邮轮上层建筑新型结构抗疲劳设计毕业论文

2020-02-18 12:02

摘要

邮轮是指在海洋中航行的旅游客轮，高大丰满的上层建筑是其典型特征。由于高建造门槛，目前大型邮轮建造主要集中于欧美船厂。与传统船舶相比，大型邮轮上层建筑由于结构庞大，所满足的功能需求要比普通船舶更加复杂多样，上层建筑典型结构的设计将是一个大难点。由于国外对邮轮相关技术的封锁，且我国缺乏大型邮轮设计和建造的经验，严重制约了我国邮轮行业的发展和进步，故开展大型邮轮结构研究势在必行。本文以大型邮轮上层建筑新型结构为研究对象，针对上层建筑新型结构的疲劳强度问题展开了研究，重点分析了邮轮舷侧开口角隅处的应力集中，具体研究内容有以下几个方面：

（1）对大型邮轮上层建筑进行局部结构特点分析。通过对现有大型邮轮上层建筑结构进行分析，明确了大型邮轮上层建筑新型结构特点。

（2）对新型结构进行有限元建模及计算分析。在现有文献及技术资料基础上合理选取大型邮轮新型结构，建立舱段模型，根据规范要求进行有限元计算，计算分析得到舷侧开口角隅为热点应力区域。

（3）对开口角隅应力进行多因素影响分析。基于舱段模型建立单层舱室模型，探究不同角隅开口半径、补板厚度和补板形式对舷侧开口角隅应力分布和主应力大小的影响，得到开口角隅应力大小随开口圆角半径和补板厚度变化的规律，综合考虑多方面因素，给出了抗疲劳设计建议。

关键词：大型邮轮；舷侧开口；抗疲劳设计；数值计算

Abstract

A cruise ship is a tourist liner that sails in the ocean. The tall and plump superstructure is a typical feature. Due to the high construction threshold, the current large-scale cruise construction is mainly concentrated in European and American shipyards. Compared with traditional ships, large-scale cruise superstructures are more complex and diverse than ordinary ships due to their large structure. The design of the superstructure of superstructures will be a major difficulty. Due to the foreign blockade of cruise-related technologies and the lack of experience in the design and construction of large-scale cruise ships in China, which seriously restricts the development and progress of China's cruise industry, it is imperative to conduct large-scale cruise structure research. In this paper, the local structure of the superstructure of the large-scale cruise ship is taken as the research object, and the fatigue strength of the new structure of the superstructure is studied. The fatigue strength of the open corner of the cruise ship is analyzed. The specific research contents are as follows:

(1) Analysis of the local structural characteristics of the superstructure of large cruise ships. Through the analysis of the existing superstructure of large cruise ships, the new structural characteristics of the superstructure of large cruise ships were clarified.

(2) Finite element modeling and calculation analysis of the new structure. Based on the existing literature and technical data, the new structure of large cruise ships is reasonably selected, and the cabin model is established. The finite element calculation is carried out according to the requirements of the specification. The side opening angle is the hot spot stress region.

(3) Multi-factor impact analysis of the opening angle stress. Based on the cabin model, a single-story cabin model is established to explore the effects of different corner opening radius, patch thickness and patch form on the lateral opening angle stress. The opening angle stress is obtained with the opening radius and the thickness of the patch. The law of change, considering various factors in a comprehensive way, gives recommendations for anti-fatigue design.

Key Words：large cruise ship; side opening; anti-fatigue design; numerical calculation

第1章绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2大型邮轮与船舶结构疲劳研究现状 3

1.2.1大型邮轮国内外发展现状 3

1.2.2船舶结构疲劳国内外研究现状 4

1.3主要研究内容 5

1.4技术路线 6

第2章邮轮上层建筑结构特点 7

2.1邮轮概述 7

2.2上层建筑结构特点 8

2.3典型舱段结构特点 11

第3章典型舱段结构强度分析 12

3.1引言 12

3.2有限元方法概述 12

3.3结构有限元模型 13

3.3.1结构建模原则 13

3.3.2材料属性 13

3.3.3几何模型 14

3.3.4网格划分 14

3.4边界和载荷 15

3.4.1边界条件 15

3.4.2载荷施加 16

3.5计算结果分析 16

3.6本章小节 19

第4章舷侧开口角隅应力影响因素分析 20

4.1引言 20

4.2开口圆角半径与补板厚度对角隅应力分布影响 20

4.2.1有限元模型 20

4.2.1.1结构建模原则 20

4.2.1.2材料属性 20

4.2.1.3几何模型 21

4.2.1.4网格划分 22

4.2.2边界条件 错误!未定义书签。

4.2.3载荷与工况 24

4.2.4计算结果分析 25

4.3不同形式补板对角隅应力分布影响 33

4.3.1有限元模型 34

4.3.2边界条件与载荷 35

4.3.3计算结果分析 35

4.4抗疲劳设计建议 36

4.5本章小节 38

第5章总结与展望 38

5.1总结 38

5.2展望 38

参考文献 40

致谢 40

第1章绪论

1.1目的及意义

邮轮产业起源于欧美，在欧美有着两百余年的发展历程，其产业链已经很完备，船型覆盖范围较为广泛，从百人小型邮轮到6000多人的大型邮轮均有涉及。传统的欧美邮轮强国在世界邮轮市场上具备统治性地位，由于其较长的设计、建造和使用邮轮的经历，设计与建造的邮轮往往代表着世界邮轮的趋势。

