豪华邮轮结构设计特点与分类设计技术

高处,刘文夫,邱伟强,陈涛

(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

1 研究背景

目前,豪华邮轮发展趋势：①大型化,船上可容纳大型歌剧院,餐饮及娱乐设施,符合年轻家庭的度假需求,以10万t以上的大型豪华邮轮为代表。②以5万～7万t级的中型豪华邮轮为代表,船舶尺度中等,走奢华、优质服务路线,满足高端人士需求[1]。无论何种吨位的豪华邮轮,高大、宽敞的长上层建筑是实现其商业服务功能的必要条件。除此之外,与一般的交通型客船、运输船不同,为满足乘客娱乐,休闲等活动,上层建筑内部存在多种异型结构,由此产生的结构强度、刚度、振动、噪声风险对邮轮结构设计提出了极高的要求。

2 豪华邮轮的结构设计特点

2.1 上层建筑甲板参与总纵强度的有效度分布不均衡

豪华邮轮是布置主导型船舶,为满足乘客各类娱乐需求,邮轮的上层建筑又宽又长,且甲板层数多[2]。其内部为追求独特的艺术效果及宽阔的视野而设计成新颖的、奇特的造型,往往造成甲板、纵舱壁等纵向结构连续性较差。同时,所有豪华邮轮都需要在船中部的舷侧设置大量的露天救生艇或者大量的门窗开孔,总纵弯曲剪力通过外板向上传递的效率不高。最终导致船体作为“梁”的特征不明显,船体梁在变形的时候不满足平断面假设。由于用理论方法计算邮轮上层建筑参与总纵强度有效度较困难[3],理论计算结果与很多豪华邮轮的实际应力情况不相吻合,且总纵正应力及剪应力不能由规范公式计算得到,因此长上层建筑参与总强度有效度通常需要通过直接计算获得。

2.2 全船应力分布不均衡

豪华邮轮的运载对象是人和补给,一艘7万总t级中型豪华邮轮,有效载重量仅约8 000多t,广义舾装重量约15 000 t,水线以下湿表面积与3万DWT的运输船相当,这说明因为局部载荷引起的结构应变能不大。然而,其合成设计弯矩和剪力与9万DWT的运输船相当;空船结构重量约16 000 t,与12万DWT的运输船相当。可以推算,单位空船结构重量所承受的总体应变能和局部应变能均比同尺度运输船小得多。因此豪华邮轮船体存在大量低应力区域, 大部分结构的总纵应力水平较低,或仅仅承受局部载荷,且局部载荷幅值不大,结构尺寸可以由规范允许最小板厚、屈曲强度,以及振动控制要求决定。

从图1、2某中型豪华邮轮各层甲板屈服、屈曲利用因子分布图可以看出,甲板结构强度利用因子占许用利用因子比例在40%以下的百分比很高,这些区域具有足够的强度裕量,有轻量化的空间。图中利用因子定义为屈服、屈曲应力与许用屈服、屈曲应力的比值。

图1 某中型豪华邮轮各甲板屈服利用因子分布

豪华邮轮上层建筑布置数千个居住舱室,每个舱室模块都在专业配套厂提前铺设管系和电缆,舾装率近100%,其建造复杂程度和建造精度要求远超其他船舶[4]。为了提高建造速度,在模块进、出舱路线上不设置任何固定式结构。此外,对于特殊功能需求的生活及娱乐模块,如中庭空间、剧场空间、IMAX影院、酒吧空间、水上乐园、主餐厅空间和特色餐厅等,传统船舶的结构布局方案已不能满足其要求[5]。这些区域几乎不设置结构围壁,因此存在大量的在豪华邮轮结构中以占用空间最小的支柱代替舱壁,甲板、纵舱壁、横舱壁在3个维度上的连续性不能得到充分保证,上层建筑参与总纵强度的有效度不稳定,大量几何突变处存在应力集中。

换言之,豪华邮轮船体低应力区域虽然面积大,但高应力区域数量很多。为保证结构安全性,对高应力区域的校核非常重要,需要筛选出来进行专门的分析计算。较典型的高应力位置如下。

1)上层建筑错位(上下不对齐)布置的外围壁几何突变处,这些区域存在总纵弯曲应力和局部应力的叠加现象,应计算舱段有限元。

2)演艺大厅区域的不连续结构较多,个别甲板纵骨、强横梁、立柱、类立柱边纵舱壁垂直桁应力水平较高,必须进行舱段计算。

3)在承受较大总纵弯曲应变能的高层甲板中部,也经常因为布置的原因开设较大的梯道或者游泳池开孔,在开孔两侧纵向应力明显提高,图3所示泳池开孔角隅附近应力变化梯度较高。

4)参与总纵强度的长纵舱壁和外板由于大量门窗开口的存在(见图4),导致其承剪面积不足,门窗开孔角隅处即便经过形状优化,应力水平仍然很高,门窗开孔角隅形状及尺寸优化是豪华邮轮结构设计的重点。同时,某些对齐纵舱壁设置的部分立柱被迫参与了总纵剪切应力的传递,造成立柱端部与纵舱壁连接处的应力集中现象严重。这些被迫承载总纵剪切变形的立柱,由于承载面积较大、载荷量级大,屈曲强度不易满足,成为全船总强度的短板,一旦总纵剪切载荷超过设计值,则这些对齐长纵舱壁、被迫传递剪力的立柱及其附近结构将最先发生破坏。

