求進行沖擊測試，跌落高度不小于1.2 m，并且至少重復3次，要求單片玻璃不破碎，不形成裂紋，夾層玻璃即使破碎也應在框架內保持為一塊。

由于總噸位5萬t的目標郵輪入級LR船級社，因此本文中陽臺模塊的結構設計主要參照LR船級社的相關要求。LR規范規定，外部玻璃欄桿應采用夾膠鋼化玻璃，且高度不小于1 m。設計時應考慮環境載荷和人員載荷，環境載荷大小取決于欄桿位置，見表2，人員載荷應不小于歐洲標準EN 1991-1-1:2002[7]中規定載荷的1.5倍。欄桿立柱的彎曲應力系數不大于0.6。欄桿扶手的最小剖面模數應滿足規范計算公式，且承受人員載荷時的變形不能超過扶手長度的1/96。外部玻璃欄桿應進行擺錘沖擊試驗，采用高度不少于1.5 m的國際標準，試件布置應與完成安裝的實際布置相同。

表2 舷側玻璃欄桿設計壓頭 m

2 模塊化陽臺結構設計方案

2.1 材料的選擇

當代郵輪的建造正在朝著安全、節能、環保的趨勢發展，結構的輕量化設計正是節能、環保理念的體現，因此模塊化陽臺的材料選擇也圍繞輕量化設計開展。

鋁合金材料密度較小，約為鋼材的1/3，且具有較高的比強度，在減輕船體重量方面應用廣泛。雖然鋁合金也有彈性模量低，受焊接影響大等缺點，但是由于模塊化陽臺的尺寸跨距小，設計載荷不高，且連接節點多采用螺栓、拼扣等物理連接方式，鋁合金的上述缺點對模塊化陽臺的強度、剛度影響并不突出。因此，模塊化陽臺的材料選擇為鋁合金材料，主型材牌號6063A-T6，其他輔型材為6061-T6，板材為5083-H116。

2.2 模塊化陽臺整體設計

模塊化陽臺主要由陽臺甲板、玻璃欄桿、欄桿立柱、陽臺隔斷等結構組成，結構之間的連接采用螺栓連接方式，其布置見圖1。

圖1 模塊化陽臺的結構布置

由于不同郵輪的陽臺設計尺寸不同，為了使模塊化陽臺產品適應不同郵輪的需求，陽臺的甲板設計為型材拼接而成，型材拼接數量決定陽臺模塊的寬度，型材的切割長度決定模塊化陽臺的長度。型材拼接形式使陽臺模塊更具靈活性，可以滿足各種郵輪的陽臺設計需求。

基于目標郵輪的艙房尺寸，模塊化陽臺的甲板尺寸為2 800 mm×1 560 mm。

陽臺之間用于分隔不同房間的隔斷，設計為可拆卸式，隔板采用厚度為25 mm的蜂窩板。

2.3 鋁制甲板型材設計

考慮到型材材料為鋁合金，為減少焊接影響，陽臺甲板設計為型材拼接形式，采用物理形狀卡扣連接。為了增加型材剖面模數，提高型材的承載能力，甲板型材結構設計為雙面板雙腹板形式，型材長度為2 800 mm，整體高度為50 mm，面板寬度為160 mm，兩腹板居中對稱分布，間距為100 mm，面板和腹板的板厚均為2 mm。為了與敷料更緊密結合，上面板表面每間隔15 mm設有高度為1 mm的半圓突起，型材上下面板端部設計為凹凸卡扣形狀，型材結構形式見圖2。

圖2 甲板型材結構形式

陽臺甲板邊緣結構的設計既要考慮與玻璃欄桿以及船體懸臂梁的連接，又要考慮整個陽臺排水需求。因此陽臺邊緣結構的內側部分與甲板型材的高度以及板厚保持一致，考慮排水需求，上面板設計有直徑為50 mm的圓弧下凹。邊緣結構的外側部分的頂部設計有安裝玻璃的插槽，底部與船體懸臂梁底部面板平齊，考慮設計載荷影響，設計外側部分板厚為2.5 mm。邊緣結構整體寬度為195 mm，高度為290 mm，具體形式見圖3。

