沈 波，趙 勇，殷星杰，吉春正，王 俊

（1. 招商局工業(yè)集團有限公司，廣東 深圳 518000；2. 招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

客滾船的公共區(qū)域通常布置有大量窗戶，以滿足艙室內部空間的自然采光需求和乘客的觀景需求[1]。公共區(qū)域窗戶的布置除了要滿足這2方面的基本功能需求以外，還要與船舶整體外觀設計相融合。為滿足功能和外觀方面的設計要求，窗戶的數量需盡可能地多，開孔須盡可能地大，形狀通常多變（甚至不規(guī)則），位置可能位于船舶的高應力區(qū)域（見圖1和圖2），這會在很大程度上削弱窗戶周界結構的強度和剛度，導致窗戶周界結構受損。在公共區(qū)域，舷側窗戶周界結構受損問題尤為突出。

另外，在建造和運營客滾船過程中，其公共區(qū)域的大型窗戶漏水和玻璃破碎的情況時有出現，這會導致乘客的體驗變差，甚至給其帶來安全隱患，對船舶的正常運營有很大的影響。分析引發(fā)此類問題的原因，除了與窗框的強度和玻璃安裝節(jié)點有關以外，還與周界結構的強度和剛度有密切的聯系。因此，探究客滾船公共區(qū)域大型窗戶周界的結構設計非常有必要，是客滾船項目的設計難點及關鍵風險點之一。

圖1 某客滾船公共區(qū)域舷側窗戶

圖2 某客滾船公共區(qū)域前部窗戶

本文以某系列客滾船窗戶的結構設計、計算和應用為例，分析客滾船公共區(qū)域各類大窗戶相關結構設計的關鍵點和風險控制對策；在此基礎上，對如何減弱舷側大窗戶區(qū)域參與結構總縱強度的程度進行分析，并對探索的思路和結論進行總結。

1 客滾船公共區(qū)域窗戶相關結構設計關鍵點

根據公共區(qū)域窗戶周界結構的受力特點，將公共區(qū)域的窗戶分為2類：第一類為布置在舷側的大窗戶（如圖1所示），尺寸較大且布置密集，主要與結構的總縱強度和疲勞密切相關[2]；第二類為公共區(qū)域前部的大窗戶（如圖2所示），尺寸較大且布置密集，主要與其周界結構的局部強度和剛度有關。為充分闡述各類窗戶結構的設計要點，分別從結構受力特點、設計關鍵點和風險控制對策等3個方面進行分析與總結。

1.1 公共區(qū)域舷側大窗戶相關結構設計

1.1.1 結構受力特點

公共區(qū)域舷側大窗戶主要位于船體梁中性層上部，主要承受總縱剪切與總縱彎曲的組合作用[3]。以某客滾船公共區(qū)域舷側窗戶開孔結構有限元分析結果為例，在總縱剪切與總縱彎曲的共同作用下，該結構主應力方向隨著其位置的變化而變化（見圖3），其中：越靠近中性層，結構的總縱剪切應力越大；越靠近頂部，結構的總縱彎曲應力越大。

圖3 某客滾船公共區(qū)域舷側窗戶周界合成應力方向和應力水平示意

在密集且尺寸很大的窗戶開孔周圍，應力水平較高，主要呈現出以下特點：

1) 不同幾何形狀開孔周界的應力集中系數不同，矩形窗戶開孔角隅處的應力水平比圓形窗戶開孔周界的應力水平高；

2) 貨艙通風結構的開孔尺寸較大，當其與上方的窗戶開孔布置在一列時，該區(qū)域的剪切面積折減較多，導致貨艙通風開孔上方的窗戶開孔周界的應力水平比附近類似位置的應力水平高。

由于大型窗戶開孔周界有應力集中現象，導致該區(qū)域窗戶周界，特別是矩形窗戶角隅處出現了嚴重的總縱疲勞強度問題。

1.1.2 設計關鍵點

為滿足總縱疲勞壽命的要求，舷側大窗戶區(qū)域結構設計的主體思路是降低區(qū)域整體的應力水平，并進一步降低矩形窗戶角隅處的應力水平。增加板厚可有效降低區(qū)域整體的應力水平，在此基礎上增大加強筋的密度可進一步降低局部應力集中區(qū)域的應力水平。但是，窗戶之間的間距較小，且要布置窗框和除霧管道等設施，增大加強筋的密度通常并不現實，因此增加板厚是解決該區(qū)域疲勞問題的主要方案[3]。為制訂一套合理的公共區(qū)域舷側窗戶周界結構設計方案，需綜合考慮以下因素：

