郵船中庭結構設計與強度校核

張 艷，張 旭

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

豪華郵船被譽為世界造船皇冠上最璀璨的明珠，不僅是資本密集型產業，而且是技術密集型產業。目前，世界上能夠設計和建造豪華郵船的國家不多，主要分布在歐洲。近些年來，我國造船技術水平不斷上升，已成功設計和建造除豪華郵船外所有類型的船舶[1]，并已逐步開始進行郵船相關問題的研究。研究多集中于豪華郵船的發展近況和趨勢等方面[2-5]，部分學者對郵船建造方面進行研究[6-7]，但少見對豪華郵船特殊結構如高大空間(影劇院、中庭)、扁平大空間(自助餐廳、舞廳)等區域結構設計方面的深入研究。

中庭結構作為郵船高大空間的典型，其設計直接影響整個郵船綜合體的空間效率和檔次。郵船中庭的布置和功能要求對其結構設計應在盡可能減少占空、減少支柱的前提下滿足強度要求，其特殊的使用目的和苛刻的質量要求決定其結構設計具有較大挑戰性。

1 郵船中庭結構設計

1.1 布置特點

郵船中庭空間一般作為一個整體，布置在郵船船中區域，占用空間大，跨多層層高，以創造寬敞的空間。為保證中庭界面的完整性，經常會采用旋轉樓梯對不同空間進行連接，以營造重疊、貫通等形式，并通過觀景平臺豐富中庭的視覺內容，如盛世公主號的中庭廣場(見圖1)。

圖1 盛世公主號郵船的中庭

郵船中庭為實現中空設計，需要在多層甲板上設置大開孔，出現大范圍長懸臂結構。為提升視覺效果，應盡可能少地進行艙室分隔，盡可能少地布置支柱。由于空間限制，構件規格尺度受限。有時為設計旋轉樓梯等造型，需要增加異形開孔或錯層結構，使結構構件無法連續而產生突變。中庭區域多為人員密集區域，設計載荷較常規區域更大。這些情況對郵船中庭結構設計提出嚴苛的要求。

1.2 結構設計要點

由于布置需求而多采用懸臂結構且構件尺度受限的郵船中庭結構，本身承載能力較弱，且無法設計足夠多艙壁及支柱予以支撐，因此結構跨距進一步增大；旋轉樓梯等特殊造型設計打破原甲板縱橫構件的連續性，使縱橫構件通常需要在造型處間斷和彎折而產生突變，大幅削弱構件的載荷吸收及傳遞能力。在相對其他區域的較大設計載荷要求下，郵船中庭結構常常出現應力過大及應力集中等問題，因此需要在布置允許的資源范圍內，充分利用布置特點，統籌考慮上述各方面因素，確定合理的郵船中庭結構設計方案。

郵船中庭結構在設計時首先應確保中庭空間邊界處設置足夠的艙壁或支柱支撐，盡可能減小懸臂范圍；進一步應確保中庭中部大開孔邊界盡可能光順，根據大開孔尺寸及布置需求在開孔周圍選取一定的加強范圍，對范圍內的結構進行適當的加強加密，降低該區域的應力，結合開孔形式及布置特點對該區域的結構形式進行特殊設計，一般宜在靠近開孔邊緣處設置強構件框架，盡可能與原船體構件有效連接，增加長懸臂結構端部的強度及剛度，并在強構件框架下端盡可能均勻設置支柱，減小被支撐構件跨距；再進一步應考慮在加強范圍外邊界處設置1檔強構件框架，便于內部加強構件終止及與原甲板構件連接過渡，在加強范圍內外邊界加強框架之間宜均勻設置輻射狀扶強材，根據需求間隔數檔予以加強，以便均勻有效地向外傳遞甲板載荷；為保持原甲板縱橫構件的連續性，在加強范圍外邊界的加強框架處，輻射狀加強構件應盡可能與原甲板構件對齊連接，以便載荷有效傳遞，避免應力集中。

1.3 結構設計方案

結合某50 000 t郵船中庭布置方案開展中庭結構設計。該船中庭(見圖2)布置在FR143～FR162區域，長為30.5 m，將5、6、7等3層甲板貫通。中庭中心區域設置旋轉樓梯，旋轉樓梯內側中空，直徑為8.5 m，僅在樓梯內側設置少量支柱予以支撐，旋轉樓梯周圍通過少量分割艙壁，分區域布置餐廳、咖啡廳、商店等活動空間。整體為通過少量支柱及艙壁支撐的2層懸臂平臺結構。

