王領(lǐng)　陳南華

摘 要：在郵輪的改裝工程中，結(jié)構(gòu)型式的增改對船體的局部強(qiáng)度會產(chǎn)生重要影響。為保證郵輪的結(jié)構(gòu)安全，本文根據(jù)規(guī)范對改裝的郵輪進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞：豪華郵輪；改裝；強(qiáng)度校核

中圖分類號：U663.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

當(dāng)前世界郵輪旅游市場發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入一個全新的階段，豪華郵輪旅游成為高端旅游產(chǎn)品，我國豪華郵輪旅游市場發(fā)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(jìn)行過加長改裝。為適應(yīng)市場需要，再次對原船進(jìn)行升級改裝，改裝后用于臺灣海峽兩岸及亞太地區(qū)作觀光、旅游及娛樂。此次改裝在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，因此本文主要對改裝工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析計算，以確保增加的結(jié)構(gòu)不會影響郵輪的局部結(jié)構(gòu)安全。

2 改裝概述

本次改裝保持原船的主尺度及技術(shù)性能指標(biāo)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(shè)計吃水6.7 m，航區(qū)為無限航區(qū)。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(jìn)行局部調(diào)整，增加部分餐飲、娛樂功能，內(nèi)部裝飾重新裝修。結(jié)構(gòu)改動較大的區(qū)域是8甲板中部區(qū)域，該區(qū)域更改為夜總會區(qū)及夜總會觀海區(qū)，并增加玻璃頂篷，玻璃頂篷依靠鋼結(jié)構(gòu)支撐，增加的玻璃頂篷以及鋼結(jié)構(gòu)的效果圖見圖1。該區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，并落在8甲板上。本文對該區(qū)域增加頂篷以及鋼結(jié)構(gòu)后的改動處進(jìn)行了局部強(qiáng)度校核，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

改裝設(shè)計按照BV船級社《鋼質(zhì)船舶入級規(guī)范》[1]（以下簡稱《BV規(guī)范》）進(jìn)行，由BV船級社檢驗并簽發(fā)相關(guān)的證書。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

本文的強(qiáng)度直接計算采用通用有限元軟件MSC.Patran（2005 R2） [2]進(jìn)行建模加載，MSC.Nastran進(jìn)行計算分析。根據(jù)圣維南原理，為了盡量減少邊界條件對計算結(jié)果的影響，對模型范圍進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)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(qū)域，模型坐標(biāo)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(qiáng)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(gòu)件、頂篷區(qū)域的桁架結(jié)構(gòu)等采用梁單元；強(qiáng)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的影響，未對玻璃的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究。

由于有限元模型邊界處的結(jié)構(gòu)剛度較大。為此，可設(shè)定邊界條件為模型底部及首尾端面處的所有節(jié)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(jù)《BV規(guī)范》B篇第5章第3節(jié)的要求，本文選取船舶處于迎浪狀態(tài)和橫浪狀態(tài)兩種工況進(jìn)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(jié)構(gòu)承受的靜水壓力載荷，船舶運(yùn)動加速度產(chǎn)生的慣性載荷，以及玻璃頂篷所承受的風(fēng)載荷。各載荷的計算值見表1。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

4.2 改裝局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

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(jié)構(gòu)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，平臺下有電氣及輪機(jī)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(gòu)件開孔較大，建模中對該處進(jìn)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?jīng)]有支撐構(gòu)件。為保證該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時考慮到現(xiàn)場施工的方便以及結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，初步?jīng)Q定兩種結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案：方案一僅在支柱1下方進(jìn)行加強(qiáng)，方案二在支柱1～3下方進(jìn)行加強(qiáng)。

從計算結(jié)果可以看出，方案一和方案二應(yīng)力均滿足要求。但是方案二的應(yīng)力結(jié)果要遠(yuǎn)優(yōu)于方案一，其結(jié)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(jié)果及分析

各種工況的計算結(jié)果極值統(tǒng)計，見表2。

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

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

5 結(jié)論

通過計算分析，校核了郵輪改裝工程中結(jié)構(gòu)改動對局部強(qiáng)度的影響，確保了郵輪的結(jié)構(gòu)安全。同時通過計算分析可以較好地發(fā)現(xiàn)受力薄弱點，并對此進(jìn)行有效的加強(qiáng)。對于新增的支撐玻璃頂篷的鋼結(jié)構(gòu)，在計算中可以優(yōu)化其布置型式，對其設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] BV船級社. 鋼質(zhì)船舶入級規(guī)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.