1.1.2.1 最大程度控制結構重量

根據船級社規(guī)范的要求，公共區(qū)域兩側板厚通常在7mm左右即可滿足最小板厚的要求，但為滿足總縱疲勞強度的要求，公共區(qū)域兩側外板厚度通常需增加至20～30mm，局部高應力區(qū)域的板厚需增加到40～50mm，甚至更厚。原則上看，在大窗戶的周界或角隅處局部增加厚板能將應力降至合理水平，但考慮到增加的厚板區(qū)域不能太分散和板厚的過渡要合理等因素，往往需在公共區(qū)域兩側外板全范圍內設置多個厚板分布區(qū)域（見圖4）。

圖4 某客滾船舷側窗戶周界外板板厚分布示意

根據某客滾船的設計方案，增加外板厚度可能會導致船舶結構重量增加數十噸，由于增加的重量均位于船舶較高的位置處，對空船的重心和初穩(wěn)心高度hGM的影響非常大[3]。因此，在設計結構方案時，需充分考慮如何合理地減小板厚和厚板的分布區(qū)域，以最大程度地控制重量的增加。

通過研究可知，窗戶的形狀與所需板厚密切相關。在同一范圍內，圓形窗戶周界的應力水平比矩形窗戶角隅處的應力水平低很多，在高應力區(qū)域選擇圓形窗戶可有效減小結構的板厚。但是，同一范圍內圓形窗戶的透光面積比矩形窗戶小，因此選擇何種形狀的窗戶需與船東方協(xié)商確定。另外，選擇截面積大且材質與外板相同的窗框可在一定程度上減小窗戶周界的板厚。

1.1.2.2 充分考慮窗戶區(qū)域結構變形的范圍

為避免窗戶在安裝和運營過程中出現漏水及破裂的情況，需充分考慮建造和運營過程中窗戶周界的結構變形情況，在設計前期與窗戶制造商充分討論窗戶周界結構變形的允許范圍。為計算結構相對變形，需基于有限元分析手段讀取加載前后窗戶對角的坐標值，分別求出角變形值和線變形值。

1.1.2.3 船廠的施工流程及精度控制

為控制結構重量，在某些高應力區(qū)域，僅在矩形窗戶的角隅處增加板厚。該方案會給船廠的施工和精度控制帶來很大挑戰(zhàn)，甚至導致后期窗戶很難安裝。在確定結構設計方案之前，需與施工部門和精控部門充分討論。通常情況下，在安裝窗戶的結構開孔處須盡可能地避免此類在局部角隅處增加板厚的節(jié)點，若僅是結構開孔，則無須特殊考慮。

1.1.3 風險控制對策

從上述關鍵點分析中可看出，高應力區(qū)域內窗戶的形狀為該區(qū)域板厚和重量的最重要影響因素。因此在合同設計階段需與船東和內裝藝術設計人員討論，盡可能地將高應力區(qū)域處窗戶的形狀確定為圓形。另，外，為有效控制窗戶變形，要與船東爭取在窗戶中部增加垂直支撐等。通過這些措施，可有效規(guī)避合同生效之后設計和建造過程中的相關風險。

1.2 公共區(qū)域前部大窗戶相關結構設計

1.2.1 結構受力特點

公共區(qū)域前部窗戶不承受總縱載荷，主要承受橫向強度和上浪載荷。由于該區(qū)域并未與上下結構有效連接，因此承受的橫向載荷不大。另外，由于該區(qū)域位置較高，根據DNV GL規(guī)范計算得到的上浪載荷較小（僅有12.5kPa左右），結構自身易滿足強度要求。

盡管如此，為使采光面積足夠大，通常會采用大尺寸窗戶。根據DNV GL規(guī)范計算，大尺寸窗戶的外部承力玻璃的厚度可能會達到80～100mm，甚至更厚，局部的重量較大，加上該區(qū)域的大窗戶比較密集，公共區(qū)域前部結構設計主要考慮玻璃的重力和慣性力導致的局部強度問題。

