豪華郵輪結構設計特點與分類設計技術

高處,劉文夫,邱偉強,陳濤

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

1 研究背景

目前,豪華郵輪發展趨勢：①大型化,船上可容納大型歌劇院,餐飲及娛樂設施,符合年輕家庭的度假需求,以10萬t以上的大型豪華郵輪為代表。②以5萬～7萬t級的中型豪華郵輪為代表,船舶尺度中等,走奢華、優質服務路線,滿足高端人士需求[1]。無論何種噸位的豪華郵輪,高大、寬敞的長上層建筑是實現其商業服務功能的必要條件。除此之外,與一般的交通型客船、運輸船不同,為滿足乘客娛樂,休閑等活動,上層建筑內部存在多種異型結構,由此產生的結構強度、剛度、振動、噪聲風險對郵輪結構設計提出了極高的要求。

2 豪華郵輪的結構設計特點

2.1 上層建筑甲板參與總縱強度的有效度分布不均衡

豪華郵輪是布置主導型船舶,為滿足乘客各類娛樂需求,郵輪的上層建筑又寬又長,且甲板層數多[2]。其內部為追求獨特的藝術效果及寬闊的視野而設計成新穎的、奇特的造型,往往造成甲板、縱艙壁等縱向結構連續性較差。同時,所有豪華郵輪都需要在船中部的舷側設置大量的露天救生艇或者大量的門窗開孔,總縱彎曲剪力通過外板向上傳遞的效率不高。最終導致船體作為“梁”的特征不明顯,船體梁在變形的時候不滿足平斷面假設。由于用理論方法計算郵輪上層建筑參與總縱強度有效度較困難[3],理論計算結果與很多豪華郵輪的實際應力情況不相吻合,且總縱正應力及剪應力不能由規范公式計算得到,因此長上層建筑參與總強度有效度通常需要通過直接計算獲得。

2.2 全船應力分布不均衡

豪華郵輪的運載對象是人和補給,一艘7萬總t級中型豪華郵輪,有效載重量僅約8 000多t,廣義舾裝重量約15 000 t,水線以下濕表面積與3萬DWT的運輸船相當,這說明因為局部載荷引起的結構應變能不大。然而,其合成設計彎矩和剪力與9萬DWT的運輸船相當;空船結構重量約16 000 t,與12萬DWT的運輸船相當。可以推算,單位空船結構重量所承受的總體應變能和局部應變能均比同尺度運輸船小得多。因此豪華郵輪船體存在大量低應力區域, 大部分結構的總縱應力水平較低,或僅僅承受局部載荷,且局部載荷幅值不大,結構尺寸可以由規范允許最小板厚、屈曲強度,以及振動控制要求決定。

從圖1、2某中型豪華郵輪各層甲板屈服、屈曲利用因子分布圖可以看出,甲板結構強度利用因子占許用利用因子比例在40%以下的百分比很高,這些區域具有足夠的強度裕量,有輕量化的空間。圖中利用因子定義為屈服、屈曲應力與許用屈服、屈曲應力的比值。

圖1 某中型豪華郵輪各甲板屈服利用因子分布

豪華郵輪上層建筑布置數千個居住艙室,每個艙室模塊都在專業配套廠提前鋪設管系和電纜,舾裝率近100%,其建造復雜程度和建造精度要求遠超其他船舶[4]。為了提高建造速度,在模塊進、出艙路線上不設置任何固定式結構。此外,對于特殊功能需求的生活及娛樂模塊,如中庭空間、劇場空間、IMAX影院、酒吧空間、水上樂園、主餐廳空間和特色餐廳等,傳統船舶的結構布局方案已不能滿足其要求[5]。這些區域幾乎不設置結構圍壁,因此存在大量的在豪華郵輪結構中以占用空間最小的支柱代替艙壁,甲板、縱艙壁、橫艙壁在3個維度上的連續性不能得到充分保證,上層建筑參與總縱強度的有效度不穩定,大量幾何突變處存在應力集中。

