王丙杰 高 辰 張 亮

（招商局金陵船舶（南京）有限公司 南京210015）

引 言

美學設計是豪華客滾船的必要因素。在進行豪華客滾船的研發(fā)設計過程中，有必要對全船外觀以及乘客區(qū)域進行美學塑造，使之具有現(xiàn)代感、藝術感等美學效果。

窗戶是豪華客滾船美學設計的要素之一，尤其是公共區(qū)域的大型窗戶。公共區(qū)域承載了美食、購物、娛樂及觀光等體驗功能，大型窗戶的布置可以整體提升公共區(qū)域的照明與光學感受以及藝術美感。

基于以上特點，大型窗戶在滿足美學設計的同時，也給結構設計帶來挑戰(zhàn)：過大的開孔極度削弱了結構強度，使船體產(chǎn)生疲勞裂紋的概率大大增加；同時裂紋亦會使窗框結構變形過大而導致玻璃破裂。因此，有必要對客滾船的大型窗戶結構進行疲勞強度研究。

1 船型概述

本文研究基于某866客/4 850 m車道客滾船（以下簡稱“目標船型”）進行，該船為四機雙槳尾機型，主要航行于波羅的海，其船型參數(shù)如下：

總 長 229.4 m

規(guī)范船長 219.6 m

型 寬 31.0 m

型 深 9.5 m

結構吃水 6.7 m

方形系數(shù) 0.66

服務航速 22 kn

公共區(qū)域大型舷窗布置于艏部最上兩層居住甲板，大小為2 112 mm×1 662 mm，如圖1所示。

圖1 公共區(qū)域大型舷窗布置

2 舷窗規(guī)范設計

常規(guī)的舷窗框架結構型式如圖2所示。

圖2 典型舷窗框架結構

舷窗的玻璃厚度及窗框結構可參考船級社規(guī)范或相關標準。窗玻璃的厚度可參照式（1）計算[1]：

式中：B為窗框的短邊長度，mm；β為與長短邊比率相關的系數(shù)；P為設計壓力，kN/m2。

對于窗框的設計可參考規(guī)范描述性要求，例如在設計壓力下窗框屈服極限不能超過95%的材料最小屈服極限，窗框厚度不小于5 mm等。窗框中間撐桿的剖面模數(shù)可參照式（2）計算[2]：

式中：Hd為設計壓頭，m；l為平行于中間撐桿的邊的長度，mm；Am為窗格面積，mm2；k為材料系數(shù)。

船和窗按防火等級可以劃分為：普通窗（沒有防火等級要求）、A0級窗、A30級窗、A60級窗等4種[3]。通常，防火級別越高，窗結構越重。因此，在滿足規(guī)范前提下，優(yōu)化窗戶設計既可減輕空船自重，又能降低建造成本。

3 窗戶開孔疲勞強度分析

對于具有長上層建筑的中大型客滾船而言，上建舷側外板上的開孔（尤其是上建首尾端部與主船體連接處），需特別關注其因船體梁總縱變形引起的疲勞問題。本文主要依據(jù)疲勞應力篩選法[4]進行疲勞評估，網(wǎng)格模型參考船級社規(guī)范，網(wǎng)格尺寸一般取t×t（t為板厚，mm）。主要流程如下：

（1）計算應力循環(huán)總次數(shù)ND

式中：ND為疲勞設計年限內(nèi)應力循環(huán)總次數(shù)；f0為海上航行時間系數(shù)；TDF為疲勞設計壽命，一般取25年。

（2）與概率水平對應的系數(shù)fp修正，針對垂向波浪彎矩計算，概率水平從10-8修正到10-2。

（3）計算weibull形狀參數(shù)：

（4）通過DNV·GL“Fatigue Assessment of Ship Structures”（船體結構疲勞強度指南）[5]附件C表4，可插值得到第1步及第3步ND與 所對應的10-8概率水平下最大疲勞應力范圍許和值 。

（5）疲勞應力范圍許和值的修正：

式中：fm為平均應力系數(shù)；ft為板厚系數(shù)；fM為材料系數(shù)；fw為焊縫處理系數(shù)；fc為凈尺寸系數(shù)；fe為環(huán)境系數(shù)。

（6）疲勞強度評估衡準：

疲勞應力篩選法基于10-8概率水平的波浪載荷，即全船屈服、屈曲及疲勞評估基于相同載荷，避免了重新定義傳統(tǒng)基于10-2概率水平的波浪載荷。

由圖2可知，窗框與開孔自由邊為焊接形式，S-N曲線類型選D（具體參見文獻4相關章節(jié)）。經(jīng)計算，本船在波浪中拱彎矩與波浪中垂彎矩載荷組合工況下，D曲線的疲勞應力范圍的許和值約為397 MPa。

按照規(guī)范設計的窗框需鑲嵌在預留的外板開孔上，通過大量實船分析發(fā)現(xiàn)，窗戶開孔處結構尺寸的決定因素是疲勞強度，主要是由于船體梁在波浪中垂中拱交替變形的影響下，窗戶開孔上下甲板間不同步變形引起的，見圖3。

