1.1邮轮概述

邮轮原指航行于大洋的班轮、邮船客船，一般具有旅游性质，也是公认的“三高船舶”即高技术、高可靠性和高附加值。现代邮轮按船型的大小可以分为小型邮轮、中型邮轮和大型邮轮。其中大型豪华邮轮与大型液化天然气船（LNG）、航空母舰并称为“全球造船业皇冠上的三颗明珠”。我国已成功摘下其中的两颗，但攻克大型豪华邮轮的难度还很大。与其他传统的主流船型相比，邮轮的建造虽然也有规范和法规来规定它的强度和安全，但由于其功能的特殊性即向游客提供高端服务，规范无法约束其结构造型。

当前的经济危机及随之而来的常规主流船舶的需求萎缩和海洋工业市场的低迷，使人们的目光转向邮轮制造市场。不同于传统造船海工市场，得益于亚洲尤其是中国的快速发展，邮轮制造市场一片火热。原因在于邮轮不仅是高附加值船舶，同样也是全球造船市场唯一供不应求的产品。2016年全球邮轮市场规模达到2470万人次，预计到2020年将达到3000万人次。而中国邮轮游从2006年的不足十万人次发展到2017年的497万人次，十年增长了五十倍，中国已成为世界第二大邮轮出游国。2016 年 9 月 23 日，上海外高桥造船有限公司与中船集团、中投公司、美国嘉年华集团和意大利芬坎蒂尼集团等公司签署了2 2 艘 13.35万吨 Vista 级豪华邮轮建造意向书，国产豪华邮轮步入了启动阶段。2018年11月6日，中船集团与嘉年华集团、芬坎蒂尼集团签订 2 4 艘大型邮轮建造合同，正式宣告我国建造豪华邮轮尘埃落定

1.2 研究意义

与常规船型不同的是，大型豪华邮轮不仅是运送游客的旅游运输工具，还是人们休闲游乐的地方。因此大型豪华邮轮的上层建筑有以下特点：（1）上层建筑按功能分隔，公共娱乐场所室内宽敞且很少设置支柱；（2）居住舱室甲板下结构为高腹板结构，腹板上开风道孔、电缆通道孔和管子穿越孔；（3）结构强度要求高，直接计算工作量大。

豪华游轮的特征决定了它在舒适性方面的要求比传统的客船要求要严格对于一般邮轮，乘客舱的噪声不得超过以下标准：乘客公共活动空间 60 dB，标准客舱 55 dB，旅客套间 50 dB。乘客舱室的振动级别不得超过以下标准：在频率小于 5 Hz 时，振动的加速度不得大于 126 mm/s2；在频率不小于 5 Hz 时，振动的速度不得大于 4 mm/s。然而，现代大型邮轮客舱的噪声更是要求达到 45 dB～49 dB，乘客舱室的振动速度不超过 2.5 mm/s（频率在 5 Hz～100 Hz）。邮轮作为一个极其复杂的超级海上结构物，被誉为“移动的海上建筑”。其技术之复杂、设计建造要求之高，以及风险挑战之多不亚于航母。其上层建筑的安全性、舒适性、环保性必须保证完美无瑕，必须具有良好的工作性能和足够的结构强度，因此需要对其结构进行优化设计。所谓的结构优化设计，其实质是要寻找更加合理的结构形式以及与之相适应的构件的尺寸，使得船体结构可以满足材料强度要求、刚度要求、以及船舶稳定性及频率等条件下同时又具有较好的力学性能、工艺性能、经济性能及使用性能。而随着船舶结构计算领域里的结构计算方法不断发展，有限元理论在船舶结构计算领域得到广泛应用，计算机辅助有限元分析方法的飞速发展，使得船舶在各种工况下的计算载荷可以得到更加全面的考虑。从结构的角度来看，振动可以在全局和局部水平上进行评估。众所周知的是在第一种情况下，施工后几乎不可能采取任何纠正措施，因此在设计阶段进行详细的分析是必不可少的。虽然基于集中质量变截面梁的简化方法仍然是计算船体第一阶固有频率的一个有价值的工具，但大开口的存在，如尾部和侧车库门，使船体的动态行为变得相当复杂。在这种情况下，只有对整个结构进行有限元建模才能获得可靠的结果。事实上，船体的固有频率很低，而且通常离激励力的固有频率很远。就局部振动而言，最关键的区域由甲板、舱壁和上层建筑组成。共振的危险存在于以主发动机、发电机、主螺旋桨和船首推进器为代表的四种主要振动源。在大多数情况下，船体振动不会产生有害的影响，然而在船舶营运转速范围内上层建筑受外界激励可能发生共振；或者是虽然不共振，但由于激励过大或结构刚度较弱而造成剧烈的上层建筑的局部振动都会引起船员和旅客的不适，导致工作效率降低，船上的机械设备、仪器仪表等不能正常工作，结构的疲劳损伤加速等危害。近年来船舶结构振动问题越来越得到船舶科研、设计、建造和航运部门的重视，较正确地预报上层建筑结构的频率，并在设计过程中加以有效的控制对于船舶的可靠性设计和重要设备的安装具有重要意义。针对上层建筑的振动问题，目前有两种计算方法。第一种方法是经验公式法，国内外以往在这一方面进行过很多研究，得到的是由上层建筑基本尺度描述的固有频率的近似公式，由于考虑因素有限，该方法是存在明显局限的。第二种方法就是有限元法。近年来计算机技术和有限元计算程序获得迅猛发展，可以建立复杂的更接近于实际情况的3D有限元计算模型来研究上层建筑的振动，能够得出更加符合实际情况的计算结果。

1.3 国内外研究现状

在上世纪六十年代国外就开始了对船舶结构的优化设计，在经历了一个多世纪的发展，主要分为以下几种方法：

1）经典优化设计的数学规划方法

在1960年，L.A.Schmit 首先提出了结构优化设计的数学规划方法，它的实质是将给定条件下的结构尺寸优化设计问题转化成为所构建的目标函数如何取得极值的数学问题，这一方法很快得到了普及。并且在 1966 年，D.Kavlie 和 J.Moe等成功将数学规划方法应用于船舶结构设计，自此船舶结构优化设计进入一个新时代。而国内的结构设计起步较晚，于上世纪七十年代后期才正式起步，但发展速度较快，已导出水面船舶及潜艇各基本结构如中剖面、板架、框架、圆柱形耐压壳等的优化设计方法并进行了应用