換言之,豪華郵輪船體低應力區域雖然面積大,但高應力區域數量很多。為保證結構安全性,對高應力區域的校核非常重要,需要篩選出來進行專門的分析計算。較典型的高應力位置如下。

1)上層建筑錯位(上下不對齊)布置的外圍壁幾何突變處,這些區域存在總縱彎曲應力和局部應力的疊加現象,應計算艙段有限元。

2)演藝大廳區域的不連續結構較多,個別甲板縱骨、強橫梁、立柱、類立柱邊縱艙壁垂直桁應力水平較高,必須進行艙段計算。

3)在承受較大總縱彎曲應變能的高層甲板中部,也經常因為布置的原因開設較大的梯道或者游泳池開孔,在開孔兩側縱向應力明顯提高,圖3所示泳池開孔角隅附近應力變化梯度較高。

4)參與總縱強度的長縱艙壁和外板由于大量門窗開口的存在(見圖4),導致其承剪面積不足,門窗開孔角隅處即便經過形狀優化,應力水平仍然很高,門窗開孔角隅形狀及尺寸優化是豪華郵輪結構設計的重點。同時,某些對齊縱艙壁設置的部分立柱被迫參與了總縱剪切應力的傳遞,造成立柱端部與縱艙壁連接處的應力集中現象嚴重。這些被迫承載總縱剪切變形的立柱,由于承載面積較大、載荷量級大,屈曲強度不易滿足,成為全船總強度的短板,一旦總縱剪切載荷超過設計值,則這些對齊長縱艙壁、被迫傳遞剪力的立柱及其附近結構將最先發生破壞。

圖4 豪華郵輪舷側連續門窗開孔艙壁的應力分布

5)豪華郵輪舷側為了布置救生設備,橫艙壁在該位置有結構突變,同時主豎區橫艙壁起到抵抗船體梁歪斜變形的重要作用,本身應力水平較高,突變處水平剪切應力較大。

6)豪華郵輪內部對空間利用率的要求較高,一方面對于主要支撐構件的腹板而言,其高度不能太高且大量開孔,供風管、電纜和水管穿過;另一方面,在主要支撐構件(含立柱)的上下端,需要采用一種無肘板設計方式,以最大限度地讓出艙室的可用空間。如此,將在主要支撐構件的腹板開孔處、與垂向支撐構件(含立柱)的連接邊界處產生相對較大的應力集中,這些區域應避免設置開孔;如果必須設置開孔,則需要經過細網格有限元分析。

2.3 薄板屈曲問題

中型豪華郵輪結構件數量多,大致與一艘ULCC構件數量相當。此外豪華郵輪水線以上體積龐大,受風面積與VLCC相當,重心高度遠高于浮心,導致船體穩性裕度不大,垂向重心的控制尤其重要。為減輕重量、降低重心,豪華郵輪上層建筑中大量使用高強度鋼材質的薄板結構。對于上層建筑甲板結構,大部分船級社甲板最小凈厚度要求是4.5 mm,即使上層建筑甲板參與總強度,其板厚也大部分為5～6 mm,由此產生的薄板屈曲是豪華郵輪船體設計中的重要問題。在局部屈曲利用因子較大的區域,要提醒船廠更加注意控制焊接殘余應力。薄板屈曲較為嚴重的區域也同樣對應著上文中提及的高應力區域。多數甲板屈曲發生在迎浪/順浪波浪彎矩最大的狀態,如圖5所示,該狀態下屈曲常發生于甲板開口附近的板格。多數縱艙壁屈曲發生在迎浪/順浪波浪剪力最大的狀態,所有橫艙壁板壁的嚴重屈曲均發生在橫向歪斜(Racking)工況橫艙壁幾何突發處板格的屈曲情況需要特別關注,見圖6。

