某邮轮设计中电梯井结构的强度计算分析

钟守道，吴熙，费钟成，张少雄

(1.重庆长江轮船有限公司 船舶设计研究院，重庆 400026；2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

邮轮是指以休闲娱乐为主，以旅游目的地为航行目标，配备了餐厅、电影院、酒吧、商场、游泳池、观景台及各种娱乐设施的水上旅游客船[1]。邮轮的上层建筑(以下简称“上建”)甲板层数较多，各层甲板几乎与主甲板等长、等宽且几乎都为连续甲板[2]。上建甲板参与船体总纵强度的作用较大，但上建中的电梯井、电缆井、管道井、楼梯及中厅等设施的布置会破坏甲板的纵向连续性，引起较大应力集中，带来局部安全强度隐患的同时，使得上建甲板在电梯井等结构附近的弯曲变形不一致[3-4]。

某邮轮在设计过程中，因总布置需要，上建中几个主要的电梯井结构均沿船宽方向并列布置，造成甲板沿船宽方向产生较大的开口，宽度约为1/4倍型宽。该电梯井布置方式严重破坏了甲板的纵向连续性，降低了应力传递的有效性。因此，对目标船进行全船结构强度直接计算，分析上建中横向布置的电梯井围壁的受力状况。基于得到的应力结果，提出3种方案对电梯井局部结构进行加强，再次对目标船及加强结构进行直接计算，比较分析计算结果，考虑实际工艺的可操作性，选择合理的加强方案。

1 目标船及其电梯井结构简介

目标船为1艘全钢质、单体、双艉、多甲板内河豪华旅游客船，主尺度为船长149.99 m、型宽21.80 m、型深4.60 m，设计吃水2.80 m，肋距500 mm，上建设6层甲板，最上层甲板距船底的距离为19.90 m，客船A、B、C级航区J2级航段。

上建设有3组电梯井，均沿船宽方向布置，各组电梯井围壁板厚为6 mm，围壁扶强材为L63×40×5的角钢。1号电梯井组包括3台电梯及紧靠电梯井布置的电缆井和管道井，甲板开口宽度为6.0 m，2、3号电梯井组均由2台电梯组成，甲板开口宽度均为5.0 m。电梯井布置见图1。

2 数值计算与分析

2.1 计算模型

采用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对目标船建立全船有限元模型，按照船体结构的实际尺寸建模，考虑型线、门窗开孔、肘板等构造细节。模型主要采用板(shell)单元和梁(beam)单元，其中板材主要采用四边形板单元，构件连接和圆弧过渡处采用少量三角形单元，网格尺寸按照1/2纵骨间距或1/2肋距划分。模型中采用MPC(多点约束)模拟目标船部分“大宗”设备的质量与局部刚度，静力计算时在各MPC独立点上施加相应设备的重量载荷。模型坐标系取右手坐标系：原点位于Fr0船底基线处，X轴向船首为正；Y轴向左舷为正；Z轴垂直向上为正。全船模型见图2。

图2 全船结构强度直接计算模型

2.2 载荷与计算工况

根据目标船的《稳性计算书》，选定满载出港、空载到港两种典型的工作载况，考虑迎浪中拱、迎浪中垂和静水3种不同的波浪条件，共计6种计算工况(见表1)，计算载荷主要包括空船重量、货物重量和舷外水压力，根据文献[5]的方法进行全船浮态调整，根据《钢质内河船舶建造规范》[6]施加虚支座边界条件。

表1 计算工况

2.3 全船直接计算与受力分析

对目标船进行全船结构强度直接计算，得到各工况下全船结构的应力值。其中，各组电梯井围壁结构板单元形心中面相当(von Mises)应力峰值结果见表2。

表2 各组电梯井结构应力峰值

由表2可知，在LC2_hog工况下，各组电梯井结构应力峰值为各工况下最大值，该工况下，各组电梯井结构应力峰值所在区域的应力云图见图3。

图3 电梯井峰值区域应力云图

由图3可知，各组电梯井结构高应力区均在上建甲板附近的电梯井纵围壁根部，1、3号电梯井组的应力峰值均出现在靠近开口中间的纵围壁上，周围单元应力值迅速减小，该现象在靠近甲板开口两侧的电梯井纵壁上表现较不明显，2号电梯井组的应力峰值同样出现在电梯井中纵壁与甲板接触的位置，最靠近左舷的电梯井纵壁应力也较大，但最靠近右舷的纵壁应力分布与两外两组电梯井类似位置处的应力分布相似。