随着我国船舶工业制造能力的不断发展，豪华邮轮的设计建造也被提上了日程。作为我国船舶工业最后一块还未被开发的高地，邮轮产业的发展受到了社会各界和政府部门的广泛关注，一系列的指导意见与总体规划相继被颁布。如图1.1为Vista级豪华邮轮。

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图1.1 Vista级豪华邮轮

邮轮以其内部装饰考究，娱乐设施众多，被人们称为“海上移动城市”。因此豪华邮轮也被人们誉为是造船界皇冠上的明珠，豪华邮轮的制造对制造业水平的要求很高，造价高昂。目前，欧洲几大船厂凭借其先进的技术水平、丰富的建造经验和完善的配套设施，处于豪华邮轮产业的领先地位，占据了大部分市场。近几年来，随着我国经济飞速发展，人们生活水平不断提高，我国的邮轮市场不断壮大，发展迅猛，越来越多的人选择豪华邮轮这一新型娱乐方式，全家人一起乘坐邮轮出游成为热潮。预计到2020年，接待的邮轮游客数将会达到900万人次[^[1]]，这一数据还将持续增长。而我国邮轮产业发展较晚，底子薄，人才储备少，目前基本处于一片空白，在大型豪华邮轮设计建造、邮轮管理和经营、邮轮市场的建设存在诸多问题，还不能满足目前的市场需要。因此，加快大型豪华邮轮设计建造本土化自主化，建立和规范邮轮市场，加快我国邮轮产业发展的任务刻不容缓。

邮轮产业的行业壁垒极高，建造一艘大型邮轮，不单单需要大量的金钱投入，还要求很高的产品设计开发的能力、产品供应链管理能力和各个政府职能部门的合作协调能力。为了实现豪华邮轮的自主性和本地化建造，中国需要逐步建立完整的邮轮供应链，动员造船、娱乐、酒店服务、工业、旅游等各个相关行业齐心协力。近年来，国家对于邮轮项目的关注度越来越高，决心发展中国的邮轮产业。为了大力推进邮轮建设，中央政府部门出台了一系列政策，提出要在突破邮轮核心技术和产业配套设施建设方面取得重大进展。

与传统大型船舶相比，大型邮轮上层建筑有以下几个不同之处：

（1）大型邮轮对于结构强度要求非常高，直接进行计算工作量大；

（2）邮轮上层建筑高大，大型豪华邮轮上层建筑能达到十几层，各甲板舱室众多，结构复杂；

（3）为满足乘客观景和娱乐需求，舷侧开口大而密集，大跨度空间结构多；

（4）上层建筑内部设施繁杂，布置的管路线缆繁多，腹板开口尺寸增大，如图1.2为邮轮上层建筑娱乐设备。

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图1.2 邮轮上层建筑娱乐设备

这些新型结构都对上层建筑的疲劳强度提出了新的要求，而疲劳破坏是船舶结构失效的主要形式之一，在船舶的海难事故中，很大一部分都是因为船舶结构的疲劳破坏所引起的。因此校核邮轮的疲劳强度是至关重要的。但是因为邮轮结构的特殊性，不同于传统船舶，所以传统船舶的疲劳校核规范已不能满足要求，而国外具备邮轮设计或建造能力的单位或企业对邮轮的设计资料和设计方法严格封锁。因此，大型邮轮的建造，局部结构修改设计及国产化进程对邮轮结构疲劳强度的校核以及结构的抗疲劳设计提出了迫切的需求。

1.2大型邮轮与船舶结构疲劳研究现状

1.2.1大型邮轮国内外发展现状

邮轮从人类船舶邮递业务诞生初期承担运输信件和包裹的轮船，经过几百年的发展，变成了如今为旅客提供各种娱乐休闲设施的游轮，因为已经没有了运输包裹和信件的功能，其本质上不能再称为邮轮，而应该是游轮^{[^[2]]}。

邮轮的设计建造是一件极为复杂的工程，它并不只是某一行业能力水平的体现，而是整个国家制造业综合实力的象征，如图1.3为船坞中建造的邮轮。目前，欧洲是世界豪华邮轮设计建造的中心，全世界几乎所有的豪华邮轮设计建造工作都在欧洲的几大船厂进行，这些船厂凭借其丰富的邮轮建造经验和人才储处于行业垄断地位。

大型豪华邮轮同时也是学者研究的热门话题，David等人[^[3]]主要介绍了劳氏船级社所制定的客船规范对邮轮结构设计的评估方法，Dracos等人[^[4]]就康科迪亚号的失事进行了讨论，并对船舶失事概率进行了评估，希望能提高邮轮的风险衡准。上海船舶工艺研究所李兰美等人[^[5]]对邮轮建造特点进行了初步分析；上海外高桥罗小林，甘水来[^[6]]研究了大型豪华邮轮结构设计的难点及对策；董婧[^[7]]分析了邮轮发展现状和趋势。

