水面艦船破損后的安全性分析

，，

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

水面艦船被武器命中后，船體結構會發(fā)生破損?；诎踩缘脑颍枰ＷC艦船不但能夠生存下來，而且還應具有一定的戰(zhàn)斗能力。評估艦船船體在破損情況下的剩余承載能力，需要考慮艦船自身的結構特點、船體破損位置及程度、海況環(huán)境等一系列復雜的因素[1-5]。采用合適的方法分析艦船破損后在不同海浪環(huán)境下的安全狀況，可為艦船結構設計和破損后的救助工作提供參考依據(jù)。

1 破損艦船的評估條件

1.1 艦船破損狀態(tài)的確定

水面艦船被武器擊中船體結構出現(xiàn)破損后，艙室進水，其浮態(tài)會發(fā)生變化。由于船體破損的位置不同，引起艦船浮態(tài)和外載荷的變化也有差異。根據(jù)不沉性原理，按照不同裝載狀態(tài)和破損范圍下眾多不同的破艙組合，確定浮力損失最大的破損區(qū)域，找出最危險的破損狀態(tài)。根據(jù)快速性原理和破損狀態(tài)確定艦船破損后的計算航速。根據(jù)艦船遭受攻擊武器種類的不同，船體結構有多種破壞形式，考慮到破口越大，艦船損失的承載能力越多，采用最危險的橫向破口形式進行結構分析。

1.2 艦船破損后的強度衡準

我國艦船規(guī)范對船體破損后的強度校核，目前還沒有相關的規(guī)定，但是對未破損艦船要求按照極限彎矩校核總縱強度。

(1)

(2)

式中：Mu——極限彎矩；

Ms——靜水彎矩；

MW1，MW2——波浪彎矩；

MD——砰擊彎矩；

k——大于1的系數(shù)。

目前國內還沒有適用于水面艦船破損后的結構強度校核準則，本文仍采用船體等值梁方法計算艦船破損后的剩余強度。規(guī)范中規(guī)定校核極限強度時極限彎矩大于1.5倍的合成彎矩，艦船的極限強度滿足要求?？紤]艦船在破損后還應具備一定的戰(zhàn)斗力，并具有一定的航速，即船體梁還有一定的儲備能力。據(jù)此，艦船船體在破損以后，極限強度儲備系數(shù)仍取為1.5。

2 艦船破損后外載荷計算

2.1 靜水載荷

準確地分析和計算破損艦船的外載荷，是對艦船剩余強度進行合理評估的關鍵。采用傳統(tǒng)的靜置法計算艦船破損后的靜水載荷，計算過程中波形取為坦谷波。在計算船體的破損參數(shù)時，采用重力增加法，即艦船船體破損后，進入船體艙內的液體重量成為整船重量的一部分，重心位置發(fā)生變化，浮力按照船體破損后的實際吃水計算。載荷的計算與船體的破損位置相關，假定浮心和漂心的縱向位置不變。

設進入艙內的液體體積為V，則艦船增加的重量p為

p=ρV

(3)

式中：ρ——海水密度。

平均吃水增加量ΔT約為

(4)

式中：A——水線面面積。

艦船破損后新的吃水為

(5)

(6)

式中：Tf0,Ta0——艦船未破損前的艏艉吃水；

xf0,xb0——艦船的漂心和浮心距船舯的縱向距離；

R——縱穩(wěn)心半徑。

根據(jù)破損后的艏艉吃水以及邦氏曲線，可計算各橫剖面的浸水面積，對其進行積分得到艦船的浮力分布曲線b(x)。結合重量分布曲線p(x)，可得到破損艦船的靜水剪力和彎矩為

(7)

(8)

2.2 波浪載荷

2.2.1 按照規(guī)范方法計算波浪載荷

根據(jù)規(guī)范方法采用公式(9)計算破損艦船的垂向波浪彎矩和砰擊彎矩。

1)波浪彎矩Mw。

Mw=0.5h·KB·A1·A2·BL2×10-2

(9)

式中：h——計算波高；

KB——計及線型影響的系數(shù)；

A1——計及航速和靜水彎矩影響的系數(shù)；

A2——動壓力修正系數(shù)；

B——船寬；

L——船長。

2)砰擊彎矩Md。

Md=0.5h·C·B2·L×10-2

(10)

式中：C——與船型相關的系數(shù)。

2.2.2 不同海況下艦船破損后的波浪載荷

考慮艦船受損后迎浪航行。假設艦船破損后引起的浮態(tài)變化僅造成縱傾，破損后的進水以及壓載消除了橫傾。采用非線性切片理論計算艦船破損后的波浪載荷和砰擊載荷。本方法基于船波相對運動假設，對經(jīng)典的線性切片理論進行擴展，考慮船體瞬時濕表面的變化，求解艦船的波浪彎矩和砰擊彎矩。

設艦船以一恒定的航速U頂浪航行。設在沿船長方向x剖面處的垂向外力總和為f(x,t)。以靜浮狀態(tài)作為載荷零線，則各剖面處的垂向波浪誘導剪力Q(x,t)為

(11)

式中：l(x)——剖面x前方的船體部分；

m(x)——x剖面處單位長度的船體質量。

x剖面處的垂向波浪誘導彎矩M(x,t)為

(12)

2.3 極限彎矩

按照規(guī)范的方法計算艦船破損后的極限彎矩。假設需要計算極限彎矩的橫剖面位于艦船的破損區(qū)域，按照艦船破口的橫向尺寸，去掉破口范圍內的船體結構，根據(jù)該橫剖面內剩余結構確定參加總縱強度的構件。艦船的極限彎矩是指船體橫剖面內離中和軸最遠點構件中的應力達到結構材料的屈服極限(在受拉伸時)或構件的臨界應力(在受壓縮時)的總縱彎曲力矩，即

