客滚船大型舷窗窗框结构疲劳强度分析
2021-01-21王丙杰
王丙杰 高 辰 张 亮
（招商局金陵船舶（南京）有限公司 南京210015）
引 言
美学设计是豪华客滚船的必要因素。在进行豪华客滚船的研发设计过程中，有必要对全船外观以及乘客区域进行美学塑造，使之具有现代感、艺术感等美学效果。
窗户是豪华客滚船美学设计的要素之一，尤其是公共区域的大型窗户。公共区域承载了美食、购物、娱乐及观光等体验功能，大型窗户的布置可以整体提升公共区域的照明与光学感受以及艺术美感。
基于以上特点，大型窗户在满足美学设计的同时，也给结构设计带来挑战：过大的开孔极度削弱了结构强度，使船体产生疲劳裂纹的概率大大增加；同时裂纹亦会使窗框结构变形过大而导致玻璃破裂。因此，有必要对客滚船的大型窗户结构进行疲劳强度研究。
1 船型概述
本文研究基于某866客/4 850 m车道客滚船（以下简称“目标船型”）进行，该船为四机双桨尾机型，主要航行于波罗的海，其船型参数如下：
总 长 229.4 m
规范船长 219.6 m
型 宽 31.0 m
型 深 9.5 m
结构吃水 6.7 m
方形系数 0.66
服务航速 22 kn
公共区域大型舷窗布置于艏部最上两层居住甲板，大小为2 112 mm×1 662 mm，如图1所示。
图1 公共区域大型舷窗布置
2 舷窗规范设计
常规的舷窗框架结构型式如图2所示。
图2 典型舷窗框架结构
舷窗的玻璃厚度及窗框结构可参考船级社规范或相关标准。窗玻璃的厚度可参照式（1）计算[1]：
式中：B为窗框的短边长度，mm；β为与长短边比率相关的系数；P为设计压力，kN/m2。
对于窗框的设计可参考规范描述性要求，例如在设计压力下窗框屈服极限不能超过95%的材料最小屈服极限，窗框厚度不小于5 mm等。窗框中间撑杆的剖面模数可参照式（2）计算[2]：
式中：Hd为设计压头，m；l为平行于中间撑杆的边的长度，mm；Am为窗格面积，mm2；k为材料系数。
船和窗按防火等级可以划分为：普通窗（没有防火等级要求）、A0级窗、A30级窗、A60级窗等4种[3]。通常，防火级别越高，窗结构越重。因此，在满足规范前提下，优化窗户设计既可减轻空船自重，又能降低建造成本。
3 窗户开孔疲劳强度分析
对于具有长上层建筑的中大型客滚船而言，上建舷侧外板上的开孔（尤其是上建首尾端部与主船体连接处），需特别关注其因船体梁总纵变形引起的疲劳问题。本文主要依据疲劳应力筛选法[4]进行疲劳评估，网格模型参考船级社规范，网格尺寸一般取t×t（t为板厚，mm）。主要流程如下：
（1）计算应力循环总次数ND
式中：ND为疲劳设计年限内应力循环总次数；f0为海上航行时间系数；TDF为疲劳设计寿命，一般取25年。
（2）与概率水平对应的系数fp修正，针对垂向波浪弯矩计算，概率水平从10-8修正到10-2。
（3）计算weibull形状参数：
（4）通过DNV·GL“Fatigue Assessment of Ship Structures”（船体结构疲劳强度指南）[5]附件C表4，可插值得到第1步及第3步ND与 所对应的10-8概率水平下最大疲劳应力范围许和值 。
（5）疲劳应力范围许和值的修正：
式中：fm为平均应力系数；ft为板厚系数；fM为材料系数；fw为焊缝处理系数；fc为净尺寸系数；fe为环境系数。
（6）疲劳强度评估衡准：
疲劳应力筛选法基于10-8概率水平的波浪载荷，即全船屈服、屈曲及疲劳评估基于相同载荷，避免了重新定义传统基于10-2概率水平的波浪载荷。
由图2可知，窗框与开孔自由边为焊接形式，S-N曲线类型选D（具体参见文献4相关章节）。经计算，本船在波浪中拱弯矩与波浪中垂弯矩载荷组合工况下，D曲线的疲劳应力范围的许和值约为397 MPa。
按照规范设计的窗框需镶嵌在预留的外板开孔上，通过大量实船分析发现，窗户开孔处结构尺寸的决定因素是疲劳强度，主要是由于船体梁在波浪中垂中拱交替变形的影响下，窗户开孔上下甲板间不同步变形引起的，见图3。
