水面艦艇在高海況航行時(shí)的安全性分析

蔣　頡，傅江妍，韓正君

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108)

水面艦艇在高海況航行時(shí)的安全性分析

蔣頡，傅江妍，韓正君

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108)

摘要：隨著海軍使命任務(wù)拓展，執(zhí)行遠(yuǎn)洋任務(wù)越來(lái)越頻繁，海域越來(lái)越廣，時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，遭遇各種高海況的幾率越來(lái)越高，高海況對(duì)執(zhí)行任務(wù)造成一定影響。本文對(duì)影響水面艦艇高海況航行安全性的幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)分析，通過(guò)與國(guó)外軍規(guī)或民船規(guī)范的比較，了解我國(guó)水面艦艇高海況航行時(shí)安全性設(shè)計(jì)所處的水平，提高船員使用信心，為指揮者和艦員提供參考。同時(shí)為保障艦艇在高海況下具有良好性能，從設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，提出高海況下裝載及使用原則。

關(guān)鍵詞：水面艦艇；高海況；安全性

0引言

隨著海軍使命任務(wù)拓展，執(zhí)行遠(yuǎn)洋任務(wù)越來(lái)越頻繁，海域越來(lái)越寬廣，時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，遭遇各種高海況(5級(jí)以上)的幾率越來(lái)越高，惡劣的海況及船體在海浪中的運(yùn)動(dòng)幅度可能對(duì)艦員造成嚴(yán)重心理影響，從而影響正常執(zhí)行任務(wù)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水面艦艇安全性的研究多集中于某一方面[1-4]，如耐波性、不沉性、保障和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，還沒(méi)有對(duì)水面艦艇在高海況航行的安全性問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)分析，而且國(guó)內(nèi)外的研究成果專業(yè)性較強(qiáng)，與實(shí)船存在差異，不易被使用者理解。針對(duì)這種情況，本文從水面艦艇設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，綜合使用者需求和理論研究成果，總結(jié)了影響水面艦艇高海況航行安全性的幾個(gè)主要方面，如浮態(tài)和重量重心、穩(wěn)性、耐波性和船體結(jié)構(gòu)等。通過(guò)與國(guó)外軍規(guī)或民船規(guī)范的比較，了解到我國(guó)水面艦艇安全性設(shè)計(jì)所處的水平，提高船員使用信心，為指揮者和艦員提供參考。

1艦艇總體性能設(shè)計(jì)

1.1　浮態(tài)及重量分布

良好的浮態(tài)是保證其他性能的基礎(chǔ)，如穩(wěn)性、不沉性和耐波性等，浮態(tài)不好將導(dǎo)致其他性能進(jìn)一步惡化。為確保艦船能在高海況中安全航行，艦艇必須具備良好浮態(tài)。水面艦艇設(shè)計(jì)一般從2個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)總布置的優(yōu)化調(diào)整，控制重量重心位置，使艦艇具有良好的浮態(tài)；二是建造過(guò)程及服役后臨時(shí)搭載人員或貨物引起浮態(tài)變化，可以通過(guò)調(diào)整液體裝載來(lái)調(diào)整浮態(tài)。使得艦艇浮態(tài)控制在橫傾小于0.5°、無(wú)首傾、尾傾小于0.4%設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)的范圍內(nèi)，以滿足《艦船通用規(guī)范》的要求[5]。

艦艇重量分布不均勻可能導(dǎo)致艦艇固有頻率與主機(jī)、螺旋槳工作時(shí)的巡航工況、最高工況頻率共振而產(chǎn)生的總振動(dòng)(水平振動(dòng)、垂直振動(dòng))問(wèn)題，甚至影響到艦艇總縱強(qiáng)度，破壞強(qiáng)力甲板。水面艦艇設(shè)計(jì)過(guò)程中，需統(tǒng)計(jì)20站的重量分布情況，使艦艇重量分布沿船長(zhǎng)方向呈正態(tài)分布，如圖1所示。

圖1　典型水面艦艇20站的重量分布Fig.1　Distribution of weight along 20 stations of a typical　naval ship

1.2　穩(wěn)性

船舶穩(wěn)性是指在外力作用下，發(fā)生傾斜而不致傾覆的能力，當(dāng)外力的作用消失后，它仍能回復(fù)到原來(lái)平衡位置的能力。

針對(duì)大風(fēng)浪環(huán)境，穩(wěn)性主要從2個(gè)方面采取措施：一是嚴(yán)格控制重量、重心，使艦艇具有合理的初穩(wěn)性高及較大的抗風(fēng)能力；二是控制上層建筑大小，減少受風(fēng)面積。

