邮轮模块化铝制阳台的结构设计与评估

2023-03-01李子凡殷浩朱红娟覃淳

船海工程 2023年1期

李子凡，殷浩，朱红娟，覃淳

(1.招商局邮轮制造有限公司，江苏南通 226000；2.招商局新材料科技(重庆)有限公司，重庆 402160)

阳台房是邮轮上必不可少的一种客舱房型。为追求高级的住宿体验，位于邮轮上层建筑两侧的客舱几乎全部为阳台房，大型邮轮上阳台房更是多达数百甚至上千间。传统的客舱阳台建造是在两层甲板之间进行分隔而形成阳台空间，为了进一步节省钢材，减轻重量，阳台区域的另一种建造方法是预先在上层建筑外壁设置悬臂梁，码头舾装阶段以悬臂梁为支撑铺设地板、栏杆、分隔等。但是随着邮轮总吨位的不断增大，阳台房数量增加，这种阳台建造方式的舾装工程量巨大，船上安装时间长，影响造船效率，于是欧洲的舾装件厂商提出采用模块化的生产和安装方式建造客舱阳台。模块化阳台是在工厂预先制作组装的阳台结构，待船体结构成型后，以螺栓形式快速安装至船体的客舱阳台模块。这种建造方式可以提高舾装速度，统一产品质量、改善施工环境。模块化阳台建造方式在欧洲船厂的中大型邮轮建造上得到广泛应用，目前仅意大利SOMEC集团生产模块化阳台产品，并垄断了邮轮市场。为此，提出了一种模块化铝制阳台的结构设计方案，并完成结构强度评估。

1 模块化阳台结构设计要求

模块化阳台的结构设计需要满足船级社规范要求，对于阳台甲板，各船级社规范对于阳台区域的设计载荷均有规定，见表1。对玻璃栏杆的设计，目前仅DNVGL规范[1]和LR规范[2]中有较为详细的规定。

表1 各船级社规范阳台设计载荷对比 kN/m2

DNVGL规范对于预制的阳台模块、玻璃栏杆、玻璃的强度试验也有相关要求，规定预制的阳台模块需要进行结构测试，测试载荷2.5 kN/m2，在移除测试负载时，不应产生视觉损伤或永久变形；外玻璃栏杆在吃水1.7Cwm以上的应进行强度测试，用于测试的栏杆玻璃应采用与船上实际布置相似的布置来支撑，试验压力应为设计压力的1.1倍，如果玻璃或其支撑结构没有明显的损伤，则认为测试成功；对于玻璃应按照EN12600[6]或同等标准要求进行冲击测试，跌落高度不小于1.2 m，并且至少重复3次，要求单片玻璃不破碎，不形成裂纹，夹层玻璃即使破碎也应在框架内保持为一块。

由于总吨位5万t的目标邮轮入级LR船级社，因此本文中阳台模块的结构设计主要参照LR船级社的相关要求。LR规范规定，外部玻璃栏杆应采用夹胶钢化玻璃，且高度不小于1 m。设计时应考虑环境载荷和人员载荷，环境载荷大小取决于栏杆位置，见表2，人员载荷应不小于欧洲标准EN 1991-1-1:2002[7]中规定载荷的1.5倍。栏杆立柱的弯曲应力系数不大于0.6。栏杆扶手的最小剖面模数应满足规范计算公式，且承受人员载荷时的变形不能超过扶手长度的1/96。外部玻璃栏杆应进行摆锤冲击试验，采用高度不少于1.5 m的国际标准，试件布置应与完成安装的实际布置相同。

表2 舷侧玻璃栏杆设计压头 m

2 模块化阳台结构设计方案

2.1 材料的选择

当代邮轮的建造正在朝着安全、节能、环保的趋势发展，结构的轻量化设计正是节能、环保理念的体现，因此模块化阳台的材料选择也围绕轻量化设计开展。

铝合金材料密度较小，约为钢材的1/3，且具有较高的比强度，在减轻船体重量方面应用广泛。虽然铝合金也有弹性模量低，受焊接影响大等缺点，但是由于模块化阳台的尺寸跨距小，设计载荷不高，且连接节点多采用螺栓、拼扣等物理连接方式，铝合金的上述缺点对模块化阳台的强度、刚度影响并不突出。因此，模块化阳台的材料选择为铝合金材料，主型材牌号6063A-T6，其他辅型材为6061-T6，板材为5083-H116。

2.2 模块化阳台整体设计

模块化阳台主要由阳台甲板、玻璃栏杆、栏杆立柱、阳台隔断等结构组成，结构之间的连接采用螺栓连接方式，其布置见图1。

图1 模块化阳台的结构布置

由于不同邮轮的阳台设计尺寸不同，为了使模块化阳台产品适应不同邮轮的需求，阳台的甲板设计为型材拼接而成，型材拼接数量决定阳台模块的宽度，型材的切割长度决定模块化阳台的长度。型材拼接形式使阳台模块更具灵活性，可以满足各种邮轮的阳台设计需求。

基于目标邮轮的舱房尺寸，模块化阳台的甲板尺寸为2 800 mm×1 560 mm。

阳台之间用于分隔不同房间的隔断，设计为可拆卸式，隔板采用厚度为25 mm的蜂窝板。

2.3 铝制甲板型材设计

考虑到型材材料为铝合金，为减少焊接影响，阳台甲板设计为型材拼接形式，采用物理形状卡扣连接。为了增加型材剖面模数，提高型材的承载能力，甲板型材结构设计为双面板双腹板形式，型材长度为2 800 mm，整体高度为50 mm，面板宽度为160 mm，两腹板居中对称分布，间距为100 mm，面板和腹板的板厚均为2 mm。为了与敷料更紧密结合，上面板表面每间隔15 mm设有高度为1 mm的半圆突起，型材上下面板端部设计为凹凸卡扣形状，型材结构形式见图2。