圖5 3甲板開口附近屈曲利用因子分布

2.4 振動噪聲分布不均衡

舒適度的考核指標在很大程度上與振動和噪聲水平有關。振動和噪聲越小,舒適度也就越大。各標準規范要求現代郵輪乘客艙室的噪聲標準為45～49 dB(A),高級乘客艙室的振動級為1.5 mm/s。對減振隔振材料、吸隔聲材料、減振隔振技術、吸隔聲技術提出了相當高的要求,成為豪華郵輪設計和建造的關鍵技術難點。豪華郵輪振動噪聲在方案設計階段就要予以評估考慮,一旦到了詳設后期再發現有重要薄弱點是很難調整解決的[6]。豪華郵輪一般尾部形狀扁平,其剛度相對于其他區域較弱,同時又靠近推進器主要振動激勵源,振動風險高。此外,船尾視野開闊的區域,常設置高級餐廳和套房,振動噪聲等級要求高,方案設計階段就應充分關注和優化推進器艙結構布置。如圖7,某中型豪華郵輪的振動響應計算顯示,其航行工況下振動響應分布不均。振動響應較大區域主要集中于船尾,響應水平沿船長方向向前衰減較快,沿高度方向衰減不明顯,由于尾部高層甲板板厚薄、少艙壁、少支柱的布置,導致部分區域的振動響應水平超出了規范要求值。同樣,艏側推開啟工況下,振動響應較大區域集中于艏部各層甲板。綜合看來,豪華郵輪上層建筑中因大量使用薄板構件,使得甲板間、艙室間分割圍護結構的隔振、隔聲性能下降,在結構輕量化設計過程中應同時關注由此引發的振動噪聲風險。

圖7 某中型豪華郵輪全船振動響應分布(主機、螺旋槳激勵)

3 豪華郵輪結構設計分類應對方案

從圖8看出,豪華郵輪船體結構平均應力水平低,但應力梯度變化大、應力分布的方差大、應力集中熱點區域多、振動噪聲響應分布不均。豪華郵輪外表看起來很龐大,但總強度裕度不大,結構損傷的風險比較大,結構安全依然是郵輪設計的重點問題之一。在設計的各個階段中若對這些區域進行識別、分類、跟蹤,對不同區域有針對性地采取合理的優化措施,可有效提高設計后結構的安全性、舒適性及經濟性,同時提高結構設計效率。

圖8 豪華郵輪結構設計導圖

在作結構分類之前,首先應對豪華郵輪整船及各區域的設計載荷進行評估、分類。結構響應是設計載荷的直接體現,結構分類的結果可以與載荷分類的相驗證。

3.1 按照應力、應變能等級的結構分類

在較高應力/應變能的區域采用高強度鋼,局部嵌入厚板,進行局部細網格精細化設計,這些區域的屈服、屈曲、疲勞問題同樣重要。同時歸納總結這些區域的應力集中系數,按照幾何特征和應力集中特征分類,以便于快速估算全船所有高應力區域的應力幅值范圍,給出更為準確的設計初始值,減小反復迭代的計算工作量。在中等應力、應變能區域,如果應力梯度變化較大,應力集中區域可能要求局部嵌入厚板;如果應力梯度變化不大,則應注意薄板的屈曲強度,提醒船廠采用激光焊接工藝等方式控制薄板的焊接殘余應力及焊接變形;在低應力、應變能區域,可以考慮應用輕型金屬材料(如鋁合金)、復合材料板材、槽形板、壓筋板和超薄加筋平板這些輕型結構的可能性。

從優化設計的角度,長上層建筑的外輪廓應盡量光滑連續,避免形狀突變。如果布置性要求存在突變,則應在突變處考慮結構加強,以約束上建端部的剪切分離變形。分析已有布置中必須遵守的布置要點,尤其是船舯部位的縱向拉壓強度和25%船長附近的船體剪切強度。要保證這些關鍵區域有足夠的強度,則要求在船中區域的高層的縱艙壁甲板和縱艙壁盡可能具有更好的連續性。在高剪應力區域的縱艙壁上下、前后連續性也很重要。對于豪華郵輪而言,上層建筑參與總強度的主要影響因素是垂向剪力傳遞的完整性,亦即長縱艙壁的連續性。長縱艙壁的連續性表現在兩方面,即縱向連續性和垂向連續性,應盡量保證主要傳遞剪力的縱艙壁在所在縱剖面內形成閉環,這是保證上層建筑更多參與總強度的必要條件。