圖3 開孔上下錯位變形及引起的彎矩剪力示意圖

此不同步變形會在窗戶開孔間結構（即：撐柱）上產(chǎn)生附加彎矩及剪力，導致?lián)沃谏舷露藞A弧處產(chǎn)生很高的疲勞應力。以靠艏舷窗為例，在波浪中拱彎矩與波浪中垂彎矩載荷組合工況下，舷窗開孔角隅處的疲勞應力范圍值（最大主應力差值）達到936 MPa，見圖4。

圖4 靠艏舷窗開孔疲勞應力云圖

3.1 降低疲勞應力的基本措施研究

本文通過疲勞應力篩選法評判關鍵區(qū)域疲勞強度是否滿足，因此，對于疲勞應力超標處需采取相關措施降低疲勞應力。在不改變窗戶開孔高度的情況下，本節(jié)將通過對研究對象撐柱結構的3個基本要素：板厚t、板寬W及倒圓半徑R分別展開研究。窗戶開孔的原始尺寸為2 112 mm×1 662 mm/R131 mm，外板厚度為7 mm，撐柱寬度為288 mm。如圖5。

圖5 舷窗布置示意圖

（1）調(diào)整倒角半徑R

基于板厚7 mm，撐柱寬度288 mm，分別考察不同倒角半徑情況下的疲勞應力值，綜合比較趨勢如圖6所示。

圖6 調(diào)整圓弧疲勞應力趨勢圖

（2）調(diào)整撐柱寬度W

基于板厚30 mm，倒角半徑400 mm，分別考察不同撐柱寬度情況下的疲勞應力值，綜合比較趨勢如圖7所示。

圖7 調(diào)整撐柱寬度疲勞應力趨勢圖

（3）調(diào)整板厚t

倒角半徑400 mm，撐柱寬度488 mm，分別考察不同外板厚度情況下的疲勞應力值，綜合比較趨勢如圖8所示。

圖8 調(diào)整板厚疲勞應力趨勢圖

通過以上比較可發(fā)現(xiàn)：增大倒角半徑、撐柱寬度與板厚，均可有效降低疲勞應力；但增加撐柱寬度，則疲勞應力下降趨勢更快，效果更明顯。

不過，板厚增加意味著更重，增大撐柱寬度意味著窗戶開孔減小，增大倒角半徑則意味著外形效果的改變。因此，應進行綜合考慮并征求船東意見。最終通過對比多種方案，推薦以下兩種方案供船東選擇。

3.2 方案1

根據(jù)規(guī)格書要求，保持窗戶尺寸為2 112 mm×1 662 mm，外形則基本不變。具體措施為：通過增加兩根角鋼形成方管立柱，增大撐柱抗彎模量及剪切面積，同時端部倒角增大至R400 mm，且外板厚度增至約20 mm，局部增至40 mm。此方案公共區(qū)域結構重量增加約40 t。撐柱橫截面見圖9。

圖9 增加角鋼示意圖

3.3 方案2

在疲勞應力嚴重區(qū)域，將矩形窗戶改成直徑為1 662 mm的圓形窗戶（見圖10），同時將外板厚度優(yōu)化至12 mm以下。此方案外形改動較大，但公共區(qū)域結構重量僅增加約21 t。

圖10 圓窗方案示意圖

通過對比，發(fā)現(xiàn)方案2不僅更輕，施工難度也更低，同時也增加了圓形的美學要素。不過，圓形窗戶的面積相比之前減少約38%，降低了公共區(qū)域的照明與光學感受效果。但由于重量、重心的控制對客滾船設計至關重要，因此綜合評判的結果是方案2更容易被船東接受。

以上兩種方案均為強化措施，重量也都有所增加。為了尋找減重的方法，也進行了弱化嘗試[6]：即通過減小上建的總縱參與度，進而降低疲勞應力范圍。但是，降低上建總縱參與度，需要將縱向連續(xù)構件斷開（如甲板、外板及縱骨等），修改量過大且削弱了全船總縱強度。因此綜合來看，該弱化方案并不推薦。

4 結 語

舷窗開口區(qū)域疲勞裂紋不僅會引起結構失效，并且隨著裂紋擴展會進一步導致窗戶玻璃的破損，尤其是在運營期間，玻璃的破損將直接影響乘客的體驗甚至影響班輪航次。因此，對于客滾船設計而言，大型舷窗的周邊結構設計及疲勞強度應作為重要關注對象進行分析研究。

本文對目標船型大型舷窗開口區(qū)域的板厚、圓弧半徑及撐柱寬度等基本參數(shù)對疲勞強度的影響進行量化對比分析；進而通過對各類改進措施進行組合與多方案對比分析，形成可供船東選擇的可行方案；最終，綜合考慮重量、疲勞強度及外觀等多種因素的影響，確定了相對最優(yōu)的技術方案。

本文所采和的分析流程，得出的相應結論及設計改進方案，對于類似船型尺度下的豪華客滾船乃至豪華郵輪的大型舷窗設計，具有一定的參考與借鑒意義。