为进一步分析电梯井纵围壁高应力区结构的受力状态，以图3中3号电梯井组的电梯井围壁结构为分析对象，LC2_hog工况为分析工况，甲板附近电梯井纵壁根部板单元各应力分量，纵壁上板单元的X轴方向正应力峰值为202.82 MPa，Z轴方向正应力峰值为66.48 MPa，ZX平面内剪应力峰值为60.96 MPa，其余应力分量均小于10 MPa。由此可知，应力集中区域的板单元主要承受较大的沿船长方向的正应力，并且受到较小的垂向正应力以及沿ZX平面内的剪应力，3号电梯井组X轴方向应力分量云图见图4。

图4 X轴方向应力分量云图

综上所述，目标船上建电梯井围壁与甲板相交处存在应力集中，高应力区主要在甲板附近的电梯井纵壁根部，应力峰值均出现在开口中纵壁或靠近开口中间的纵向围壁上，出现应力集中的主要原因是电梯井纵壁根部承受了较大的纵向拉应力。

2.4 结构加强与对比分析

针对上建甲板附近电梯井纵壁根部出现的应力集中现象，分别采用3种方法对电梯井结构进行加强，其中：方案A是将上建甲板上下各500 mm范围内的电梯井围壁板厚由6 mm加厚到8 mm；方案B是沿甲板开口边线，在电梯井围壁内设置一圈由规格为2×L63×40×5的双拼角钢构成的槽钢，角钢尺寸与电梯井围壁扶强材一致；方案C是同时按照前两个方案进行加强。电梯井结构加强示意见图5。

图5 结构加强示意

为比较3种加强方案的效果，需以加强前结构应力作为参考，故计算工况仅考虑LC2_hog工况，分析对象取图3中各组电梯井模型范围内的板单元，按照各方案加强后计算得到的板单元形心中面相当应力结果见表3。

表3 加强后应力峰值

根据表3可知，方案A和方案B的各组电梯井结构应力峰值相差均在4 MPa以内，2个方案的结构加强效果相差不大，需从其他方面进行比较。因2个方案仅对电梯井结构局部进行加强，加强范围都不大，故不比较钢料消耗，仅从工艺角度进行比较，增设槽钢需对角钢进行焊接加工后，施工人员从电梯井内部焊接，焊缝靠近甲板与电梯井连接处的焊缝，相较而言，增加板厚的焊接工作量更小，且焊缝分开，增加板厚比增设双拼角钢更好。方案C的加强效果最好，由此可知,增加板厚和增设“圈型”槽钢的加强效果可以叠加。因此，对于目标船电梯井结构的加强，一般采用增加板厚的方法，对于应力集中现象严重的区域，如不能再增加板厚，则可在此基础上增设一圈由双拼角钢构成的槽钢。

3 结论

1)全船结构强度直接计算的结果显示，目标船的上建电梯井围壁与甲板接触区域容易产生应力集中现象，高应力区集中在甲板附近电梯井纵壁根部，且开口两侧的电梯井纵壁单侧与甲板相连，应力集中现象相对不明显，靠近开口中间的电梯井纵壁两侧均无甲板，应力集中现象相对严重，电梯井的应力峰值也出现在此类纵壁的根部，对电梯井结构进行加强时，此类位置为重点关注区域。

2)电梯井围壁结构高应力区的各应力分量结果表明，应力集中现象主要由较大的纵向拉应力引起的，存在垂向应力和ZX面内的剪应力，需从减小纵壁根部板单元受到的纵向应力分量来进行结构加强。

3)根据不同方案加强后计算的结果可知，增加甲板范围内围壁的板厚和围绕甲板开口在围壁上增设一圈由双拼角钢构成的槽钢，这两种加强方式的效果差不多，从工艺角度考虑，增加板厚的实施起来更加简单，增加板厚和增设“圈型”槽钢的加强效果可以叠加，对于已经通过增加板厚的方式进行加强的电梯井围壁结构，如仍有结构的应力很高，可采用增设 “圈型”槽钢的方式进一步加强。