大型水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷研究

樓偉鋒，蔣彩霞，胡嘉駿，竺一峰

(1.海軍裝備研究院，上海200235;2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫214082)

0 引 言

21世紀(jì)大型水面艦船在海上打擊力量中將扮演十分重要的角色。其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在適應(yīng)高技術(shù)條件下的海上多維聯(lián)合作戰(zhàn)，其發(fā)展特點(diǎn)將是攻防一體化、信息網(wǎng)絡(luò)化、武器精確化、特征隱身化、控制智能化，加上高效費(fèi)比的可承受性［1］。其諸多發(fā)展特點(diǎn)決定了在設(shè)計(jì)規(guī)范上必然有更多的要求。當(dāng)前我國(guó)周邊海洋權(quán)益斗爭(zhēng)日益尖銳和復(fù)雜化，特別是在東南沿海和南中國(guó)海域，中東到我國(guó)的石油運(yùn)輸路線漫長(zhǎng)且存在不穩(wěn)定因素，面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，研制、設(shè)計(jì)和制造技術(shù)先進(jìn)的大型水面艦船，作為編隊(duì)作戰(zhàn)和護(hù)航的核心，非常必要。由于軍用艦船的特殊性，對(duì)大型水面艦船的總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行研究，是設(shè)計(jì)、建造大型水面艦船的必要技術(shù)支持，可為大型水面艦船的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

目前，國(guó)際上幾個(gè)主要船級(jí)社已經(jīng)相繼出版了軍用艦船設(shè)計(jì)建造規(guī)范，如英國(guó)勞氏(LR)的“Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships”(NSR)［2］、法國(guó)船級(jí)社(BV)的“Rules for the Classification of Military Ships”(MSR)［3］、挪威船級(jí)社(DNV)的“Rules for High Speed，Light Craft and Naval Surface Craft”(HLNR)［4］，美國(guó)船級(jí)社ABS 的“Rules for the Classification of Naval Vessel(NVR)［5］。這些規(guī)范充分利用大量民船設(shè)計(jì)的成熟技術(shù)和當(dāng)今船舶設(shè)計(jì)的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想，包含了適用性、安全性、生命力、經(jīng)濟(jì)性、全壽期、環(huán)保等理念，標(biāo)志著21世紀(jì)艦船設(shè)計(jì)思想的發(fā)展方向。編制這些規(guī)范的目的:一是為北大西洋公約組織的艦船設(shè)計(jì)制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);二是為出口艦船制定適用的標(biāo)準(zhǔn)，最后使船級(jí)社能夠作為艦船設(shè)計(jì)的第三方，完成艦船審圖、監(jiān)造、維護(hù)和入級(jí)的工作。在NSR 規(guī)范中，明確提出了對(duì)軍船或特種船型須開(kāi)展波浪載荷模型試驗(yàn)，規(guī)范中給出了相應(yīng)環(huán)境參數(shù)、試驗(yàn)工況、模型試驗(yàn)方法、測(cè)量參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果表達(dá)等要求，為設(shè)計(jì)載荷的獲得提供了一條更為可靠、有效的方法。

1 環(huán)境海浪資料

對(duì)航行于海洋中的船舶而言，波浪載荷是所有船舶載荷中最重要的載荷。因此怎樣合理地計(jì)算和預(yù)報(bào)作用于船體上的各類波浪載荷，便成為船體結(jié)構(gòu)安全性分析中必須首先回答的問(wèn)題。在20世紀(jì)后期，由于新型、高速、超規(guī)范船舶結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，以及高強(qiáng)度鋼材的廣泛使用，國(guó)際上各大船級(jí)社相繼開(kāi)發(fā)了船舶結(jié)構(gòu)的直接計(jì)算法。在這些直接計(jì)算法中，各船級(jí)社都對(duì)載荷的確定給予了極大的關(guān)注，提出了所謂的第一原則，即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先合理地確定作用于船體和局部結(jié)構(gòu)上各種實(shí)際可能的動(dòng)態(tài)載荷，包括它們的最大值以及各載荷分量間的適當(dāng)組合;然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論怎樣選擇合適的內(nèi)力分析方法和建立可接受的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。波浪載荷反映到規(guī)范中，即為規(guī)范的設(shè)計(jì)載荷，雖然設(shè)計(jì)載荷有別于真實(shí)的載荷，但由于載荷確定的合理與否，是結(jié)構(gòu)安全性正確評(píng)估的前提與基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及船舶設(shè)計(jì)、建造和航行實(shí)踐的不斷積累，對(duì)設(shè)計(jì)載荷的規(guī)定自然也應(yīng)不斷地改進(jìn)和更新，使之更加合理和完善［6］。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各主要船級(jí)社所選用的海浪統(tǒng)計(jì)資料及其相應(yīng)的波浪彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)計(jì)算的方法在不斷的發(fā)展和變化中。

