S/Y DREAM SYMPHONY的结构设计：史上最大的木制船

1. Shimell, 来自SP-High Modulus, 英国

T. Tison, 来自SP-High Modulus, 英国

H.P. ten Have, 来自Dykstra Naval Architects, 荷兰

摘要

Dream Symphony项目是一艘融合了古典风格与现代设计的4桅支索帆帆船。长度为141米（463英尺），她不仅是至今建造过的最大的私人游艇，而且也是一艘全由胶合木（GLT）建造的船，包含一些符合材料和钢。由Dream Ship Victory Yacht的Valeriy Stepanenko 先生所发起，由Ken Freivokh Design和Dykstra Naval Architects共同设计，由SP High Modulus提供结构分析上的支持。这艘游艇正在土耳其的博兹布伦DSV船厂建造。

使用层和木材料作为这一尺寸的游艇的主要建筑材料的要求提出了一些挑战。然而，第一个目标是确保结构布置提供足够的强度和刚度，以承受由水动力和装配压力。由于这个项目的独特性，大多数的计算是使用第一原则完成的。和RINA一起定义了具体的要求，其中一些是基于非海洋法规。还进行了广泛的材料测试程序，以确定材料的设计性能，并考虑到非常具体的性质和变化的木材。在Dykstra Naval Architects使用二维方法进行了初步的设计之后，SP-High Modulus按照合同进行了全船的有限元分析。

通过提出设计方法，复合木结构的具体方面和有限元分析的关键结果。本文将说明现代化的设计方法和工具可以应用到设计这样一个独特的游艇。

目录

摘要 1

1.项目大致信息 3

1.1项目背景 3

1.2大型木船：简史 4

1.3木质胶合板的环境影响 4

2.材料的性能 4

2.1结构使用木材的具体方面 4

2.2 实验材料测试 5

2.3 木材的性能特点 5

2.4木制胶合板 5

3.总体结构设计 7

3.1主要部件设计 7

3.2设计载荷 8

3.3储备因子 8

4.二维纵向强度分析 8

4.1弯曲应力分析 8

4.2弯曲变形分析 9

4.3初步纵向强度结果 10

5.有限元分析 11

5.1介绍 11

5.2整体分析介绍 11

5.3难点 11

5.4 载荷和约束 13

5.5船体外壳结构分析 13

6.结果和讨论 14

1.项目大致信息

1.1项目背景

2007年中期，Dykstra（戴克斯特）海军建筑师公司被DSV船长取代去设计64.5米的MSV项目。DSV船长带着其对传统海船的热情开始了以木材为建筑材料的设计，DSV公司是在2005年由Veleriy Stepanenko先生所创立。MSV项目是当时在博兹布伦（土耳其西南部）所有船厂在建三体船中最大的一艘。当DNA公司参与这个项目的时候，船体已经接近竣工，设计工作进行到了航行平面图和甲板平面图以及为满足意大利船级社要求进行的长度和强度的计算。

2010年，Stepanenko先生带着一个为了破纪录项目的想法再一次找到DNA公司，建造世界上最大的帆船游艇，通式也是史上建造过最大的木船。在和Ken Freivokh的合作设计下，船体的初步设计完成了并得到了船东的认可。

图1： Dream Symphony的航行方案

最终设计包括4面挂在桅杆上的支索帆的帆船，有着时髦并具现代化的船体型线，以及单层的上层建筑。下面是船的主要尺度：

表1:主要尺度

这篇论文概述了设计中考虑的因素和游艇建筑布局的确定步骤。在写下这篇论文的时候设计过程仍然是在进展过程中。所有提及的结果和价值应该被视为初步性且仅供参考的。

1.2大型木船：简史

据记载在19世纪末，20世纪初时世界上最大的木船建造完工。用于贸易和海军用途，6艘超过100米的船被建造出来。然而，实践证明这些船的尺寸对实际操作而言做的太大了。它们要么因为结构失效而沉没要么由于其有限的适航性而报废。