針對(duì)靜穩(wěn)性，美國(guó)海軍標(biāo)準(zhǔn)US Navy standard (US Navy′s DDS 079-1) 中要求標(biāo)準(zhǔn)排水量初穩(wěn)性高為不小于0.65 m。我國(guó)《艦船通用規(guī)范》規(guī)定正常排水量大于2 500 t的船舶標(biāo)準(zhǔn)排水量初穩(wěn)性高為不小于0.75 m，穩(wěn)性消失角不小于80°。CCS民船規(guī)范只要求大于0.15 m，穩(wěn)性消失角不小于55°[6]。

圖2　典型水面艦艇的靜動(dòng)穩(wěn)性曲線Fig.2　Curves of static and dynamic stability of a typical　naval ship

針對(duì)動(dòng)穩(wěn)性，主要考慮陣風(fēng)作用，外力矩一般隨橫傾角φ變化，而且多半是隨著φ的增加而減少。德國(guó)勞氏水面艦艇規(guī)范(2004版)校核如圖3所示[7]。

圖3　校核力臂曲線Fig.3　Collating curves of lever of form stability

圖3中：h為靜穩(wěn)性力臂；k為風(fēng)傾力臂；φ為橫傾角；φref=2·φstat+5[°]。

要求：φstat≤15°時(shí)，φref=35°處hrem≥0.1m；φstat>15°時(shí)，φref處hrem≥0.01·(φstat-5°)[m]。

美國(guó)相關(guān)規(guī)范假定風(fēng)傾力矩隨cos2φ變化，我國(guó)和日本規(guī)范則取為不隨φ而變的定值，這樣可使計(jì)算、作圖簡(jiǎn)便，且是偏安全的一種設(shè)計(jì)方法。

歐美海軍是傳統(tǒng)海軍強(qiáng)國(guó)，而美國(guó)海軍更是唯一的全球海軍，其海軍水面艦艇還沒(méi)有因高海況航行使船體本身出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致事故的報(bào)道。我國(guó)海軍通過(guò)多年使用，積累了大量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證現(xiàn)有規(guī)范體系能夠確保使用安全。

1.3　耐波性

船舶耐波性是指船舶在波浪擾動(dòng)下，產(chǎn)生的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)及各種出水、抨擊、甲板上浪、失速等耐波性事件，仍能維持一定航速航行的性能。

船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)，首先要了解波浪的分級(jí)。

我國(guó)規(guī)范中對(duì)海況的分級(jí)，海況和波高、平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)值如表1所示[8]。

表1　海況的分級(jí)

表1中，波高為北半球大洋海浪的年平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，三一平均波幅是把測(cè)得的波幅(如2000個(gè)波高)按大小依次排列，取最大1/3的平均值。風(fēng)速高程海平面上10 m，時(shí)距為10 min的平均值，陣風(fēng)一般約為平均風(fēng)速1.5～1.6倍。

日本氣象廳采用的波高與我國(guó)完全一樣。

美國(guó)水文局浪浪級(jí)如表2所示。

表2　美國(guó)風(fēng)浪的分級(jí)

在船型設(shè)計(jì)過(guò)程中耐波性經(jīng)過(guò)多輪的理論計(jì)算和模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，主要包括船體基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在短峰海浪中的垂蕩、橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩和首搖的運(yùn)動(dòng)位移有義單幅值；全艦重要部位處運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括短峰海浪中3個(gè)方向的位移、速度和加速度；與相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的耐波性事件，包括首部0站甲板上浪、聲吶罩出水、艦船底部砰擊、螺旋槳飛車(1/3直徑出水)等。

理論預(yù)報(bào)采用STF切片理論三維仿真計(jì)算，先求出艦船在規(guī)則波中以一定的速度按不同浪向航行時(shí)5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)(橫搖、縱搖、垂蕩、橫蕩和首搖)響應(yīng)，縱蕩運(yùn)動(dòng)單獨(dú)處理；求出剖面的流體動(dòng)力系數(shù)(附加質(zhì)量和阻尼系數(shù))、擾動(dòng)力和力矩；應(yīng)用線性疊加(其中橫搖運(yùn)動(dòng)采用非線性疊代)原理和雷利分布，求取在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。

世界各國(guó)使用的船舶耐波性預(yù)估方法的理論基礎(chǔ)是相同的，如果預(yù)估中使用的海況一樣，可能會(huì)因?yàn)橛?jì)算者的經(jīng)驗(yàn)及修正方法不同，耐波性預(yù)估的結(jié)果略有偏差。

我國(guó)水面艦艇通常還將進(jìn)行實(shí)船高海況適航性專項(xiàng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了水面艦艇在高海況中航行的安全性。

