50 客位水下觀光船水下玻璃厚度計算及強度校核

吳健林，黃渙青

（廣州船舶及海洋工程設計研究院， 廣州 510250）

1 前言

50 客位水下觀光船（以下簡稱本船）是航行于海南三亞蜈支洲島附近海域距岸不大于2 mile 的固定區域內，主要用于海上游覽及水下觀光的新穎觀光船。

本船的最大特色是客艙區水線以下兩舷側布置有多個大尺度觀察窗，具有視野寬廣、透光性好、安全性高、硬度大、易清洗等特點；此外，本船在客艙區兩舷設置浮力艙，在浮力艙內填充耐燃膨脹泡沫，以提高其抗沉能力。當觀察窗玻璃破損進水后，憑借浮力艙提供足夠浮力可保證本船仍能浮在水面上，乘客可通過客艙前后通道通往露天甲板逃生。

本船觀察窗設于船左右舷側外板上：外傾角～7.3°；窗中心距滿載吃水線0.52 m；窗玻璃外形尺寸為1 150 mm×1 000 mm、透光尺寸為1 030 mm×880 mm；在滿載排水狀態、低速航行時,游客在客艙內通過觀察窗觀賞海魚、珊瑚礁等海底風光。

圖1 為觀光船布局示意圖。

圖1 觀光船布局示意

2 設計依據

在現有船級社規范中，僅《潛水系統和潛水器入級與建造規范》（以下簡稱潛規）中對水下玻璃有相關要求。但該規范規定只能采用有機玻璃制作觀察窗，且只能采用小尺度、圓形等，滿足不了本船的觀光需求；而且有機玻璃硬度低、易劃傷、透光性較差等特性，也導致了本船無法按《潛規》的要求進行觀察窗的設計。

經審慎考慮并與規范所多次溝通，最終決定采用中國船級社《海上高速船入級與建造規范》（以下簡稱海高規）中關于窗玻璃的相關要求，對本船的水下玻璃進行了計算選型，并依據《建筑玻璃應用技術規程》（以下簡稱規程）有關水下玻璃的相關規定，對所選用玻璃強度進行校核。

3 水下玻璃選型

根據本船水下觀光的需求，本船水下觀察窗玻璃采用等厚的鋼化夾層玻璃。夾層玻璃是在兩片或兩片以上的玻璃之間夾有中間膜，經過特殊工藝（高溫預壓、抽真空、高溫高壓）處理，使玻璃、中間膜永久粘合于一體的復合玻璃產品。常見的中間膜主要包括：PVB、PU、EVA、SGP 等，本船采用PVB 夾層膜。

相比普通鋼化玻璃，使用PVB 夾層膜的鋼化玻璃具有以下優點：

（1）具有較高的透明度，光穩定性能優良，不易變色或發脆，能有效保證觀光效果；

（2）可以經受溫度變化，且膠合層無脫膠、玻璃未被破壞，從而保證了玻璃的安全性；

（3）具有良好的黏結力，受到撞擊、破裂時玻璃表面僅產生細碎裂紋，不會造成碎片四散脫落，從而能最大限度地阻止海水進艙，保證乘客人身安全；

（4）能最大限度地提高夾層玻璃抗穿透、吸振等性能，對聲波也具有阻尼作用，使得夾層玻璃能夠有效減少噪音傳播，最大限度降低對水下生物所造成的干擾。

4 玻璃厚度計算

《海高規》對觀光窗玻璃厚度的最小值，要求如下：

式中：b 為窗玻璃的短邊長度；P 為窗玻璃承受的載荷；σB為窗玻璃的許用彎曲應力；C 為根據窗開口長寬比而得出的安全系數值[1]。

此外，窗玻璃下沿距水面距離0.981 m，考慮最大波高時的危險狀態（沿海航區最大波高值不超過4 m），本船玻璃承受的載荷為P=ρgh=50.03 kN/m2，計算得出teq=20 mm。

《海高規》要求：二層的夾層玻璃的最小厚度為：1.2 teq，則單層玻璃最小厚度為12 mm；三層的夾層玻璃的最小厚度為：1.5 teq，則單層玻璃最小厚度為10 mm。

5 水下玻璃強度及撓度校核

依據《規程》有關水下玻璃的規定進行安全校核：

式中： σ—玻璃截面最大彎曲應力；fg—玻璃強度的設計值。

（2）水下玻璃撓度不大于玻璃對應跨度的1/200。故本船玻璃最大許用撓度為：1 000/200=5 mm；

（3）對于四邊支承的長方形玻璃，最大彎曲應力 及最大的撓度計算值 為：

式中：H—水深（m） , H=4+0.981=4.981 m；

L—跨度（m） ；

t—單片厚度（mm） ；

ρ—海水密度；

n—構成夾層玻璃對應的單片玻璃數；

β1、a1—和玻璃邊長比相關的系數。

根據《 建筑用安全玻璃》（夾層玻璃）的玻璃厚度標準，分別對不同厚度下，二層及三層夾膠玻璃進行強度及撓度計算，結果見表1、表2。

表1 二層夾膠玻璃（單層玻璃最小厚度12 mm）

表2 三層夾膠玻璃(單層玻璃最小厚度10 mm）

由表1、表2 可知：二層18 mm/層、三層15 mm/層、三層16 mm/層夾膠玻璃，均滿足本船設計要求。結合玻璃廠家供貨能力，最終采用三層、單層15 mm 厚的鋼化PVB夾層玻璃，其強度及撓度校核均滿足《海高規》以及《規程》的相關要求。