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（a）（b）

图1.3 船坞中建造的邮轮

大型豪华邮船的生产过程大致可分为船体和内饰两部分。船体即“造船”，包括工程设计、原材料采购、分段建造和装配、船体装配、舾装。大型邮轮内部装饰精致，风格豪华且新颖。邮轮集餐厅、客房、商场、游乐场和其他休闲娱乐设施于一体，为游客创造了一个美好舒适的环境，并提供了充满活力和娱乐性的服务。设计能力在邮轮建造中起着至关重要的作用，因此一流的邮轮制造企业，都设置有自己的邮轮设计团队，负责总体设计和管理，具体的设计工作由邮轮行业产业链中专业外观和内饰团队完成。

大型邮轮因其附加值高，经济效益显著，成为很多企业争相追逐的对象，纷纷选择进军邮轮市场。与欧洲邮轮市场的繁荣相比，亚洲的邮轮市场则显得相当冷清，日本三菱集团曾经决心想要进军邮轮市场，几次尝试自行建造豪华邮轮，但均未能获得成功，还造成了企业的巨额亏损，最终草草收场。截止目前，亚洲各国家对邮轮建造的尝试，还未能获得成功[^[8]]。

目前，我国决定自行建造豪华邮轮，而我国在邮轮设计建造领域还是一片空白，可以预见，我国在自行建造豪华邮轮这条道路上将困难重重。业内人士一致认为：建造豪华邮轮，机遇与挑战并存，虽然前景乐观但也存在诸多难题尚未解决。第一是关于邮轮的外观和内饰，到底怎样才能不同于其他的邮轮，更好的向世界展示属于中国的文化和风格，与此同时还要将文化和技术完美的结合。第二是建造的问题，在欧洲豪华邮轮的建造过程中，都是由专业的设备制造商提供专业的配套服务，舱室舾装全部模块化。而在中国，这一领域几乎为空白，设备的采购与施工有很大难度。第三是对施工人员的技术要求高，因为豪华邮轮的建造不同于普通船舶，其建造精度高，施工难度大，对工作人员的要求也更高，相关工人需要经过一定时间的专业培训才能够上岗作业。第四是项目管理，和其他船舶要求不同，船东对邮轮交船日期要求十分严格，建造周期每推迟一天都将会造成巨额亏损。因此，项目管理部门需要合理规划时间并严格执行，确保能按时完成工作，同时还要保证质量满足船东要求。

1.2.2船舶结构疲劳国内外研究现状

疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，疲劳的定义为金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化[^[9]]。

早在上个世纪六十年代，Vedeler就注意到了船舶的疲劳问题[^[10]]，瑞典和挪威的船舶工程师得出这样的结论：对于一般的船舶疲劳破坏比脆断问题更加重要。但是国外研究人员在70年代末才开始真正重视疲劳问题。Jordan和Cochra两位学者花费数年时间，对当时服役的数型船舶的构件节点进行了详细的观察和研究，发现了不少疲劳裂纹[^[11]]。1990年，美国海岸警卫队公布了他们14年间，收集的所有发生过破损的油船数据，数据表明，除了碰撞和触礁，严重的结构破坏中有超过80%是由于疲劳和断裂造成的。

国内从上世纪90年代开始逐渐重视船舶结构的疲劳破坏问题。上海交大胡毓仁、陈伯真研究了液舱结构的疲劳可靠性问题[^[12]]，探讨和分析了几个不确定因素对液舱结构疲劳可靠性的影响，并对国内外结构疲劳可靠性方面研究进展进行了分析，提出来研究的看法。在船舶结构的疲劳强度评估方法方面，各高校和科研机构也进行了大量的深入探索和研究。孙久龙、陈伯真等人曾利用挪威船级社（DNV）开放的程序系统SESAM，采用谱分析法对船体结构的疲劳可靠性问题进行了分析[^[13]]。中国船舶科学研究中心的崔维成对船舶结构疲劳强度校核的几种确定性方法进行了总结归纳[^[14]]，并针对其中的各种变量进行了定量分析，基于线性切片理论计算结果在国内首次给出了垂向波浪弯矩服从Weibull分布的Weibull形状参数的回归公式。

针对船舶的角隅疲劳问题，沪东造船厂的王东海等人对1700TEU集装箱大开口角隅进行了疲劳强度分析和评估[^[15]]，并讨论了几个主要参数对简化疲劳强度评估方法下所得到的结果的影响；中国船舶及海洋工程设计研究院王醍、王璞[^[16]]等人用全概率疲劳分析方法研究了3000米深水钻井船月池角隅的疲劳；韩春生、卢小龙[^[17]]等人探究了不同补板厚度和肘板尺寸对双体船大开口角隅疲劳强度的影响；程玉芹、罗广恩[^[18]]研究了不同补板厚度和角隅形式对超大型集装箱船上甲板舱口角隅疲劳强度的影响。