1.4　不沉性

當(dāng)船體破損、上浪或從水密門、蓋和閥進(jìn)入海水時(shí)，船舶仍能保持一定的浮性和穩(wěn)性而不致沉沒(méi)或傾覆的能力。

按《艦船通用規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定：正常排水量2 500 t以上的水面艦艇，任意相鄰三艙(其長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)度的20%，否則應(yīng)在該隔艙組的一端加一個(gè)較小的相鄰隔艙，并使其總長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)度的20%)破損浸水后艦仍能保持漂浮，距1甲板的最小干舷高度均大于0.60 m，尾部艙組破損浸水后的最小干舷高應(yīng)不小于0.1 m。

一般的輔助艦船和民用船舶比艦艇要求略微寬松。如只要求正常排水量小于6 000 t的補(bǔ)給船滿足一艙破損不沉，正常排水量大于等于3 000 t的打撈救生船、電子偵察船、測(cè)量船、訓(xùn)練船滿足任意相鄰兩艙破損不沉(對(duì)稱或不對(duì)稱)；干舷、初穩(wěn)性高、靜橫傾角等衡準(zhǔn)要求也做了適度的降低。民用船舶為了經(jīng)濟(jì)性更好，采用概率法計(jì)算破艙穩(wěn)性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范研究[9]表明確定法計(jì)算破損穩(wěn)性比概率法計(jì)算的結(jié)果更安全，而《艦船通用規(guī)范》中要求比民規(guī)中確定法計(jì)算破損穩(wěn)性更嚴(yán)格。

2艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　結(jié)構(gòu)高海況下強(qiáng)度設(shè)計(jì)

船體結(jié)構(gòu)是水面艦艇抗御敵方攻擊和破壞的防護(hù)體，也是艦員工作、生活和訓(xùn)練的海上移動(dòng)平臺(tái)。為了保證海軍艦船的高生命力和戰(zhàn)斗力，船體結(jié)構(gòu)從在設(shè)計(jì)之初就從材料選擇、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、連接節(jié)點(diǎn)、焊接材料的選型等多方面開(kāi)展大量的研究和試驗(yàn)，以保證艦船整體結(jié)構(gòu)在服役周期內(nèi)具有足夠的安全性和足夠的強(qiáng)度裕度。

按《艦船通用規(guī)范》有關(guān)總縱強(qiáng)度及局部強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)。當(dāng)艦艇航行區(qū)域受限制時(shí)，要求按規(guī)范求得的諧振波高不超過(guò)其限制航區(qū)的最大波高；當(dāng)超過(guò)時(shí)，則取限制航區(qū)的最大波高作為諧振波高設(shè)計(jì)波浪載荷進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核和極限強(qiáng)度校核。艦船結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度無(wú)論在中拱和中垂，都必須滿足下列要求：

(1)

(2)

圖4　艦艇中垂和中拱示意圖Fig.4　Sketch map of hogging and sagging of a naval ship

并要求艦體最大撓度Vmax

水面艦艇的船體結(jié)構(gòu)形式一般設(shè)計(jì)為軍艦特有的縱、橫骨架交錯(cuò)形式，即在各層甲板、外板上均布置了大量的縱骨、橫梁、縱桁等強(qiáng)力結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度都更好，即使船體甲板或外板在特殊情況下有局部的破損，艦船密集的骨架系統(tǒng)也能保證艦船不會(huì)斷裂。而民船從經(jīng)濟(jì)性、重量控制等因素考慮一般多采用橫骨架式。

2.2　高海況下的結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題

水面艦艇長(zhǎng)期在海上航行和作業(yè)，船體結(jié)構(gòu)一直受到波浪力及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各種慣性力的作用。而波浪力和慣性力是不斷變化的動(dòng)載荷，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力，這種交變應(yīng)力周期性的累積效應(yīng)將造成結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。大量的實(shí)船航行實(shí)踐表明，船舶典型節(jié)點(diǎn)部位的疲勞強(qiáng)度不足是船舶結(jié)構(gòu)破損的一個(gè)重要原因。

水面艦艇的疲勞載荷主要包括：波浪附加彎矩、砰擊振動(dòng)彎矩和波浪砰擊壓力。

關(guān)于船體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在高海況下的疲勞問(wèn)題，可以通過(guò)研究材料和典型節(jié)點(diǎn)的S-N曲線，了解結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題。

1)疲勞問(wèn)題與材料的S-N曲線有關(guān)密切的關(guān)系，S-N曲線代表船體能承受的疲勞彎曲次數(shù)。

圖5　材料疲勞S-N曲線Fig.5　Fatigue S-N curve of certain material

圖中：σ-1為對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限；σ為循環(huán)應(yīng)力；Nf為循環(huán)次數(shù)。

疲勞載荷所對(duì)應(yīng)的超越概率水平取10-8，相應(yīng)的船舶設(shè)計(jì)壽命為20年左右，船舶設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的應(yīng)力范圍循環(huán)總次數(shù)為107。