3.2 按照振動響應等級的結構分類

船舶振動控制技術主要從振源控制、傳遞路徑、末端防護3個方面來考慮,豪華郵輪結構設計主要考慮傳遞路徑防護和末端防護。

先整體、后個別是豪華郵輪振動控制的主要原則。在豪華郵輪設計初期可按功能區分機艙區域、居住區域、公共區域、露天甲板區域四大類。研究分析四大功能分區振源和結構特點,對各種振動控制方案質量和造價進行對比,取其最優者作為方案。隨著設計深入,有了全船振動響應預報結果后,根據計算結果再重新分類應對或細化振動控制的區域。

在振源附近、振動能量傳遞路徑、大跨度板架等振動響應熱點區域,推薦使用阻尼材料,如螺旋槳上方的外板、主推進器基座推薦采用夾層鋼、高阻尼鋼和浮筏等減振措施;在振動能量傳遞路徑上優化結構或敷設阻尼材料;在振動響應熱點區域,適當增加上下對齊的立柱,優化甲板構件的尺寸和布置,局部設置阻尼材料或者浮筑地板等。在振動響應較小的區域,一般可以在艙室內優選隔振性能較好的阻尼地毯;在幾乎沒有振動風險的區域：內裝材料的隔振技術性能要求可以適當降低,以節省材料采購成本。

3.3 按照噪聲等級的結構分類

在設計初期參考振動控制分類的方式,即從噪聲源控制、傳遞路徑、末端防護考慮。從使用范圍和市場占有量來看,被動式降噪材料是使用最多、最重要的一類控制手段。

設計初期根據艙室布置,通過經驗或半經驗半數值的方法,對郵輪噪聲分布進行快速定性分析,對全船聲場大致分布進行初步評估。結合初步定性分析結果,識別郵輪噪聲敏感區域,對可能影響敏感區域噪聲水平的設備等噪聲源分配指標,從初步設計開始降低豪華郵輪噪聲風險,降低全船噪聲控制成本。

在噪聲源附近、噪聲能量傳遞路徑等噪聲控制熱點區域可采取的降噪措施有增設吸隔聲材料和局部使用夾層板結構等;噪聲能量傳遞路徑上優化結構、設置結構聲學迷宮或敷設阻尼材料、艙室采用吸隔聲材料等。在噪聲水平不高的區域：一般可以采用在室內艙室優選隔吸聲性能較好的內裝材料;在幾乎沒有噪聲超標風險的區域：內裝材料的吸隔聲技術性能要求可以適當降低,以節省材料采購成本。

3.4 按照結構構件特征分類

根據應力/應變能、振動響應幅值、噪聲等級分類后,對全船所有結構構件按照結構特征進行分組。如板厚規格、桁材規格、型材規格、肘板規格和屈曲加強筋規格,盡可能減少材料規格的種類。對于結構應力水平相近,而尺寸略有不同的板材、型材、肘板和加強筋可以考慮合并成一個規格。必要時,在某一套結構圖紙中,標記每個區域的最大屈服及屈曲利用因子,以作為未來材料規格合并簡化的依據。這是減少郵輪建造的出錯率,增加材料利用率,提高材料采購經濟性的重要手段。

總之,在前期設計階段,應預判結構材料規格的尺寸范圍和使用范圍,預判將這些材料劃分合適的規格數量,既能避免規格種類過多,同時也可以盡可能節省材料。

在影響重心高度較大的區域,采用優化設計手段,不僅僅可以獲得更多的有效載重量,也可以降低船體的重心,提高穩定的裕度。因此,在不同甲板高度的區域采用不同程度精細化的設計手段和不同采購成本的輕質材料,也是結構分類設計需要考慮的內容。