图2 甲板型材结构形式

阳台甲板边缘结构的设计既要考虑与玻璃栏杆以及船体悬臂梁的连接，又要考虑整个阳台排水需求。因此阳台边缘结构的内侧部分与甲板型材的高度以及板厚保持一致，考虑排水需求，上面板设计有直径为50 mm的圆弧下凹。边缘结构的外侧部分的顶部设计有安装玻璃的插槽，底部与船体悬臂梁底部面板平齐，考虑设计载荷影响，设计外侧部分板厚为2.5 mm。边缘结构整体宽度为195 mm，高度为290 mm，具体形式见图3。

图3 甲板边缘型材结构形式

2.4 玻璃栏杆和立柱设计

玻璃栏杆由2块栏杆玻璃，顶部玻璃支撑结构及顶部扶手组成。基于LR规范要求，模块阳台玻璃栏杆高度设计为1 150 mm，玻璃栏杆的设计载荷按照表2计算。根据目标邮轮布置，算得的最大设计压头为三甲板艏部的阳台处，设计压头为1.28 m。栏杆玻璃选用双层夹胶玻璃，外侧夹胶玻璃厚度为10 mm，内侧夹胶玻璃为8 mm，夹胶厚度1.52 mm，单片玻璃尺寸约1 340 mm×1 080 mm，栏杆立柱为8mm厚度的U形剖面铝合金型材，采用变截面设计，顶部剖面尺寸为56 mm×40 mm,底部剖面尺寸为56 mm×124 mm，立柱净高度为1 092 mm，立柱结构示意见图4。栏杆立柱顶部焊接有规格为140 mm×56 mm×8 mm扁铝，用于螺栓固定栏杆顶部的柚木扶手。顶部柚木扶手为实心椭圆形柚木扶手，剖面尺寸为125 mm×96 mm。

图4 栏杆立柱的结构形式

3 模块化阳台强度评估

3.1 甲板型材评估

阳台模块的甲板区域是由多根独立的铝合金型材通过结构本身的形状卡扣拼接组成，考虑到型材接头之间的相互作用，特选择3根相邻的型材单元作为典型分析位置，采用有限元分析方法，建立体单元模型，将型材形状卡扣之间相接触的面分别定义为接触区域，在相互作用的接触区域之间建立接触对，定义接触类型为约束函数类型，约束模型甲板型材与底部横梁接触位置的z向位移(, ,0, , , ,)，型材边缘与横梁螺栓连接处的x，y，z三个方向位移自由度 (0,0,0, , , ,) (0代表约束, 空代表释放)。采用非线性求解，校核型材的强度刚度是否满足设计要求。有限元计算使用Femap软件进行建模，NX Nastran软件计算求解。

LR规范要求细网格(≤50 mm×50 mm)的等效应力不大于1.2σ0，对于铝合金材料，其σ0为125 MPa，因此许用应力为150 MPa。最大变形准则取型材跨距的1/400，即7 mm。

计算得到型材最大等效设计应力为69 MPa，最大变形3.3 mm，满足设计要求。

3.2 阳台模块整体强度评估

采用有限元方法对模块化阳台的整体结构进行强度评估，校核铝合金阳台模块的结构在LR规范设计载荷下能否满足强度要求。由于前文已经采用非线性接触分析对甲板型材拼接强度进行校核，因此阳台整体校核时，为了提高计算效率，采用线性分析，甲板型材卡扣之间通过设置厚度为0.01 mm的板单元来传递载荷，强度评估时不计这些单元上的应力。

阳台模块整体有限元模型包括铝合金阳台甲板、栏杆和立柱，见图5。阳台甲板、支柱等铝合金结构使用板单元模拟，栏杆扶手使用梁单元模拟，玻璃栏杆采用质量单元及刚性单元模拟，网格大小约10×10 mm。

图5 有限元模型示意

计算时考虑结构自重，栏杆玻璃的重量通过施加0.2 t的质量单元来体现，模型自重通过施加重力加速度的方式来实现。

参照LR规范，甲板载荷取3.92 kN/m2。玻璃型材及栏杆上的设计载荷取14 kN/m2，方向指向舷外，玻璃栏杆长2.8 m，高1.15 m，所受总力45 080 N，作用于玻璃栏杆质心位置，通过6个自由度相关的刚性单元传递到铝合金模块上。栏杆扶手上的设计载荷取1.5 kN/m，扶手长2.8 m，整体受力4 200 N，施加在栏杆所在的几何线上。

由于船舶运动产生的惯性力影响，通过施加惯性加速度来考虑，横向加速度0.5g，纵向加速度0.5g，垂向加速度0.5g。

约束模型在支柱顶端与阳台分隔连接处的x向位移(0, , , , , ,)，阳台甲板与底部横梁接触位置的z向位移(, ,0, , , ,)，螺栓位置的x，y，z3个方向位移自由度 (0,0,0, , , ,)，靠船体侧螺栓角铝固定处约束x向位移(0, , , , , ,)(0代表约束, 空代表释放)。

计算得到模块化阳台最危险工况下的最大等效应力为107.4 MPa，小于许用应力150 MPa，甲板最大变形约5 mm，满足规范要求。