Mu=σs·Wyh或Mu=σcr·Wys

(13)

式中：σs——構件材料的屈服極限；

Wyh——中和軸最遠點的拉應力等于材料屈服極限時的船體橫剖面最小剖面模數(shù)；

σcr——距中和軸最遠點構件的臨界應力；

Wys——距中和軸最遠點構件的壓應力，等于其臨界應力時的船體橫剖面最小剖面模數(shù)。

3 數(shù)值計算結果

對某型艦船進行實例計算，艦船水線以下結構被魚雷擊中，底部結構發(fā)生破壞。選取船舯剖面作為危險剖面進行校核，橫剖面圖見圖1。選取兩種危險的破損狀態(tài)，破損信息見表1。

圖1 艦船橫剖面示意

表1 艦船底部破損信息

為了便于比較分析，將波浪載荷進行無因次化處理。彎矩為M/△gL;剪力為N/△g。

其中：△為艦船完整狀態(tài)下的排水量；L為船長；g為重力加速度。

完整艦船和破損后的靜水彎矩和剪力沿船長的分布趨勢見圖2、圖3。

圖2 靜水彎矩沿船長的分布比較

圖3 靜水剪力沿船長的分布比較

艦船破損后彎矩的分布形式與完整狀態(tài)下彎矩的分布形式相比發(fā)生了較大的變化，彎矩的最大值有向船艏移動的趨勢；破損后的剪力最大值較完整狀態(tài)的最大值有所增加。由于破損狀態(tài)1的靜水彎矩和剪力的最大值均比破損狀態(tài)2的值大，故確定破損狀態(tài)1為較危險的狀態(tài)。

在規(guī)范計算方法中，艦船的波浪載荷按兩種工況計算：工況1計算波高較高，不計及艦船所受的砰擊彎矩；工況2計算波高較低，計及艦船的砰擊彎矩。規(guī)范計算結果見圖4。

圖4 完整狀態(tài)和破損后的波浪彎矩沿船長的分布比較

艦船破損后的波浪彎矩值與完整狀態(tài)下的對應值相比大0.17%～2.83%，兩者十分接近。根據(jù)規(guī)范中波浪彎矩的計算公式可知，船舯靜水彎矩值是引起艦船破損后和完整狀態(tài)下波浪彎矩值差異的主要原因。根據(jù)圖2可知,艦船破損后和完整狀態(tài)下在船舯處的靜水彎矩最大值僅相差1.87%，故兩種狀態(tài)下的波浪彎矩值也相差不大。

采用非線性切片理論計算艦船破損后的波浪載荷和砰擊載荷。按不同海況校核破損艦船的剩余強度。計算海況為：有義波高Hs=2.5 m，波浪周期Ts=8 s(4級海況)；Hs=4 m，Ts=9 s(5級海況)；Hs=6 m，Ts=10 s(6級海況)。艦船破損后在不同海況下的波浪彎矩和砰擊彎矩沿船長的分布趨勢見圖5和圖6。可以發(fā)現(xiàn)，波浪彎矩數(shù)值與海況呈現(xiàn)非線性關系；隨著波高的增加，中垂彎矩值比中拱彎矩值增加的速度快。砰擊彎矩與波浪彎矩的數(shù)量級相同。

3.1 按照規(guī)范計算載荷校核剩余強度

艦船的剩余強度校核分兩種工況進行校核，其衡準系數(shù)和剪應力的計算結果見表2。

可以看出：波浪中的剪應力滿足許用應力的要求，船體結構不會發(fā)生剪切破壞。工況1和工況2在中垂狀態(tài)下的極限彎矩均小于1.5倍合成彎矩，此狀態(tài)下剩余強度無法滿足，艦船結構的安全性可能無法保證。

圖5 不同海況下波浪彎矩沿船長的分布比較

圖6 不同海況下砰擊彎矩沿船長的分布比較

表2 按照規(guī)范方法得到的衡準系數(shù)和剪應力計算結果 MPa

注：許用剪應力為250 MPa。

3.2 按照不同海況校核剩余強度

根據(jù)艦船在不同海況下的波浪彎矩值和砰擊彎矩值，結合極限彎矩值，校核其剩余強度，衡準系數(shù)和剪應力見表3。

表3 按照非線性切片理論得到的衡準系數(shù)和剪應力計算結果

可以看出，在6級海況以下的海浪環(huán)境中，艦船的剪切強度滿足要求。在波高2.5 m和4.0 m時艦船的剩余強度均滿足，波高6.0 m時中拱狀態(tài)時的剩余強度滿足，中垂狀態(tài)不滿足。即艦船在破損以后，在6級海況及更惡劣的海況中航行時，其剩余強度可能不滿足要求。

4 結論

1)艦船破損后，其靜水載荷、波浪載荷的數(shù)值和沿船長的分布均會發(fā)生變化，且與破損的位置和破口大小相關。

2)本文給出了艦船破損后靜水載荷和波浪載荷的計算方法，可作為工程設計的參考。

3)艦船破損后遭遇的海況直接關系到其波浪載荷的數(shù)值。建議根據(jù)設計需求，給出艦船剩余能力滿足時對應的具體海況。

4)本文給出了艦船破損后的安全性判別方法，有一定的工程應用意義。由于衡準系數(shù)的選用是基于艦船為完整狀態(tài)的假設，可能取值過高。我國應盡快建立起艦船破損后剩余強度的衡準法則，以合理判別其安全性。

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