张 艳，张 旭

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引 言

豪华邮船被誉为世界造船皇冠上最璀璨的明珠，不仅是资本密集型产业，而且是技术密集型产业。目前，世界上能够设计和建造豪华邮船的国家不多，主要分布在欧洲。近些年来，我国造船技术水平不断上升，已成功设计和建造除豪华邮船外所有类型的船舶[1]，并已逐步开始进行邮船相关问题的研究。研究多集中于豪华邮船的发展近况和趋势等方面[2-5]，部分学者对邮船建造方面进行研究[6-7]，但少见对豪华邮船特殊结构如高大空间(影剧院、中庭)、扁平大空间(自助餐厅、舞厅)等区域结构设计方面的深入研究。

中庭结构作为邮船高大空间的典型，其设计直接影响整个邮船综合体的空间效率和档次。邮船中庭的布置和功能要求对其结构设计应在尽可能减少占空、减少支柱的前提下满足强度要求，其特殊的使用目的和苛刻的质量要求决定其结构设计具有较大挑战性。

1 邮船中庭结构设计

1.1 布置特点

邮船中庭空间一般作为一个整体，布置在邮船船中区域，占用空间大，跨多层层高，以创造宽敞的空间。为保证中庭界面的完整性，经常会采用旋转楼梯对不同空间进行连接，以营造重叠、贯通等形式，并通过观景平台丰富中庭的视觉内容，如盛世公主号的中庭广场(见图1)。

图1 盛世公主号邮船的中庭

邮船中庭为实现中空设计，需要在多层甲板上设置大开孔，出现大范围长悬臂结构。为提升视觉效果，应尽可能少地进行舱室分隔，尽可能少地布置支柱。由于空间限制，构件规格尺度受限。有时为设计旋转楼梯等造型，需要增加异形开孔或错层结构，使结构构件无法连续而产生突变。中庭区域多为人员密集区域，设计载荷较常规区域更大。这些情况对邮船中庭结构设计提出严苛的要求。

1.2 结构设计要点

由于布置需求而多采用悬臂结构且构件尺度受限的邮船中庭结构，本身承载能力较弱，且无法设计足够多舱壁及支柱予以支撑，因此结构跨距进一步增大；旋转楼梯等特殊造型设计打破原甲板纵横构件的连续性，使纵横构件通常需要在造型处间断和弯折而产生突变，大幅削弱构件的载荷吸收及传递能力。在相对其他区域的较大设计载荷要求下，邮船中庭结构常常出现应力过大及应力集中等问题，因此需要在布置允许的资源范围内，充分利用布置特点，统筹考虑上述各方面因素，确定合理的邮船中庭结构设计方案。

邮船中庭结构在设计时首先应确保中庭空间边界处设置足够的舱壁或支柱支撑，尽可能减小悬臂范围；进一步应确保中庭中部大开孔边界尽可能光顺，根据大开孔尺寸及布置需求在开孔周围选取一定的加强范围，对范围内的结构进行适当的加强加密，降低该区域的应力，结合开孔形式及布置特点对该区域的结构形式进行特殊设计，一般宜在靠近开孔边缘处设置强构件框架，尽可能与原船体构件有效连接，增加长悬臂结构端部的强度及刚度，并在强构件框架下端尽可能均匀设置支柱，减小被支撑构件跨距；再进一步应考虑在加强范围外边界处设置1档强构件框架，便于内部加强构件终止及与原甲板构件连接过渡，在加强范围内外边界加强框架之间宜均匀设置辐射状扶强材，根据需求间隔数档予以加强，以便均匀有效地向外传递甲板载荷；为保持原甲板纵横构件的连续性，在加强范围外边界的加强框架处，辐射状加强构件应尽可能与原甲板构件对齐连接，以便载荷有效传递，避免应力集中。

1.3 结构设计方案

结合某50 000 t邮船中庭布置方案开展中庭结构设计。该船中庭(见图2)布置在FR143～FR162区域，长为30.5 m，将5、6、7等3层甲板贯通。中庭中心区域设置旋转楼梯，旋转楼梯内侧中空，直径为8.5 m，仅在楼梯内侧设置少量支柱予以支撑，旋转楼梯周围通过少量分割舱壁，分区域布置餐厅、咖啡厅、商店等活动空间。整体为通过少量支柱及舱壁支撑的2层悬臂平台结构。