图3 开孔上下错位变形及引起的弯矩剪力示意图
此不同步变形会在窗户开孔间结构（即：撑柱）上产生附加弯矩及剪力，导致撑柱在上下端圆弧处产生很高的疲劳应力。以靠艏舷窗为例，在波浪中拱弯矩与波浪中垂弯矩载荷组合工况下，舷窗开孔角隅处的疲劳应力范围值（最大主应力差值）达到936 MPa，见图4。
图4 靠艏舷窗开孔疲劳应力云图
3.1 降低疲劳应力的基本措施研究
本文通过疲劳应力筛选法评判关键区域疲劳强度是否满足，因此，对于疲劳应力超标处需采取相关措施降低疲劳应力。在不改变窗户开孔高度的情况下，本节将通过对研究对象撑柱结构的3个基本要素：板厚t、板宽W及倒圆半径R分别展开研究。窗户开孔的原始尺寸为2 112 mm×1 662 mm/R131 mm，外板厚度为7 mm，撑柱宽度为288 mm。如图5。
图5 舷窗布置示意图
（1）调整倒角半径R
基于板厚7 mm，撑柱宽度288 mm，分别考察不同倒角半径情况下的疲劳应力值，综合比较趋势如图6所示。
图6 调整圆弧疲劳应力趋势图
（2）调整撑柱宽度W
基于板厚30 mm，倒角半径400 mm，分别考察不同撑柱宽度情况下的疲劳应力值，综合比较趋势如图7所示。
图7 调整撑柱宽度疲劳应力趋势图
（3）调整板厚t
倒角半径400 mm，撑柱宽度488 mm，分别考察不同外板厚度情况下的疲劳应力值，综合比较趋势如图8所示。
图8 调整板厚疲劳应力趋势图
通过以上比较可发现：增大倒角半径、撑柱宽度与板厚，均可有效降低疲劳应力；但增加撑柱宽度，则疲劳应力下降趋势更快，效果更明显。
不过，板厚增加意味着更重，增大撑柱宽度意味着窗户开孔减小，增大倒角半径则意味着外形效果的改变。因此，应进行综合考虑并征求船东意见。最终通过对比多种方案，推荐以下两种方案供船东选择。
3.2 方案1
根据规格书要求，保持窗户尺寸为2 112 mm×1 662 mm，外形则基本不变。具体措施为：通过增加两根角钢形成方管立柱，增大撑柱抗弯模量及剪切面积，同时端部倒角增大至R400 mm，且外板厚度增至约20 mm，局部增至40 mm。此方案公共区域结构重量增加约40 t。撑柱横截面见图9。
图9 增加角钢示意图
3.3 方案2
在疲劳应力严重区域，将矩形窗户改成直径为1 662 mm的圆形窗户（见图10），同时将外板厚度优化至12 mm以下。此方案外形改动较大，但公共区域结构重量仅增加约21 t。
图10 圆窗方案示意图
通过对比，发现方案2不仅更轻，施工难度也更低，同时也增加了圆形的美学要素。不过，圆形窗户的面积相比之前减少约38%，降低了公共区域的照明与光学感受效果。但由于重量、重心的控制对客滚船设计至关重要，因此综合评判的结果是方案2更容易被船东接受。
以上两种方案均为强化措施，重量也都有所增加。为了寻找减重的方法，也进行了弱化尝试[6]：即通过减小上建的总纵参与度，进而降低疲劳应力范围。但是，降低上建总纵参与度，需要将纵向连续构件断开（如甲板、外板及纵骨等），修改量过大且削弱了全船总纵强度。因此综合来看，该弱化方案并不推荐。
4 结 语
舷窗开口区域疲劳裂纹不仅会引起结构失效，并且随着裂纹扩展会进一步导致窗户玻璃的破损，尤其是在运营期间，玻璃的破损将直接影响乘客的体验甚至影响班轮航次。因此，对于客滚船设计而言，大型舷窗的周边结构设计及疲劳强度应作为重要关注对象进行分析研究。
本文对目标船型大型舷窗开口区域的板厚、圆弧半径及撑柱宽度等基本参数对疲劳强度的影响进行量化对比分析；进而通过对各类改进措施进行组合与多方案对比分析，形成可供船东选择的可行方案；最终，综合考虑重量、疲劳强度及外观等多种因素的影响，确定了相对最优的技术方案。
本文所采和的分析流程，得出的相应结论及设计改进方案，对于类似船型尺度下的豪华客滚船乃至豪华邮轮的大型舷窗设计，具有一定的参考与借鉴意义。