1.2.2 設計關鍵點

從窗戶的結構形式（見圖5）的角度看，為保證乘客的安全性，會在窗戶內部布置玻璃，以避免窗戶外部玻璃破裂掉落至船內。同時，船舶的前部通常為傾斜形式，導致內部玻璃與外部玻璃的接觸處會受到很大的壓力，這是公共區(qū)域前部窗戶最主要的風險點。為避免內部玻璃被外部承力玻璃壓碎，最主要的思路是設法降低外部玻璃的重量。此外，對于窗戶周界的結構設計，需充分考慮以下因素：

圖5 某公共區(qū)域前部窗戶與玻璃構造節(jié)點

1) 窗戶區(qū)域結構的整體剛度。為保證窗戶在重力和慣性力作用下的變形在可控范圍內，除了要求窗框的強度和玻璃周界的間隙要有足夠的裕度以外，還要求嚴格控制窗戶周界結構整體的剛度，通過增加結構強框和外板板厚等措施增強剛度，以控制窗戶周界整體的扭曲變形值在合理范圍內。

2) 艏部區(qū)域振動的影響。公共區(qū)域前部的窗戶通常會布置在艏側推的上方。在進出港時，艏側推處于高負荷狀態(tài)，通常會激發(fā)其上方區(qū)域出現明顯的振動。此外，在高航速工況下，由于波浪的作用，會導致艏部區(qū)域發(fā)生明顯的振動?；谶@些原因，需考慮公共區(qū)域前部窗戶區(qū)域的固有頻率，避開艏側推和波浪的激振頻率[5]。

1.2.3 風險控制對策

根據上述分析，公共區(qū)域前部窗戶區(qū)域結構設計的關鍵是降低該區(qū)域各窗戶的重量。最有效的方法是減小單個窗戶的尺寸，或將一個大窗戶分為幾部分。另外，也可考慮使用復合材料輕質玻璃以減輕重量。這些問題均需在合同設計階段與船東和內裝藝術設計人員等各方達成一致。

2 客滾船舷側大窗戶區(qū)域結構設計優(yōu)化

通過對公共區(qū)域窗戶結構設計進行分析可知，在舷側窗戶區(qū)域參與總縱強度的情況下，考慮的因素較多，技術風險較大，為結構設計的難點之一。為控制技術風險并優(yōu)化舷側大窗戶區(qū)域的結構設計，比較有效的方法是減弱該區(qū)域結構參與船體梁總縱強度的程度。

2.1 優(yōu)化思路和方案

為減弱舷側大窗戶區(qū)域結構參與船體梁總縱強度的程度，主要考慮在適當的位置將船體外板上下分離，使總縱剪切力不能通過外板上下傳遞，從而將舷側窗戶周界結構設計簡化為僅考慮局部強度和剛度的問題。

結構優(yōu)化方案需根據船舶總體布置的實際情況選擇：若舷側范圍內可設置足夠長的通道，可采用圖6所示的方案，將帶窗戶的結構艙壁移至船舶的內側；若舷側不允許設置通道，可采用圖7所示的方案，將窗戶區(qū)域設計為整體大窗戶，內部采用桁架結構形式。

圖6 可設置貫穿通道的結構設計方案示意

圖7 舷側整體窗戶的結構設計方案示意

2.2 結論分析

基于上述結構優(yōu)化思路，結合某客滾船的有限元分析結果，可得到以下結論：

1) 將外板上下分離可有效減弱舷側參與船體梁總縱強度的程度，但因船舶中部垂直管弄的連接作用，整個上層建筑的總縱強度參與度變化不大；

2) 結構優(yōu)化前外板參與的總縱剪切力將轉移到垂直管弄的縱壁，盡管其應力水平有所提高，但不需要考慮總縱疲勞問題和諸多工藝問題。

可見，將連續(xù)的外板斷開可使窗戶周界的總體應力水平明顯下降，該方法能有效簡化舷側窗戶結構設計。

3 結 語

通過分析與總結可知，客滾船公共區(qū)域舷側和前部大窗戶區(qū)域結構設計需綜合考慮船舶總體布置、結構受力特點、區(qū)域固有頻率，窗戶連接節(jié)點和船廠的工藝等多方面的因素，只有如此才能給出合理的設計方案。盡管本文已針對窗戶相關結構受力特點、關鍵考慮因素和結構優(yōu)化等內容進行了較為詳細的總結和分析，但有關非對稱波浪載荷對窗戶周界結構受力和變形的影響等更為復雜的問題并未涉及，有待進一步深入研究。