2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度對(duì)疲勞的影響規(guī)律，疲勞與材料的極限強(qiáng)度成直線關(guān)系，即材料極限強(qiáng)度增加，疲勞極限也能相應(yīng)提高。水面艦艇選用的結(jié)構(gòu)材料的極限強(qiáng)度大于實(shí)際規(guī)范計(jì)算最大值σ， 應(yīng)力幅值還處于材料的疲勞安全區(qū)。同時(shí)，使船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞問(wèn)題的激勵(lì)源――波浪動(dòng)載荷，所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值絕大多數(shù)情況下均小于規(guī)范計(jì)算最大值σ， 所以結(jié)構(gòu)能承受的疲勞Nf循環(huán)次數(shù)一般大于1 000萬(wàn)次，理論上可認(rèn)為船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生疲勞問(wèn)題。

3高海況裝載及使用建議

3.1　裝載量和布置要求

出航前，仔細(xì)檢查艦艇裝載量，掌握艦艇浮態(tài)。

裝載主要是指水面艦艇的燃油、滑油、淡水、彈藥、食品、備品備件以及個(gè)人行李等。

應(yīng)嚴(yán)格控制艦船出航狀態(tài)的總裝載量，且應(yīng)注意裝載的物資應(yīng)貯藏在盡可能低的區(qū)域，特別是針對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)以外的物資不應(yīng)貯藏在主甲板及以上區(qū)域，且所有物資前后、左右均衡布置，保證艦船具有良好的浮態(tài)。

遠(yuǎn)航過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持對(duì)可移動(dòng)的裝載進(jìn)行全面的巡檢制度，對(duì)機(jī)械設(shè)備和裝載進(jìn)行必要檢查、加固。

3.2　使用消耗與調(diào)整

1)油水艙

為減少艦上液體艙自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響，液體艙的使用應(yīng)該是1個(gè)中艙或者1對(duì)邊艙全部用完后，再使用其他艙。結(jié)合浮態(tài)的調(diào)整，應(yīng)先使用自由液面影響大的液體艙。

全艦油艙使用的次序原則上先使用機(jī)艙段雙層底內(nèi)的日用燃油艙，再將首尾部的燃油及時(shí)補(bǔ)充至雙層底日用燃油艙。

在油水艙使用過(guò)程中應(yīng)關(guān)注艦的浮態(tài)，必要時(shí)可調(diào)撥油水滿足浮態(tài)要求。

2)干貨

物資的消耗應(yīng)先使用布置在主甲板以上的，以控制使用過(guò)程中全艦船的重心位置。

3.3　補(bǔ)給

為確保艦船具有良好的穩(wěn)性，應(yīng)在油水、供應(yīng)品、彈藥消耗1/3后及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)給，美國(guó)海軍設(shè)計(jì)手冊(cè)認(rèn)為以上物資消耗1/3時(shí)是最佳作戰(zhàn)狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

本文分別從浮態(tài)和重量重心、穩(wěn)性、耐波性、不沉性、船體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)疲勞性幾個(gè)方面影響水面艦艇高海況航行安全性的方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析總結(jié)，通過(guò)與國(guó)外軍規(guī)或民船規(guī)范的比較，了解到我國(guó)水面艦艇安全性設(shè)計(jì)所處的水平，提高船員使用信心，為指揮者和艦員提供參考。同時(shí)為保障艦艇在高海況下具有良好的能力，從水面艦艇設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，提出了高海況下裝載及使用建議。

通過(guò)與使用者交流，發(fā)現(xiàn)使用者較為關(guān)注水面艦艇在風(fēng)浪流中實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，而水面艦艇提供給部隊(duì)的完工文件主要是靜水力數(shù)據(jù)，基本沒(méi)有考慮風(fēng)浪作用的水面艦艇運(yùn)動(dòng)。這方面的研究將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Research on the security of naval ships in severe sea conditions

JIANG Jie，F(xiàn)U Jiang-yan，HAN Zheng-jun

(China Ship Development and Design Center,Shanghai 201108,China)

Abstract：Severe sea conditions make certain difference to naval operations, when ocean missions which take much longer time become more often. This article provides the ability of security design for naval ships in China to improve seamen′s confidence and be guidelines for commanders and seamen, through some aspects of influencing naval ships′ security in severe sea conditions are summarized and analyzed systemically comparing with a foreign naval ship standard and a civil ship standard. And then, principles for loading and operating of naval ships in severe sea conditions are proposed based on maintaining favorable capability.

Key words：naval ships;severe sea;security

作者簡(jiǎn)介：蔣頡(1982-)，男，工程師，研究方向?yàn)榕灤傮w設(shè)計(jì)。

收稿日期：2014-05-29； 修回日期： 2014-07-17

文章編號(hào)：1672-7649(2015)01-0006-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.002

中圖分類號(hào)：U661.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A