图4 豪华邮轮舷侧连续门窗开孔舱壁的应力分布

5)豪华邮轮舷侧为了布置救生设备,横舱壁在该位置有结构突变,同时主竖区横舱壁起到抵抗船体梁歪斜变形的重要作用,本身应力水平较高,突变处水平剪切应力较大。

6)豪华邮轮内部对空间利用率的要求较高,一方面对于主要支撑构件的腹板而言,其高度不能太高且大量开孔,供风管、电缆和水管穿过;另一方面,在主要支撑构件(含立柱)的上下端,需要采用一种无肘板设计方式,以最大限度地让出舱室的可用空间。如此,将在主要支撑构件的腹板开孔处、与垂向支撑构件(含立柱)的连接边界处产生相对较大的应力集中,这些区域应避免设置开孔;如果必须设置开孔,则需要经过细网格有限元分析。

2.3 薄板屈曲问题

中型豪华邮轮结构件数量多,大致与一艘ULCC构件数量相当。此外豪华邮轮水线以上体积庞大,受风面积与VLCC相当,重心高度远高于浮心,导致船体稳性裕度不大,垂向重心的控制尤其重要。为减轻重量、降低重心,豪华邮轮上层建筑中大量使用高强度钢材质的薄板结构。对于上层建筑甲板结构,大部分船级社甲板最小净厚度要求是4.5 mm,即使上层建筑甲板参与总强度,其板厚也大部分为5～6 mm,由此产生的薄板屈曲是豪华邮轮船体设计中的重要问题。在局部屈曲利用因子较大的区域,要提醒船厂更加注意控制焊接残余应力。薄板屈曲较为严重的区域也同样对应着上文中提及的高应力区域。多数甲板屈曲发生在迎浪/顺浪波浪弯矩最大的状态,如图5所示,该状态下屈曲常发生于甲板开口附近的板格。多数纵舱壁屈曲发生在迎浪/顺浪波浪剪力最大的状态,所有横舱壁板壁的严重屈曲均发生在横向歪斜(Racking)工况横舱壁几何突发处板格的屈曲情况需要特别关注,见图6。

图5 3甲板开口附近屈曲利用因子分布

2.4 振动噪声分布不均衡

舒适度的考核指标在很大程度上与振动和噪声水平有关。振动和噪声越小,舒适度也就越大。各标准规范要求现代邮轮乘客舱室的噪声标准为45～49 dB(A),高级乘客舱室的振动级为1.5 mm/s。对减振隔振材料、吸隔声材料、减振隔振技术、吸隔声技术提出了相当高的要求,成为豪华邮轮设计和建造的关键技术难点。豪华邮轮振动噪声在方案设计阶段就要予以评估考虑,一旦到了详设后期再发现有重要薄弱点是很难调整解决的[6]。豪华邮轮一般尾部形状扁平,其刚度相对于其他区域较弱,同时又靠近推进器主要振动激励源,振动风险高。此外,船尾视野开阔的区域,常设置高级餐厅和套房,振动噪声等级要求高,方案设计阶段就应充分关注和优化推进器舱结构布置。如图7,某中型豪华邮轮的振动响应计算显示,其航行工况下振动响应分布不均。振动响应较大区域主要集中于船尾,响应水平沿船长方向向前衰减较快,沿高度方向衰减不明显,由于尾部高层甲板板厚薄、少舱壁、少支柱的布置,导致部分区域的振动响应水平超出了规范要求值。同样,艏侧推开启工况下,振动响应较大区域集中于艏部各层甲板。综合看来,豪华邮轮上层建筑中因大量使用薄板构件,使得甲板间、舱室间分割围护结构的隔振、隔声性能下降,在结构轻量化设计过程中应同时关注由此引发的振动噪声风险。

图7 某中型豪华邮轮全船振动响应分布(主机、螺旋桨激励)

3 豪华邮轮结构设计分类应对方案

从图8看出,豪华邮轮船体结构平均应力水平低,但应力梯度变化大、应力分布的方差大、应力集中热点区域多、振动噪声响应分布不均。豪华邮轮外表看起来很庞大,但总强度裕度不大,结构损伤的风险比较大,结构安全依然是邮轮设计的重点问题之一。在设计的各个阶段中若对这些区域进行识别、分类、跟踪,对不同区域有针对性地采取合理的优化措施,可有效提高设计后结构的安全性、舒适性及经济性,同时提高结构设计效率。