图2 某50 000 t邮船中庭

该船中庭边界较为规范，可在左右舷各设置1列沿船长方向布置的支柱对中庭结构进行支撑。

该船中庭中心大开孔可简化为1个圆形、1个三角形和1个四边形拼接而成的异型开孔。在设计时应对三角形角隅区域及其他交接区域进行圆角及光顺，避免存在尖角而产生应力集中。选取2倍圆形旋转楼梯中部开孔直径区域作为加强范围，在圆形旋转楼梯中部大开孔边界处设计1圈圆形加强框架，并沿三角形边界向舷侧延伸，与原甲板纵桁有效连接；在圆形加强框架下尽可能均匀设置5根支柱，对甲板结构予以支撑；在加强范围外边界设置1圈圆形加强框架，内外圈加强框架之间均匀设置辐射状扶强材，在支柱对应部位设置为强档，其余部位每3～5档设置1根强构件，且强构件在外圈强框架处应尽可能与原船体强横梁、纵桁等强构件对齐连接。为尽可能保证构件连续性，将加强范围以外的部分甲板纵骨适当弯折，在外圈圆形加强框架处与辐射加强材对齐连接。具体实施如图3所示。

图3 邮船中庭结构设计

2 邮船中庭结构强度校核

2.1 有限元模型

为避免边界效应，更真实地模拟中庭结构响应，建模范围覆盖整个中庭区域，并向艏艉延伸至相邻的主横舱壁，高度范围选取从5层甲板至7层甲板的所有结构。

有限元模型采用右手坐标系：原点设于FR123与5层甲板中线相交处；x轴为沿船长方向，指向艏部方向为正；y轴为沿水平方向，指向左舷为正；z轴为垂直方向，由原点向上为正。

根据结构的实际受力状态，对中庭舱段各类结构分别进行模拟。采用板单元(主要为四边形，局部采用三角形)模拟的构件包括：甲板，外板，横纵舱壁，强肋骨、纵桁及强横梁腹板；采用梁单元模拟的构件包括：板材上的纵横骨材，强肋骨、纵桁及强横梁上的面板，横纵舱壁上的扶强材，支柱。模型网格尺寸最大为630 mm，共包含6 518个板单元，5 880个梁单元。所选材料DH36钢的屈服极限为355.0 MPa，材料参数为弹性模量E=2.01×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。邮船中庭舱段有限元模型如图4所示。

图4 中庭舱段有限元模型

2.2 计算载荷及边界条件

中庭结构计算载荷及边界条件如图5所示。

图5 中庭结构计算载荷及边界条件

根据中国船级社规范[8]，中庭结构校核计算的甲板载荷应包括结构自重及设计载荷，设计载荷参考规范中的居住和公共处所甲板计算压头，取h=0.9 m。在模型中采用重力加速度模拟结构自重，采用压力模拟甲板计算压头。

为避免边界效应，在中庭舱段艏端主横舱壁处施加约束，将艏端主横舱壁与5层甲板连接处进行简支处理，约束x、y、z等3个自由度的位移，同时将中庭区域各支柱与5层甲板连接处进行简支处理，约束x、y、z等3个自由度的位移。

2.3 校核结果

根据中国船级社规范，中庭结构校核计算衡准参考表1选取，其中：K为材料因数。DH36高强度钢的材料因数K为0.72。

表1 许用应力 MPa

通过有限元仿真计算，邮船中庭舱段结构的合成应力、剪切应力、梁单元应力分布情况如图6所示。由图6可知：邮船中庭舱段结构的最大合成应力为188.0 MPa，位于舷侧附近甲板强横梁与舷侧强肋骨相交处，艏部区域与外圈圆形加强框架直接相连的纵桁的应力为165.0 MPa；最大剪切应力为108.0 MPa，出现部位与合成应力相同；最大梁单元应力为147.0 MPa，出现在与外圈圆形加强框架直接相连的纵桁面板上。