1)英國(guó)勞氏船級(jí)社LR。70年代選用OWS 的海浪資料;80年代以后，對(duì)OWS 中的波浪周期作了重要修正，出版了最新資料GWS，并直接選用(不作任何修正)GWS 的8，9，15 及16 四個(gè)海區(qū)的數(shù)據(jù)匯總成海浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料LR-GWS。

2)挪威船級(jí)社DNV。70年代選用Roll ＆ Walden的北大西洋海浪資料;80年代后期開(kāi)始選用GWS 的8，9 及15 三個(gè)海區(qū)資料和全球海浪資料。它采用每月的有方向性的離散圖(以避免在離散圖的邊緣存在不期望的舍入錯(cuò)誤)并根據(jù)波浪浮子的測(cè)量參數(shù)確定允許的最大波陡度，稱為DNV-GWSmod。

3)德國(guó)船級(jí)社GL。1971年以前選用Walden的北大西洋海浪資料，以后選用美國(guó)Bales 提出的北大西洋公約組織作業(yè)海區(qū)的由風(fēng)和波浪環(huán)境產(chǎn)生的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料，并對(duì)該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑和外插處理獲得最終的設(shè)計(jì)環(huán)境(NATO)。

4)意大利船級(jí)社RINA。70年代選用Walden的北大西洋海浪資料，以后采用Hogben ＆ Lumb 的OWS 資料，稱為RINA-OWS。

5)美國(guó)船級(jí)社ABS。采用Lewis 提出的H 波譜族的概念，即計(jì)入了波譜的不確定性。

6)韓國(guó)船級(jí)社KR。采用Walden 的海浪資料，稱為KR-Walden。

7)法國(guó)船級(jí)社BV。對(duì)北大西洋采用Roll 或OWS 的海浪資料，對(duì)太平洋采用日本Yamanouchi和Ogawe 的資料。最近又提出了自己的GWS(8，9，15 及16 海區(qū))的北大西洋海浪資料。

8)日本船級(jí)社NKK。采用Walden 的海浪資料。

9)印度船級(jí)社IRS。最近也提出了自己的GWS(8，9，15 及16 海區(qū))的北大西洋海浪資料。

10)中國(guó)船級(jí)社。也曾選用過(guò)Roll ＆ Walden 的海浪資料和1964年ISSC I.1 上發(fā)表并推薦的世界各大洋的海浪統(tǒng)計(jì)圖集。自加入IACS 后，開(kāi)始與各國(guó)船級(jí)社廣泛接觸，21世紀(jì)90年代后使用IACS 推薦的標(biāo)準(zhǔn)海浪統(tǒng)計(jì)資料。

運(yùn)用以上11 個(gè)海浪資料，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心對(duì)22 艘相關(guān)船舶進(jìn)行了長(zhǎng)期預(yù)報(bào)計(jì)算，通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):海浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響很大，也說(shuō)明了海浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料選擇的重要性。比較我國(guó)沿海海域CHINA-S、西北太平洋NP和西北太平洋海域中最嚴(yán)重海況的海區(qū)NW15 的計(jì)算結(jié)果，CHINA-S 與NP 的結(jié)果基本相當(dāng)，而NW15 的結(jié)果與前兩者相比略大，相差不多。大型水面艦船應(yīng)是全球全天候航行的主力戰(zhàn)斗艦，為了提高艦船的安全性建議選用北大西洋IACS-NEW 的海浪資料。也有不少學(xué)者建議應(yīng)該根據(jù)艦船實(shí)際航行的海區(qū)來(lái)建立其海浪統(tǒng)計(jì)資料，作為艦船結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。

目前，世界各國(guó)在艦船波浪載荷預(yù)報(bào)計(jì)算中普遍采用ISSC 推薦的雙參數(shù)譜和P-M 譜，因此在大型水面艦船的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則采用的波浪載荷長(zhǎng)短期預(yù)報(bào)方法我們也推薦使用ISSC 推薦的雙參數(shù)譜。本文研究的大型水面艦船是指以驅(qū)護(hù)艦為代表的常規(guī)艦船類型。