圖2 某50 000 t郵船中庭

該船中庭邊界較為規范，可在左右舷各設置1列沿船長方向布置的支柱對中庭結構進行支撐。

該船中庭中心大開孔可簡化為1個圓形、1個三角形和1個四邊形拼接而成的異型開孔。在設計時應對三角形角隅區域及其他交接區域進行圓角及光順，避免存在尖角而產生應力集中。選取2倍圓形旋轉樓梯中部開孔直徑區域作為加強范圍，在圓形旋轉樓梯中部大開孔邊界處設計1圈圓形加強框架，并沿三角形邊界向舷側延伸，與原甲板縱桁有效連接；在圓形加強框架下盡可能均勻設置5根支柱，對甲板結構予以支撐；在加強范圍外邊界設置1圈圓形加強框架，內外圈加強框架之間均勻設置輻射狀扶強材，在支柱對應部位設置為強檔，其余部位每3～5檔設置1根強構件，且強構件在外圈強框架處應盡可能與原船體強橫梁、縱桁等強構件對齊連接。為盡可能保證構件連續性，將加強范圍以外的部分甲板縱骨適當彎折，在外圈圓形加強框架處與輻射加強材對齊連接。具體實施如圖3所示。

圖3 郵船中庭結構設計

2 郵船中庭結構強度校核

2.1 有限元模型

為避免邊界效應，更真實地模擬中庭結構響應，建模范圍覆蓋整個中庭區域，并向艏艉延伸至相鄰的主橫艙壁，高度范圍選取從5層甲板至7層甲板的所有結構。

有限元模型采用右手坐標系：原點設于FR123與5層甲板中線相交處；x軸為沿船長方向，指向艏部方向為正；y軸為沿水平方向，指向左舷為正；z軸為垂直方向，由原點向上為正。

根據結構的實際受力狀態，對中庭艙段各類結構分別進行模擬。采用板單元(主要為四邊形，局部采用三角形)模擬的構件包括：甲板，外板，橫縱艙壁，強肋骨、縱桁及強橫梁腹板；采用梁單元模擬的構件包括：板材上的縱橫骨材，強肋骨、縱桁及強橫梁上的面板，橫縱艙壁上的扶強材，支柱。模型網格尺寸最大為630 mm，共包含6 518個板單元，5 880個梁單元。所選材料DH36鋼的屈服極限為355.0 MPa，材料參數為彈性模量E=2.01×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。郵船中庭艙段有限元模型如圖4所示。

圖4 中庭艙段有限元模型

2.2 計算載荷及邊界條件

中庭結構計算載荷及邊界條件如圖5所示。

圖5 中庭結構計算載荷及邊界條件

根據中國船級社規范[8]，中庭結構校核計算的甲板載荷應包括結構自重及設計載荷，設計載荷參考規范中的居住和公共處所甲板計算壓頭，取h=0.9 m。在模型中采用重力加速度模擬結構自重，采用壓力模擬甲板計算壓頭。

為避免邊界效應，在中庭艙段艏端主橫艙壁處施加約束，將艏端主橫艙壁與5層甲板連接處進行簡支處理，約束x、y、z等3個自由度的位移，同時將中庭區域各支柱與5層甲板連接處進行簡支處理，約束x、y、z等3個自由度的位移。

2.3 校核結果

根據中國船級社規范，中庭結構校核計算衡準參考表1選取，其中：K為材料因數。DH36高強度鋼的材料因數K為0.72。

表1 許用應力 MPa

通過有限元仿真計算，郵船中庭艙段結構的合成應力、剪切應力、梁單元應力分布情況如圖6所示。由圖6可知：郵船中庭艙段結構的最大合成應力為188.0 MPa，位于舷側附近甲板強橫梁與舷側強肋骨相交處，艏部區域與外圈圓形加強框架直接相連的縱桁的應力為165.0 MPa；最大剪切應力為108.0 MPa，出現部位與合成應力相同；最大梁單元應力為147.0 MPa，出現在與外圈圓形加強框架直接相連的縱桁面板上。

