50 客位水下观光船水下玻璃厚度计算及强度校核

2022-02-07吴健林黄涣青

广东造船 2022年6期

吴健林，黄涣青

（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

1 前言

50 客位水下观光船（以下简称本船）是航行于海南三亚蜈支洲岛附近海域距岸不大于2 mile 的固定区域内，主要用于海上游览及水下观光的新颖观光船。

本船的最大特色是客舱区水线以下两舷侧布置有多个大尺度观察窗，具有视野宽广、透光性好、安全性高、硬度大、易清洗等特点；此外，本船在客舱区两舷设置浮力舱，在浮力舱内填充耐燃膨胀泡沫，以提高其抗沉能力。当观察窗玻璃破损进水后，凭借浮力舱提供足够浮力可保证本船仍能浮在水面上，乘客可通过客舱前后通道通往露天甲板逃生。

本船观察窗设于船左右舷侧外板上：外倾角～7.3°；窗中心距满载吃水线0.52 m；窗玻璃外形尺寸为1 150 mm×1 000 mm、透光尺寸为1 030 mm×880 mm；在满载排水状态、低速航行时,游客在客舱内通过观察窗观赏海鱼、珊瑚礁等海底风光。

图1 为观光船布局示意图。

图1 观光船布局示意

2 设计依据

在现有船级社规范中，仅《潜水系统和潜水器入级与建造规范》（以下简称潜规）中对水下玻璃有相关要求。但该规范规定只能采用有机玻璃制作观察窗，且只能采用小尺度、圆形等，满足不了本船的观光需求；而且有机玻璃硬度低、易划伤、透光性较差等特性，也导致了本船无法按《潜规》的要求进行观察窗的设计。

经审慎考虑并与规范所多次沟通，最终决定采用中国船级社《海上高速船入级与建造规范》（以下简称海高规）中关于窗玻璃的相关要求，对本船的水下玻璃进行了计算选型，并依据《建筑玻璃应用技术规程》（以下简称规程）有关水下玻璃的相关规定，对所选用玻璃强度进行校核。

3 水下玻璃选型

根据本船水下观光的需求，本船水下观察窗玻璃采用等厚的钢化夹层玻璃。夹层玻璃是在两片或两片以上的玻璃之间夹有中间膜，经过特殊工艺（高温预压、抽真空、高温高压）处理，使玻璃、中间膜永久粘合于一体的复合玻璃产品。常见的中间膜主要包括：PVB、PU、EVA、SGP 等，本船采用PVB 夹层膜。

相比普通钢化玻璃，使用PVB 夹层膜的钢化玻璃具有以下优点：

（1）具有较高的透明度，光稳定性能优良，不易变色或发脆，能有效保证观光效果；

（2）可以经受温度变化，且胶合层无脱胶、玻璃未被破坏，从而保证了玻璃的安全性；

（3）具有良好的黏结力，受到撞击、破裂时玻璃表面仅产生细碎裂纹，不会造成碎片四散脱落，从而能最大限度地阻止海水进舱，保证乘客人身安全；

（4）能最大限度地提高夹层玻璃抗穿透、吸振等性能，对声波也具有阻尼作用，使得夹层玻璃能够有效减少噪音传播，最大限度降低对水下生物所造成的干扰。

4 玻璃厚度计算

《海高规》对观光窗玻璃厚度的最小值，要求如下：

式中：b 为窗玻璃的短边长度；P 为窗玻璃承受的载荷；σB为窗玻璃的许用弯曲应力；C 为根据窗开口长宽比而得出的安全系数值[1]。

此外，窗玻璃下沿距水面距离0.981 m，考虑最大波高时的危险状态（沿海航区最大波高值不超过4 m），本船玻璃承受的载荷为P=ρgh=50.03 kN/m2，计算得出teq=20 mm。

《海高规》要求：二层的夹层玻璃的最小厚度为：1.2 teq，则单层玻璃最小厚度为12 mm；三层的夹层玻璃的最小厚度为：1.5 teq，则单层玻璃最小厚度为10 mm。

