某豪華郵輪改裝工程中的局部強度直接計算分析

王領　陳南華

摘 要：在郵輪的改裝工程中，結構型式的增改對船體的局部強度會產生重要影響。為保證郵輪的結構安全，本文根據規范對改裝的郵輪進行了強度校核。

關鍵詞：豪華郵輪；改裝；強度校核

中圖分類號：U663.2 文獻標識碼：A

1 引言

當前世界郵輪旅游市場發展已經進入一個全新的階段，豪華郵輪旅游成為高端旅游產品，我國豪華郵輪旅游市場發展空間巨大。“寶島之星”豪華郵輪于1970年由芬蘭船廠（Oy Wartsila， Helsinki）建造，其后于1978年進行過加長改裝。為適應市場需要，再次對原船進行升級改裝，改裝后用于臺灣海峽兩岸及亞太地區作觀光、旅游及娛樂。此次改裝在結構方面有重大影響的是原郵輪的8甲板處增加了玻璃頂篷結構，因此本文主要對改裝工程的結構強度進行了分析計算，以確保增加的結構不會影響郵輪的局部結構安全。

2 改裝概述

本次改裝保持原船的主尺度及技術性能指標不變。該郵輪船長194.32 m，垂線間長168.35 m，寬24 m，型深16.8 m，設計吃水6.7 m，航區為無限航區。主甲板以上有5層甲板，以下有4層甲板，甲板命名為最底層甲板為1甲板，其余甲板依次增加。本次改裝主要是主甲板即5層甲板以上艙室進行局部調整，增加部分餐飲、娛樂功能，內部裝飾重新裝修。結構改動較大的區域是8甲板中部區域，該區域更改為夜總會區及夜總會觀海區，并增加玻璃頂篷，玻璃頂篷依靠鋼結構支撐，增加的玻璃頂篷以及鋼結構的效果圖見圖1。該區域鋼結構進行重新設計，并落在8甲板上。本文對該區域增加頂篷以及鋼結構后的改動處進行了局部強度校核，以保證結構強度滿足規范要求。

改裝設計按照BV船級社《鋼質船舶入級規范》[1]（以下簡稱《BV規范》）進行，由BV船級社檢驗并簽發相關的證書。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

本文的強度直接計算采用通用有限元軟件MSC.Patran（2005 R2） [2]進行建模加載，MSC.Nastran進行計算分析。根據圣維南原理，為了盡量減少邊界條件對計算結果的影響，對模型范圍進行適當擴充，模型前后端取在橫艙壁處，縱向范圍取#96～#125，寬度取船寬，高度取8層甲板的下一層甲板到玻璃頂篷頂部。該范圍包括了本文所要計算的改裝區域，模型坐標系以船首方向為X軸正方向，左舷方向為Y軸正方向，垂直甲板向上為Z軸正方向。有限元模型如圖2所示。

該模型采用了三種有限元單元：甲板板、甲板強橫梁腹板、甲板縱桁腹板、玻璃頂篷等采用板單元；甲板與艙壁的弱構件、頂篷區域的桁架結構等采用梁單元；強構件的面板采用桿單元。該模型共27313個板單元，12312個梁單元，3050個桿單元，28186個節點。單元最大長度約325 mm，即半個肋位長。

3.2 材料及邊界條件

結構材料采用普通碳素鋼，彈性模量為2.06 x105 Mpa，泊松比為0.3，密度7.85x10-9t/mm3，屈服強度為235 Mpa。玻璃頂篷采用玻璃，彈性模量為6.9x104 Mpa，泊松比為0.33，密度2.67x10-9 t/mm3。本文主要考慮增加玻璃頂棚后，玻璃的重量對船體結構局部強度的影響，未對玻璃的強度特性進行研究。

由于有限元模型邊界處的結構剛度較大。為此，可設定邊界條件為模型底部及首尾端面處的所有節點剛性固定，即T1=T2=T3=0， R1=R2=R3=0。邊界條件見圖2所示。

3.3 計算工況及載荷組合

根據《BV規范》B篇第5章第3節的要求，本文選取船舶處于迎浪狀態和橫浪狀態兩種工況進行計算。兩種工況所考慮的載荷主要有8甲板、駕駛甲板及頂篷結構承受的靜水壓力載荷，船舶運動加速度產生的慣性載荷，以及玻璃頂篷所承受的風載荷。各載荷的計算值見表1。

4 計算結果及分析

4.1 強度標準

4.2 改裝局部結構加強

在本次改裝中，8甲板支撐頂棚支柱處有一升高平臺，該處原為吧臺，結構構件較小。在改裝初期計劃將該平臺拆除，頂棚支柱直接落在8甲板上。但在改裝工程中發現，平臺下有電氣及輪機管道，考慮到拆除工作量較大以及安全原因，該平臺不能拆除。由于平臺下主要支撐構件開孔較大，建模中對該處進行合理折減，折減后模型見圖3。

從圖3可以看出，支柱1下方沒有支撐構件。為保證該處結構強度，同時考慮到現場施工的方便以及結構的連續性，初步決定兩種結構加強方案：方案一僅在支柱1下方進行加強，方案二在支柱1～3下方進行加強。

從計算結果可以看出，方案一和方案二應力均滿足要求。但是方案二的應力結果要遠優于方案一，其結果分布也比較好，在兩種方案的改裝量相差不大的情況下，本文推薦選擇方案二。

4.3 計算結果及分析

各種工況的計算結果極值統計，見表2。

通過以上的圖表可以看出：在兩種工況下極值結果均滿足要求。兩種工況相比較，迎浪狀態下的結果小于橫浪狀態，這與所施加的載荷情況是相符的。

從以上結果還可以看出梁的合成應力極值比較接近于標準，但是由于在建模過程中忽略了肘板等小的連接構件，實際上由于肘板的存在，應力可以較好的分配和傳遞，因此認為該結果是可以接受的。

5 結論

通過計算分析，校核了郵輪改裝工程中結構改動對局部強度的影響，確保了郵輪的結構安全。同時通過計算分析可以較好地發現受力薄弱點，并對此進行有效的加強。對于新增的支撐玻璃頂篷的鋼結構，在計算中可以優化其布置型式，對其設計具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] BV船級社. 鋼質船舶入級規范（2011）[S]. 北京： 人民交通出版社， 2011.

[2] 劉兵山， 黃聰. Patran從入門到精通[M]. 2003.