圖6 郵船中庭艙段應力云圖

結合中庭布置及結構設計特點分析，中空區域的大開孔破壞結構連續性，導致結構突變，受力主要沿與外圈圓形加強框架直接相連的縱桁經由強橫梁向舷側傳遞，因此在甲板與舷側構件連接處產生最大合成應力及剪切應力；由于桁材面板主要傳遞軸向力，因此梁單元最大應力出現在艏部與外圈圓形加強框架直接相連的縱桁面板上。

通過對仿真計算結果云圖的分析可知：最大應力主要出現在中庭艏部區域。該區域作為中庭結構加強范圍的邊緣，重點承受中庭懸臂結構傳遞的載荷；該區域艙壁較少，構件跨距較大，構件規格尺寸受限，整體應力水平較高，且存在應力集中現象，合成應力、剪切應力均無法滿足強度需求。基于上述情況，需要對中庭結構尤其是艏部區域進一步開展設計優化。

3 郵船中庭結構設計優化

3.1 優化方案

高應力區主要分布在中庭結構旋轉樓梯艏部區域，該區域受力較大，艙壁較少，構件跨距較大，且甲板構件間斷、彎折，結構受力傳遞渠道受限，因此造成該區域應力較大且應力集中嚴重。為降低應力水平，考慮增加甲板縱桁，減小強橫梁跨距；為改善旋轉樓梯加強范圍與原甲板構件連接處的間斷、彎折等結構突變情況，考慮在加強區外圈采用2檔圓形強構件框架，將輻射型加強筋終止于靠內的一圈強構件框架上，避免輻射型加強筋與原甲板構件錯位對接，進而改善受力情況。

3.2 優化效益

對優化方案進行有限元仿真計算，郵船中庭艙段結構的合成應力、剪切應力、梁單元應力云圖如圖7所示。

由圖7可知：在采用優化方案后，郵船中庭艙段最大合成應力降至160.0 MPa，位于艉部甲板強橫梁與艙壁連接處，原方案最大應力即甲板與舷側連接處應力大幅降至144.0 MPa，艏部區域與圓形加強框架直接相連的縱桁的應力大幅降至145.0 MPa；最大剪切應力降至85.3 MPa，出現部位與合成應力相同；最大梁單元應力為153.0 MPa，出現在與圓形加強框架直接相連的縱桁面板上。

圖7 優化后的中庭艙段應力云圖

在采用優化方案后，郵船中庭艙段結構合成應力及剪切應力最多降低23%，各部位合成應力和剪切應力的降幅如表2和表3所示，優化效益顯著。

表2 合成應力優化效益

表3 剪切應力優化效益

4 結 論

通過分析研究及仿真計算校核可知：郵船中庭布置與結構強度之間的設計矛盾較大。主要體現于中空大開孔帶來的結構連續性破壞、長懸臂結構形式問題，以及布置需求與構件分布、構件尺寸之間的矛盾。在設計過程中需要充分考慮布置細節，利用布置特點，合理設計結構形式與結構分布，選取構件規格尺寸。經分析可總結如下設計原則：(1)中庭大開孔造型應盡可能光順，減少結構突變；(2)結合中庭大開孔尺寸及布置特點，合理選取加強范圍，不僅應覆蓋高應力區，而且應避免加強范圍過大造成結構冗余；(3)開孔邊緣宜設置強構件框架加強，加強構件盡可能延伸與原船體構件牢固連接；(4)開孔邊緣宜采用支柱支撐，分布應盡可能均勻，減少被支撐構件跨距；(5)加強區邊界處宜設置強構件框架，便于加強區構件終止及與原船體構件有效連接；(6)加強范圍內的構件可適當加大加密，盡可能輻射型布置，以便載荷均勻有效地向四周傳遞；(7)輻射構件在端部應盡可能與原船體構件對齊，確保載荷傳遞途徑順暢；(8)輻射構件在端部與原船體構件存在大量錯位連接時，可考慮增加其他加強構件使其間斷，避免出現大量結構突變。

經過仿真計算及優化前后對比分析，依據設計指導原則設計及優化的中庭結構可有效向各方向傳遞載荷，多檔框架加強構件有效緩解結構突變，進而有效減小應力集中，使整個中庭區域應力分布較均勻，并得以滿足規范要求。上述設計原則可有效指導同類船舶中庭結構設計及優化。