图8 豪华邮轮结构设计导图

在作结构分类之前,首先应对豪华邮轮整船及各区域的设计载荷进行评估、分类。结构响应是设计载荷的直接体现,结构分类的结果可以与载荷分类的相验证。

3.1 按照应力、应变能等级的结构分类

在较高应力/应变能的区域采用高强度钢,局部嵌入厚板,进行局部细网格精细化设计,这些区域的屈服、屈曲、疲劳问题同样重要。同时归纳总结这些区域的应力集中系数,按照几何特征和应力集中特征分类,以便于快速估算全船所有高应力区域的应力幅值范围,给出更为准确的设计初始值,减小反复迭代的计算工作量。在中等应力、应变能区域,如果应力梯度变化较大,应力集中区域可能要求局部嵌入厚板;如果应力梯度变化不大,则应注意薄板的屈曲强度,提醒船厂采用激光焊接工艺等方式控制薄板的焊接残余应力及焊接变形;在低应力、应变能区域,可以考虑应用轻型金属材料(如铝合金)、复合材料板材、槽形板、压筋板和超薄加筋平板这些轻型结构的可能性。

从优化设计的角度,长上层建筑的外轮廓应尽量光滑连续,避免形状突变。如果布置性要求存在突变,则应在突变处考虑结构加强,以约束上建端部的剪切分离变形。分析已有布置中必须遵守的布置要点,尤其是船舯部位的纵向拉压强度和25%船长附近的船体剪切强度。要保证这些关键区域有足够的强度,则要求在船中区域的高层的纵舱壁甲板和纵舱壁尽可能具有更好的连续性。在高剪应力区域的纵舱壁上下、前后连续性也很重要。对于豪华邮轮而言,上层建筑参与总强度的主要影响因素是垂向剪力传递的完整性,亦即长纵舱壁的连续性。长纵舱壁的连续性表现在两方面,即纵向连续性和垂向连续性,应尽量保证主要传递剪力的纵舱壁在所在纵剖面内形成闭环,这是保证上层建筑更多参与总强度的必要条件。

3.2 按照振动响应等级的结构分类

船舶振动控制技术主要从振源控制、传递路径、末端防护3个方面来考虑,豪华邮轮结构设计主要考虑传递路径防护和末端防护。

先整体、后个别是豪华邮轮振动控制的主要原则。在豪华邮轮设计初期可按功能区分机舱区域、居住区域、公共区域、露天甲板区域四大类。研究分析四大功能分区振源和结构特点,对各种振动控制方案质量和造价进行对比,取其最优者作为方案。随着设计深入,有了全船振动响应预报结果后,根据计算结果再重新分类应对或细化振动控制的区域。

在振源附近、振动能量传递路径、大跨度板架等振动响应热点区域,推荐使用阻尼材料,如螺旋桨上方的外板、主推进器基座推荐采用夹层钢、高阻尼钢和浮筏等减振措施;在振动能量传递路径上优化结构或敷设阻尼材料;在振动响应热点区域,适当增加上下对齐的立柱,优化甲板构件的尺寸和布置,局部设置阻尼材料或者浮筑地板等。在振动响应较小的区域,一般可以在舱室内优选隔振性能较好的阻尼地毯;在几乎没有振动风险的区域：内装材料的隔振技术性能要求可以适当降低,以节省材料采购成本。

3.3 按照噪声等级的结构分类

在设计初期参考振动控制分类的方式,即从噪声源控制、传递路径、末端防护考虑。从使用范围和市场占有量来看,被动式降噪材料是使用最多、最重要的一类控制手段。

设计初期根据舱室布置,通过经验或半经验半数值的方法,对邮轮噪声分布进行快速定性分析,对全船声场大致分布进行初步评估。结合初步定性分析结果,识别邮轮噪声敏感区域,对可能影响敏感区域噪声水平的设备等噪声源分配指标,从初步设计开始降低豪华邮轮噪声风险,降低全船噪声控制成本。

在噪声源附近、噪声能量传递路径等噪声控制热点区域可采取的降噪措施有增设吸隔声材料和局部使用夹层板结构等;噪声能量传递路径上优化结构、设置结构声学迷宫或敷设阻尼材料、舱室采用吸隔声材料等。在噪声水平不高的区域：一般可以采用在室内舱室优选隔吸声性能较好的内装材料;在几乎没有噪声超标风险的区域：内装材料的吸隔声技术性能要求可以适当降低,以节省材料采购成本。

3.4 按照结构构件特征分类

根据应力/应变能、振动响应幅值、噪声等级分类后,对全船所有结构构件按照结构特征进行分组。如板厚规格、桁材规格、型材规格、肘板规格和屈曲加强筋规格,尽可能减少材料规格的种类。对于结构应力水平相近,而尺寸略有不同的板材、型材、肘板和加强筋可以考虑合并成一个规格。必要时,在某一套结构图纸中,标记每个区域的最大屈服及屈曲利用因子,以作为未来材料规格合并简化的依据。这是减少邮轮建造的出错率,增加材料利用率,提高材料采购经济性的重要手段。

总之,在前期设计阶段,应预判结构材料规格的尺寸范围和使用范围,预判将这些材料划分合适的规格数量,既能避免规格种类过多,同时也可以尽可能节省材料。

在影响重心高度较大的区域,采用优化设计手段,不仅仅可以获得更多的有效载重量,也可以降低船体的重心,提高稳定的裕度。因此,在不同甲板高度的区域采用不同程度精细化的设计手段和不同采购成本的轻质材料,也是结构分类设计需要考虑的内容。