2 波浪中的失速研究

失速一般由2 種原因引起，即被動(dòng)失速和主動(dòng)失速。

被動(dòng)失速是由于受風(fēng)和波浪的擾動(dòng)，使得艦船在保持功率不變的情況下航行速度較靜水條件時(shí)減小的現(xiàn)象。如:風(fēng)對(duì)船體水線以上部分形成的附加阻力;船體在海上航行時(shí)由于縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)所引起的阻力增加;為了保持船體在風(fēng)浪中的航向，舵的過(guò)度動(dòng)作產(chǎn)生了附加阻力及低頻首尾搖引起的離心力在阻力方向的分量;波浪和風(fēng)的阻力增加使螺旋槳負(fù)荷增大，從而推進(jìn)效率降低，以及螺旋槳出水使有效槳葉面積減小和空泡、吸氣的發(fā)生引起推進(jìn)效率的降低等。

主動(dòng)失速是由于艦船在惡劣天氣中航行時(shí)，船體在波浪中產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)船底或外飄砰擊、甲板上浪、螺旋槳飛車等現(xiàn)象，迫使船長(zhǎng)人為地降低航速或改變航向，從而限制了船舶的允許航速并增加了航行時(shí)間和距離的結(jié)果。如:船底及外飄砰擊引起了船體的劇烈高頻振動(dòng)(whipping)，導(dǎo)致船上儀器、設(shè)備故障或船體結(jié)構(gòu)損壞;或發(fā)生了甲板上浪損壞船舶甲板上儀器、設(shè)備、貨物、上層建筑、艙口蓋及艙內(nèi)進(jìn)水，操縱能見(jiàn)度降低;船體劇烈運(yùn)動(dòng)引起了過(guò)大的運(yùn)動(dòng)加速度，尤其影響到客船的舒適性;螺旋槳飛車導(dǎo)致船長(zhǎng)擔(dān)心或已發(fā)生了主機(jī)與螺旋槳的損壞等。

在大多數(shù)情況下，速度減小的原因是綜合性的。例如對(duì)于常規(guī)貨船，滿載時(shí)甲板上浪是失速的主要原因，壓載時(shí)嚴(yán)重的砰擊對(duì)船體結(jié)構(gòu)是危險(xiǎn)的;對(duì)于驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等，砰擊是造成失速的首要原因。英國(guó)海軍通過(guò)對(duì)兩級(jí)護(hù)衛(wèi)艦(37 艘)艦長(zhǎng)問(wèn)卷調(diào)查得出的失速原因排序如下:砰擊;過(guò)大的船體運(yùn)動(dòng);甲板上浪。

在中低海況下，船體在風(fēng)、浪中的阻力增加是艦船被動(dòng)減速的主要原因;而在中高海情下，砰擊、上浪、過(guò)大的船體運(yùn)動(dòng)或螺旋槳出水是船長(zhǎng)決定主動(dòng)減速或改變航向的主要原因。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，研究、設(shè)計(jì)者及船東主要關(guān)心的是艦船在中高海情下的船體強(qiáng)度和安全航行問(wèn)題，因而艦船在惡劣氣候中的允許航速十分重要。

對(duì)于大型水面艦船，根據(jù)以往可參考的試驗(yàn)和理論計(jì)算已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，船體砰擊振動(dòng)在頂浪時(shí)主要由首外飄砰擊引起，大浪級(jí)下還有首底砰擊和上浪現(xiàn)象發(fā)生。因此，在大型水面艦船設(shè)計(jì)載荷的確定中，必須考慮失速的影響。同時(shí)，在極端惡劣的海況中，應(yīng)該采取頂浪航行，并以能夠保持舵效的最低航速前進(jìn)。

3 總體設(shè)計(jì)載荷

隨著波浪載荷預(yù)報(bào)方法、水池模型試驗(yàn)以及實(shí)船試驗(yàn)的內(nèi)容不斷豐富，精度不斷提高，總體載荷設(shè)計(jì)值的規(guī)定也必然要隨之不斷地發(fā)生變化，使之更加合理和完善。

3.1 設(shè)計(jì)波高

對(duì)于大型水面艦船而言，準(zhǔn)則采用以下2 種工況(極限波浪工況和巡航工況)對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系列的計(jì)算。這2 種工況的設(shè)計(jì)波高可按下式確定:

式中:L 為正常排水量時(shí)的設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)，m;h2為巡航工況計(jì)算波高，m;h1為極限波浪工況計(jì)算波高，m。

圖1 設(shè)計(jì)波高Fig.1 Design wave height

3.2 非線性計(jì)算

采用二維非線性切片理論變吃水、變船寬、變船長(zhǎng)的系列方案進(jìn)了數(shù)值計(jì)算和分析。4 個(gè)方案船中剖面的載荷非線性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同方案二維非線性計(jì)算結(jié)果Tab.1 2D nonlinear result of different model test