6 窗框架撓度校核

本船船體材料為鋁合金，觀光窗處焊接有窗框（尺寸為1 200 x 1 050 mm），窗框與玻璃之間采用聚氨酯粘接劑進行粘接（見圖2）。聚氨酯粘接劑具有良好的化學粘接力，還具有粘接強度高、初粘力大、防水性能優異、施工簡便等特點，被廣泛應用于交通、建筑等行業，如水族館觀光窗玻璃的粘接、高速列車玻璃粘接等。

圖2 觀光窗節點

在本船航行過程中，受波浪載荷影響，窗框會承受一定壓力而產生變形，導致與之相連的鋼化玻璃變形，影響觀光效果和鋼化玻璃的局部強度，甚至影響整個船體強度，因此需嚴格控制窗框的變形（本船窗框撓度許用值為1 200/500=2.4 mm）。

由于本船船型特殊，為校核水下玻璃的安全，采用MSC.Patran/Nastran 通用有限元軟件進行整體三維建模（包括主船體及甲板室），并據此進行相關結構分析；為最大限度地模擬真實情況，模型盡可能地按照詳細設計圖紙細則建立，對鋼化玻璃、鋁合金的船體結構進行了自然連接，即忽略粘結材質對模型剛度造成的影響；而對于部份諸如圓弧倒角、開孔及甲板室開窗等細節則采用了簡化；模型的板單元、梁單元為建造厚度，其中梁單元考慮了法向、偏心的影響。全船有限元模型如圖 3 所示。

圖3 全船有限元模型

由于篇幅問題，本文僅對整船在受到自重、艙內液體壓力、舷外海水壓力等環境載荷作用下，校核窗框撓度情況，從而判斷水下玻璃及窗框的安全性。

針對本船的使用特點，主要考慮了滿載出港模式；并根據《海高規》相關要求，考慮了排水航行和高速航行時波浪沖擊狀態下的受力情況。

總體模型邊界條件：首端約束δx=δy=δz=0；尾封板左舷與外板相交處約束δy=δz=0；尾封板右舷與外板相交處約束δz=0。

計算工況：對同一種裝載模式下，根據航行狀態及排水狀態的不同，以及中拱、中垂狀態的不同，可組合為四種計算工況，以及橫向強度對稱和反對稱兩種工況，具體如表3 所示。

表3 計算工況

根據《海高規》，排水狀態下總縱彎矩為靜水彎矩、波浪彎矩的合成值；取運營航區最大有義波高4 m、波長與船長相等26 m 的規則波；從偏于安全考慮，假定玻璃不參與強度計算，將玻璃受到的舷外水壓力和重力以節點力的形式施加在模型上；對于大質量設備，如船底壓鐵等則采用質量點模擬，按實際位置加載于相應節點上；通過調節波軸位置，使浮力與重力達到平衡。

排水航行狀態下中拱、中垂分別對應的舷外水壓力分布，見圖4、圖5。

圖4 排水航行中拱舷外水壓力（Pa）

圖5 排水航行中垂舷外水壓力（Pa）

各工況窗框相對撓度計算結果，如表4 所示；各工況窗框實際撓度云圖，見圖6～圖9 所示。

圖6 高速航行、中拱狀態窗框變形云圖（m）

圖9 排水狀態、中垂狀態窗框變形云圖（m）

表4 窗框相對撓度計算結果 (單位：mm)

圖7 高速航行、中垂狀態窗框變形云圖（m）

圖8 排水狀態、中拱狀態窗框變形云圖（m）

7 結論

根據上述計算結果：本船所選用的三層、單層15 mm 厚的鋼化PVB 夾膠玻璃及其窗框，無論是適用性、厚度、撓度及強度，均能滿足相關規范和標準要求。

在實船建造過程中，制定了嚴密的工裝，對所選用玻璃進行了安全及密性模擬試驗，并通過船檢認可，確保玻璃在最危險工況下的撓度及粘膠密性均符合相關要求；同時，對觀察窗制定了嚴謹、可行的施工及安裝工藝，確保每個步驟均在可控范圍內；最終的實船獲得了船東及船檢的一致認可。圖10 為下水中的水下觀光船。

圖10 下水中的新穎觀光船

本文不僅適用于水下觀光船玻璃強度校核，對一般水下建筑玻璃的強度校核也具有參考作用。