5 水下玻璃强度及挠度校核

依据《规程》有关水下玻璃的规定进行安全校核：

式中： σ—玻璃截面最大弯曲应力；fg—玻璃强度的设计值。

（2）水下玻璃挠度不大于玻璃对应跨度的1/200。故本船玻璃最大许用挠度为：1 000/200=5 mm；

（3）对于四边支承的长方形玻璃，最大弯曲应力及最大的挠度计算值为：

式中：H—水深（m） , H=4+0.981=4.981 m；

L—跨度（m）；

t—单片厚度（mm）；

ρ—海水密度；

n—构成夹层玻璃对应的单片玻璃数；

β1、a1—和玻璃边长比相关的系数。

根据《建筑用安全玻璃》（夹层玻璃）的玻璃厚度标准，分别对不同厚度下，二层及三层夹胶玻璃进行强度及挠度计算，结果见表1、表2。

表1 二层夹胶玻璃（单层玻璃最小厚度12 mm）

表2 三层夹胶玻璃(单层玻璃最小厚度10 mm）

由表1、表2 可知：二层18 mm/层、三层15 mm/层、三层16 mm/层夹胶玻璃，均满足本船设计要求。结合玻璃厂家供货能力，最终采用三层、单层15 mm 厚的钢化PVB夹层玻璃，其强度及挠度校核均满足《海高规》以及《规程》的相关要求。

6 窗框架挠度校核

本船船体材料为铝合金，观光窗处焊接有窗框（尺寸为1 200 x 1 050 mm），窗框与玻璃之间采用聚氨酯粘接剂进行粘接（见图2）。聚氨酯粘接剂具有良好的化学粘接力，还具有粘接强度高、初粘力大、防水性能优异、施工简便等特点，被广泛应用于交通、建筑等行业，如水族馆观光窗玻璃的粘接、高速列车玻璃粘接等。

图2 观光窗节点

在本船航行过程中，受波浪载荷影响，窗框会承受一定压力而产生变形，导致与之相连的钢化玻璃变形，影响观光效果和钢化玻璃的局部强度，甚至影响整个船体强度，因此需严格控制窗框的变形（本船窗框挠度许用值为1 200/500=2.4 mm）。

由于本船船型特殊，为校核水下玻璃的安全，采用MSC.Patran/Nastran 通用有限元软件进行整体三维建模（包括主船体及甲板室），并据此进行相关结构分析；为最大限度地模拟真实情况，模型尽可能地按照详细设计图纸细则建立，对钢化玻璃、铝合金的船体结构进行了自然连接，即忽略粘结材质对模型刚度造成的影响；而对于部份诸如圆弧倒角、开孔及甲板室开窗等细节则采用了简化；模型的板单元、梁单元为建造厚度，其中梁单元考虑了法向、偏心的影响。全船有限元模型如图 3 所示。

图3 全船有限元模型

由于篇幅问题，本文仅对整船在受到自重、舱内液体压力、舷外海水压力等环境载荷作用下，校核窗框挠度情况，从而判断水下玻璃及窗框的安全性。

针对本船的使用特点，主要考虑了满载出港模式；并根据《海高规》相关要求，考虑了排水航行和高速航行时波浪冲击状态下的受力情况。

总体模型边界条件：首端约束δx=δy=δz=0；尾封板左舷与外板相交处约束δy=δz=0；尾封板右舷与外板相交处约束δz=0。

计算工况：对同一种装载模式下，根据航行状态及排水状态的不同，以及中拱、中垂状态的不同，可组合为四种计算工况，以及横向强度对称和反对称两种工况，具体如表3 所示。

表3 计算工况

根据《海高规》，排水状态下总纵弯矩为静水弯矩、波浪弯矩的合成值；取运营航区最大有义波高4 m、波长与船长相等26 m 的规则波；从偏于安全考虑，假定玻璃不参与强度计算，将玻璃受到的舷外水压力和重力以节点力的形式施加在模型上；对于大质量设备，如船底压铁等则采用质量点模拟，按实际位置加载于相应节点上；通过调节波轴位置，使浮力与重力达到平衡。

排水航行状态下中拱、中垂分别对应的舷外水压力分布，见图4、图5。