造成这些问题的主要原因在于这些船只传统的甲板铺板建造方法。随着它们尺寸的增加，其板厚也随之增加。然而，受销钉连接的限制，在接头和连接处的应力变得非常高。这导致了木材出现裂缝，并传导至板与板间的连接处和外壳的裂缝。导致很大的变形和最终的结构失效。

为了提高纵向和扭转刚度，使用了常用的钢结构加固结构。这种方法中一个很好的案例是1987年建造的103米的USS Pretoria号。其装有钢制的龙骨板，斜撑和交叉支撑。但即使加上了这些加强措施，刚度的影响也一直没有完全解决。

1.3木质胶合板的环境影响

尤其是在近代历史中，硬木的使用一直饱受争议。在本质上，木材可以被视为一种可再生和可持续的建筑材料，因其生长和收获的控制方式。在致力于这个项目之前，DNA代表DSV委托荷兰技术研究所TNO进行环境影响的分析来使结构影响和DSV项目是使用期合格。

为了提供一个参考框架，本研究为木材，钢，玻璃纤维环氧树脂（GRE）和铝壳。为了看木材的具体影响，生产阶段的影响分析了多类型的木材（软木，硬木）和收获方法（人工林、生产林、热带雨林）。生产林的硬木显示和铝制游艇有着很大的影响。在此研究的基础上，DSV公司将完全使用生产林认证的绿柄桑木。

2.材料的性能

2.1结构使用木材的具体方面

虽然MSV项目在木制游艇领域提供了宝贵的经验，但是这个项目的结构计算主要是用意大利船级社在木制游艇指南上的主尺度确定公式所确定的。由于DS项目的规模导致其无法使用这些公式，被意大利船级社所认同的一项正确的方法。这便需要一种特殊的方法来处理一些木材的关键问题。

·木材是各向异性的，这意味着它有（显着）的不同性质的晶粒方向

·木材具有不同的拉伸强度和抗压强度和抗弯强度

·木材的强度可以根据水分含量，内部缺陷和密度显示所提供的材料内的大的变化

·负载持续时间：注意要限制木材持续负荷量的数量，因为材料的强度会随着时间减少

在这些方面的量化专用类指引的情况下，采用en-338标准。EN标准在土木工程中普遍使用，而木材则在土木工程最常作为一种建筑材料。EN-388规则是基于强度等级系统，木材在其中被分配到一个基于其弯曲强度，密度和弹性模量的具体等级。所有其他的机械性能，然后可以作为这些属性的函数。由于公式是基于非常大量的强度试验，所以这减少了需要进行测试项目的数量。

2.2 实验材料测试

为了研究从船长获得的绿柄桑木的强度，在意大利西西里岛上，荷兰TNO和墨西哥大学已经进行了一大套材料测试实验。这些测试的主要目标是确定强度和刚度性能在EN强度等级的公式上的进一步应用，并研究固体木材的强度和胶合层压木材之间的关系。因此实验的样本包括实木，单向和多向层压板层压木。样本在歪曲和拉伸载荷下进行了测试，并记录了拉伸/歪曲强度和弹性/剪切模量的值。实验还在木材负载时所显示的应变曲线上有更多的了解。

由于树脂和胶粘剂的强度和应用性能对成品的强度也非常重要，这些产品也受到实验室的测试。根据EN准则间的强度和允许的装配时间，层间剪切强度和允许的装配时间需要由树脂供应商 Duratek 在RINA的监督下进行测试。