图6 邮船中庭舱段应力云图

结合中庭布置及结构设计特点分析，中空区域的大开孔破坏结构连续性，导致结构突变，受力主要沿与外圈圆形加强框架直接相连的纵桁经由强横梁向舷侧传递，因此在甲板与舷侧构件连接处产生最大合成应力及剪切应力；由于桁材面板主要传递轴向力，因此梁单元最大应力出现在艏部与外圈圆形加强框架直接相连的纵桁面板上。

通过对仿真计算结果云图的分析可知：最大应力主要出现在中庭艏部区域。该区域作为中庭结构加强范围的边缘，重点承受中庭悬臂结构传递的载荷；该区域舱壁较少，构件跨距较大，构件规格尺寸受限，整体应力水平较高，且存在应力集中现象，合成应力、剪切应力均无法满足强度需求。基于上述情况，需要对中庭结构尤其是艏部区域进一步开展设计优化。

3 邮船中庭结构设计优化

3.1 优化方案

高应力区主要分布在中庭结构旋转楼梯艏部区域，该区域受力较大，舱壁较少，构件跨距较大，且甲板构件间断、弯折，结构受力传递渠道受限，因此造成该区域应力较大且应力集中严重。为降低应力水平，考虑增加甲板纵桁，减小强横梁跨距；为改善旋转楼梯加强范围与原甲板构件连接处的间断、弯折等结构突变情况，考虑在加强区外圈采用2档圆形强构件框架，将辐射型加强筋终止于靠内的一圈强构件框架上，避免辐射型加强筋与原甲板构件错位对接，进而改善受力情况。

3.2 优化效益

对优化方案进行有限元仿真计算，邮船中庭舱段结构的合成应力、剪切应力、梁单元应力云图如图7所示。

由图7可知：在采用优化方案后，邮船中庭舱段最大合成应力降至160.0 MPa，位于艉部甲板强横梁与舱壁连接处，原方案最大应力即甲板与舷侧连接处应力大幅降至144.0 MPa，艏部区域与圆形加强框架直接相连的纵桁的应力大幅降至145.0 MPa；最大剪切应力降至85.3 MPa，出现部位与合成应力相同；最大梁单元应力为153.0 MPa，出现在与圆形加强框架直接相连的纵桁面板上。

图7 优化后的中庭舱段应力云图

在采用优化方案后，邮船中庭舱段结构合成应力及剪切应力最多降低23%，各部位合成应力和剪切应力的降幅如表2和表3所示，优化效益显著。

表2 合成应力优化效益

表3 剪切应力优化效益

4 结 论

通过分析研究及仿真计算校核可知：邮船中庭布置与结构强度之间的设计矛盾较大。主要体现于中空大开孔带来的结构连续性破坏、长悬臂结构形式问题，以及布置需求与构件分布、构件尺寸之间的矛盾。在设计过程中需要充分考虑布置细节，利用布置特点，合理设计结构形式与结构分布，选取构件规格尺寸。经分析可总结如下设计原则：(1)中庭大开孔造型应尽可能光顺，减少结构突变；(2)结合中庭大开孔尺寸及布置特点，合理选取加强范围，不仅应覆盖高应力区，而且应避免加强范围过大造成结构冗余；(3)开孔边缘宜设置强构件框架加强，加强构件尽可能延伸与原船体构件牢固连接；(4)开孔边缘宜采用支柱支撑，分布应尽可能均匀，减少被支撑构件跨距；(5)加强区边界处宜设置强构件框架，便于加强区构件终止及与原船体构件有效连接；(6)加强范围内的构件可适当加大加密，尽可能辐射型布置，以便载荷均匀有效地向四周传递；(7)辐射构件在端部应尽可能与原船体构件对齐，确保载荷传递途径顺畅；(8)辐射构件在端部与原船体构件存在大量错位连接时，可考虑增加其他加强构件使其间断，避免出现大量结构突变。

经过仿真计算及优化前后对比分析，依据设计指导原则设计及优化的中庭结构可有效向各方向传递载荷，多档框架加强构件有效缓解结构突变，进而有效减小应力集中，使整个中庭区域应力分布较均匀，并得以满足规范要求。上述设计原则可有效指导同类船舶中庭结构设计及优化。