從表1 可看出，非線性理論計(jì)算得到的載荷中，計(jì)及了砰擊彎矩。但是砰擊成分隨著船長(zhǎng)的增加，反而有所減小。而船寬和吃水的增加均導(dǎo)致砰擊彎矩的增大。

3.3 模型試驗(yàn)

按照該設(shè)計(jì)波高，開(kāi)展了變吃水、變船寬、變船長(zhǎng)的系列波浪載荷模型試驗(yàn)，在中國(guó)艦船科學(xué)研究中心水池中完成，測(cè)量梁的布置如圖2所示。

圖2 測(cè)量梁Fig.2 Measurement beam

將模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真進(jìn)行對(duì)比分析，船中剖面垂向彎矩的傳遞函數(shù)見(jiàn)圖3。從圖中可看出，模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算的結(jié)果一致。進(jìn)一步證明了模型試驗(yàn)的可靠性和數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖3 中剖面波浪彎矩傳遞函數(shù)模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真比較Fig.3 Wave moment RAO comparison between model test and numerical calculation of mid-section

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，可以得到不同方案的模型在巡航工況下的最大載荷工況的載荷分量(見(jiàn)表2)。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，不同外飄角對(duì)波浪載荷的影響見(jiàn)表3。從表中可看出，隨著外飄角的減小，砰擊載荷也隨之減小，另外船體梁剛度的增加，也會(huì)引起砰擊載荷的減小。關(guān)于艦船外飄砰擊的影響，在NSR規(guī)范中，不僅有專門的砰擊彎矩MD計(jì)算公式，規(guī)定當(dāng)其大于波浪彎矩MW時(shí)替代MW與靜水彎矩MS合成設(shè)計(jì)彎矩。同時(shí)，在其波浪載荷計(jì)算公式中，中垂波浪彎矩中包含了計(jì)及外飄面積的系數(shù)RA。因此在大型水面艦船的設(shè)計(jì)載荷中，必須要引入有關(guān)砰擊彎矩的規(guī)定，才能更加有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表2 不同試驗(yàn)方案的載荷分量Tab.2 Load components of different model test

表3 外飄角對(duì)載荷的影響Tab.3 Affection of Flare Angle

3.4 比較分析

以方案1 為例，對(duì)模型試驗(yàn)、準(zhǔn)則計(jì)算和非線性理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析?？梢缘玫讲煌绞角蟮玫妮d荷分量如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)波規(guī)范、模型試驗(yàn)和非線性理論計(jì)算結(jié)果比較Tab.4 Comparison of rule，non-linear and model test of load

從表4 中可以看出，在極限波浪工況，按照設(shè)計(jì)波確定的規(guī)范值、模型試驗(yàn)結(jié)果及非線性理論值結(jié)果相當(dāng)。而在巡航工況，非線性理論計(jì)算的砰擊矩較小，砰擊矩/波浪矩為0.30，而模型試驗(yàn)的結(jié)果中，中垂砰擊彎矩/中垂波浪彎矩達(dá)到了1.26，按設(shè)計(jì)波準(zhǔn)則計(jì)算的中垂砰擊彎矩/中垂波浪彎矩的比值則為1.28，略大于模型試驗(yàn)結(jié)果。從而，可以發(fā)現(xiàn)該以設(shè)計(jì)波為大型水面艦船設(shè)計(jì)指導(dǎo)的方法得到了模型試驗(yàn)和理論計(jì)算的驗(yàn)證和支撐，可以較好評(píng)判大型水面艦船的總強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大型水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷的研究，結(jié)合模型試驗(yàn)、規(guī)范研究、非線性理論計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論:

1)主船體設(shè)計(jì)波浪載荷的計(jì)算中應(yīng)考慮失速的影響;

2)大型水面艦船的設(shè)計(jì)載荷確定中必須正確評(píng)估砰擊的影響;

3)大型水面艦船的垂向砰擊彎矩隨著外飄角的增大，砰擊彎矩顯著增加;

4)基于設(shè)計(jì)波的準(zhǔn)則體系可以準(zhǔn)確有效地評(píng)判大型水面艦船的強(qiáng)度，為該類艦船的設(shè)計(jì)提供有力的支撐。

［1］周元和，等.大型驅(qū)逐艦現(xiàn)狀和發(fā)展研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2003，25(4):34-36.

［2］RULES L R.Regulations for the classification of naval ships［S］.

［3］BV.Rules for the classification of military ships［S］.

［4］DNV.Rules for high speed，light craft and naval surface craft［S］.

［5］ABS.Rules for the classification of naval vessel［S］.

［6］戴仰山，沈進(jìn)威.船舶波浪載荷［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.