2.3 木材的性能特点

由于木材的性能可以显示较大的变化。EN规则要求要求的材料性能导致强度实验结果需要按“特征值”修正。这个过程包括以下步骤：

·计算值：这个值代表5%在一组100个样品第五个最弱的样本

·对测试样本的尺寸按照标准化的样本尺寸进行校正

·对测试样本量进行校正，以顾及统计变化。在这些修正后，该特性可用于EN338标准列出的公式以计算特征值的非测试属性。（剪切，压缩等）

2.4木制胶合板

相对于实木、木制胶合板提供了一些关键的优势

·木材可以被定为在层压板上以配合该处的负载方向，通过最佳的方式发挥木材的强度。

·大量的薄层降低了木材中任何缺陷的风险和影响。这通常被称为色散效应。

·胶合板间的叠缝影响不太重要，因为周围的叠层将加强局部削弱层。

木制胶合板的强度相比实木的图表说明如下。当测试一系列相同截面样本时，木制胶合板相比于实木有相同的极限强度。然而，较高强度的样本占总样本比例会更大一些，因为这一现象，通常被称为分层效果，EN储备因素应用到木制胶合板时会略低于实木结构。

图2：实木复合板的性能

使用单层板的强度和刚度特性时，必须强化多方位的综合性能。这些特性，作为一种负载和纹理之间的角度功能，是在使用被称作Hankinson公式时被发现的。

强度特性： （公式1）

刚度特性： （公式2）

可以看出，强度和刚度的量随着负载和纹理角度的增加下降的很快。最后一步是将所得到的特性应用到每个单独的层以确定使用经典层合板理论的木制胶合板的综合性能。为此，每层的最大应变是通过将拉伸和压缩的强度通过弹性模量分开来计算得出的。

（公式3）

然后，该叠层的等效弹性模量（ES）是由单层板的层面积弹性模量加权平均计算得出。

（公式4）

由于层压板的强度受限于层间最小允许应力，所以层压板强度最小值等于等效弹性模量的乘机。

（公式5）

最终设计值如下：

层和木特性：

特征值：

层和木特性(纵向)：

表2：设计特点

3.总体结构设计

利用胶合板的纵向弯矩和需要的储备量等特性，设计总体结构尺寸时首先要估计总计结构的应力和变形。

3.1主要部件设计

·结构尺寸的设计是从部件框架开始的。这一阶段的主要考虑如下：

在部分外层结构设置连续结构（主甲板铺板和甲板横梁，龙骨）使其承受纵向弯矩。由于拉伸和压缩在这些部位是主要的应力形式，因此其的结构形式是纵骨架式。

·设计外壳来创造足够的截面面积以满足足够的纵向刚度。由于外壳也将受到剪切和扭转力，约50%的厚度是由叠层运行在45和45度方向的纵向轴线。为了承受更高的水压和水动力，壳体下部的厚度约为上部的1.6倍。

·为了避免结构连接处的应力集中，大圆角的轴板应设置在主甲板，下甲板和底甲板的龙骨和框架的底部。

·为了保护实木层压板，在其上使用厚约8毫米的玻璃纤维覆盖层。

3.2设计载荷

为了量化纵向弯矩，接下来应计算设计载荷。

·基于初步的重量研究和浮力分布，计算静水弯矩。

·使用RINA规则计算规则波浪中的弯矩。

·模拟和设计波浪弯矩，并通过浮力分布的实际波形进行计算。在这种情况下，波长等效于已知水线长，波高通过使用RINA规则中的游艇规则中的公式进行计算。得出结果为该波长为141米，波高为6.3m。

·几种操作航行条件的操纵荷载，使用的内部开发的方法计算，用于确定操纵负载。

3.3储备因子

考虑到负载持续时间的影响，使用EN Eurocode 5规则。该规则根据负载的时序时间类型给出了一个储备因子，因此，许多工况进行了界定，包括上面提到的设计荷载。

4.二维纵向强度分析

4.1弯曲应力分析

为了实现对主机尺寸的第一次检查，二维方法研究在纵向结构的弯曲应力。由于壳体内的45/55度层叠板，船体外壳和甲板板的力学性能与纵向构件（龙骨，纵桁，横梁）不同。考虑到这一点，这两种类型的结构的横截面的性

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