圖3 甲板邊緣型材結構形式

2.4 玻璃欄桿和立柱設計

玻璃欄桿由2塊欄桿玻璃，頂部玻璃支撐結構及頂部扶手組成。基于LR規范要求，模塊陽臺玻璃欄桿高度設計為1 150 mm，玻璃欄桿的設計載荷按照表2計算。根據目標郵輪布置，算得的最大設計壓頭為三甲板艏部的陽臺處，設計壓頭為1.28 m。欄桿玻璃選用雙層夾膠玻璃，外側夾膠玻璃厚度為10 mm，內側夾膠玻璃為8 mm，夾膠厚度1.52 mm，單片玻璃尺寸約1 340 mm×1 080 mm，欄桿立柱為8mm厚度的U形剖面鋁合金型材，采用變截面設計，頂部剖面尺寸為56 mm×40 mm,底部剖面尺寸為56 mm×124 mm，立柱凈高度為1 092 mm，立柱結構示意見圖4。欄桿立柱頂部焊接有規格為140 mm×56 mm×8 mm扁鋁，用于螺栓固定欄桿頂部的柚木扶手。頂部柚木扶手為實心橢圓形柚木扶手，剖面尺寸為125 mm×96 mm。

圖4 欄桿立柱的結構形式

3 模塊化陽臺強度評估

3.1 甲板型材評估

陽臺模塊的甲板區域是由多根獨立的鋁合金型材通過結構本身的形狀卡扣拼接組成，考慮到型材接頭之間的相互作用，特選擇3根相鄰的型材單元作為典型分析位置，采用有限元分析方法，建立體單元模型，將型材形狀卡扣之間相接觸的面分別定義為接觸區域，在相互作用的接觸區域之間建立接觸對，定義接觸類型為約束函數類型，約束模型甲板型材與底部橫梁接觸位置的z向位移(, ,0, , , ,)，型材邊緣與橫梁螺栓連接處的x，y，z三個方向位移自由度 (0,0,0, , , ,) (0代表約束, 空代表釋放)。采用非線性求解，校核型材的強度剛度是否滿足設計要求。有限元計算使用Femap軟件進行建模，NX Nastran軟件計算求解。

LR規范要求細網格(≤50 mm×50 mm)的等效應力不大于1.2σ0，對于鋁合金材料，其σ0為125 MPa，因此許用應力為150 MPa。最大變形準則取型材跨距的1/400，即7 mm。

計算得到型材最大等效設計應力為69 MPa，最大變形3.3 mm，滿足設計要求。

3.2 陽臺模塊整體強度評估

采用有限元方法對模塊化陽臺的整體結構進行強度評估，校核鋁合金陽臺模塊的結構在LR規范設計載荷下能否滿足強度要求。由于前文已經采用非線性接觸分析對甲板型材拼接強度進行校核，因此陽臺整體校核時，為了提高計算效率，采用線性分析，甲板型材卡扣之間通過設置厚度為0.01 mm的板單元來傳遞載荷，強度評估時不計這些單元上的應力。

陽臺模塊整體有限元模型包括鋁合金陽臺甲板、欄桿和立柱，見圖5。陽臺甲板、支柱等鋁合金結構使用板單元模擬，欄桿扶手使用梁單元模擬，玻璃欄桿采用質量單元及剛性單元模擬，網格大小約10×10 mm。

圖5 有限元模型示意

計算時考慮結構自重，欄桿玻璃的重量通過施加0.2 t的質量單元來體現，模型自重通過施加重力加速度的方式來實現。

參照LR規范，甲板載荷取3.92 kN/m2。玻璃型材及欄桿上的設計載荷取14 kN/m2，方向指向舷外，玻璃欄桿長2.8 m，高1.15 m，所受總力45 080 N，作用于玻璃欄桿質心位置，通過6個自由度相關的剛性單元傳遞到鋁合金模塊上。欄桿扶手上的設計載荷取1.5 kN/m，扶手長2.8 m，整體受力4 200 N，施加在欄桿所在的幾何線上。

由于船舶運動產生的慣性力影響，通過施加慣性加速度來考慮，橫向加速度0.5g，縱向加速度0.5g，垂向加速度0.5g。

約束模型在支柱頂端與陽臺分隔連接處的x向位移(0, , , , , ,)，陽臺甲板與底部橫梁接觸位置的z向位移(, ,0, , , ,)，螺栓位置的x，y，z3個方向位移自由度 (0,0,0, , , ,)，靠船體側螺栓角鋁固定處約束x向位移(0, , , , , ,)(0代表約束, 空代表釋放)。

計算得到模塊化陽臺最危險工況下的最大等效應力為107.4 MPa，小于許用應力150 MPa，甲板最大變形約5 mm，滿足規范要求。

4 結論

對一艘總噸位為5萬t的中型郵輪，完成了模塊化陽臺的結構設計，模塊化陽臺采用鋁合金材料，設計為型材拼接形式，采用物理形狀卡扣連接，以滿足不同郵輪的陽臺尺寸設計需求，經過強度評估，所設計的模塊化鋁制陽臺滿足LR船級社規范要求。

目前國內尚沒有郵輪項目采用模塊化陽臺建造安裝方式，模塊化陽臺的國產化研究對于降低造船成本，提高造船效率，完善國內郵輪產業配套具有重要意義。