艦船球鼻首結構試驗研究

陳 斌 李源源 陳 煒 朱 泉

1海軍駐滬東中華集團軍事代表室，上海200129 2中國艦船研究設計中心，上海201102 3海軍駐黃埔船廠軍事代表室，廣東 廣州510715

艦船球鼻首結構試驗研究

陳 斌1李源源2陳 煒2朱 泉3

1海軍駐滬東中華集團軍事代表室，上海200129 2中國艦船研究設計中心，上海201102 3海軍駐黃埔船廠軍事代表室，廣東 廣州510715

作為船體中比較特殊的雙曲結構，艦船首部的球鼻首相關的結構試驗規范很少。為探索試驗方法，開展了一系列的實物試驗研究，通過合理實施途徑進行試驗，得到直接測試數據，并驗證設計的合理性。針對艦船球鼻首進行的3項試驗：靜態壓力試驗、拋落試驗和爆炸試驗，介紹了試驗前的準備工作、測點布置、過程和響應情況，為特殊結構的設計和試驗規范的制定打下基礎。

球鼻首；結構；試驗；靜態壓力；拋落；爆炸

1 引言

球鼻首一般位于艦船首部水線以下的位置，外型呈光滑的流線型，要求在設計和制造中保證船體雙曲線型的前提下，滿足舷外靜水壓力和聲吶的內部工作壓力，還需滿足艦船全速迎浪航行時的水動壓力和迎浪砰擊壓力。作為船體首部重要的水下結構，球鼻首及其與船體結構的連接強度應滿足艦船在各種正常狀態下結構完好無損，聲吶球鼻首還應保證在相應工作壓力作用下的密性要求［1，2］。

通常在裝艦前要進行聲學試驗和密性驗收試驗，但對于新研球鼻首，有必要進行抗迎浪砰擊、抗爆炸時沖擊的結構強度試驗，由于球鼻首為艦船上比較特殊的結構，目前無具體規范可以遵循，國內相關的試驗也不多，且多為縮比模型試驗。為探索試驗方法，取得較準確的響應數據，我們進行了1：1實體模型的密性、拋落、水下爆炸等一系列試驗［3］。

鑒于球鼻首特殊的雙曲外形，工作時受到較復雜作用力的合成載荷，球鼻首的結構設計和試驗工作就具有一定難度，我們模擬實船使用狀況，要將作用力較合理地轉化實施到模型上進行設計校核和試驗［4］。

2 靜態壓力試驗

本試驗參照設計驗收規范，加載內部靜壓力，考核球鼻首的強度和剛度，測量結構的應力狀態和變形，同時也校核了導流罩完全出水狀態時僅受內部工作壓力這一較危險工況。球鼻首正向靜置，內部密閉加壓，通過灌水加壓來檢驗結構連接和焊縫的密性，在球鼻首結構建造完整后進行，所有對外結構開口須加蓋并進行有效密封，在1個開口蓋上設置進水孔和壓力表孔各1個 （見圖1），底部設置1個泄放水塞。

圖1 靜態壓力試驗現場

為考察球鼻首典型構架特性，根據外形，在球鼻首的首部外殼上布置7個應變片測點和3個變形測量點，布置位置見圖2。

圖2 首部測點布置

試驗壓力逐步增加，在聲吶工作壓力即常壓下保持4小時，再逐步升壓到規范驗收壓力 （超壓）下。測量結果在測點7處的應變最大，換算得常壓下最大應力約80 MPa，超壓下最大應力約95 MPa；最大變形在測點b處，常壓下變形約0.12 mm，超壓下最大變形約0.60 mm。測量結果：常壓和超壓下最大應力小于結構許用應力，變形數值在允許的范圍內。

3 拋落試驗

由于靜態壓力試驗不能反映球鼻首使用過程中的真實情況，為模擬球鼻首在使用過程中首跌落而受到最不利的合成載荷——迎浪砰擊壓力與罩內工作壓力的共同作用，為此進行動態拋落試驗。參考球鼻首在外力作用下的有限元模型計算結果和相關的拋落試驗情況，試驗在球鼻首的首部外殼上布置8個應變測量點（1～8號），其中1、2、8號應變測點使用單向片，方向為沿縱向長度方向，其余測點均使用雙向片，布置位置見圖3。在A1、A2位置焊接加速度傳感器。砰擊壓力測點布置在球鼻首最底部［5］。

圖3 拋落試驗測點布置

拋落試驗在室內試驗水池內進行。球鼻首內部灌滿水，以自由落體的方式砰擊入水，試驗測量壓力、應變及加速度，考核板格、構架是否產生永久變形和破壞。由于水池深度不足以達到球鼻首拋落緩沖高度，試驗前，為防止球鼻首在試驗時與水池底部產生強烈碰撞而發生損傷，在水池底部先墊放了1層木條，再墊鋪3層汽車輪胎（底層豎放1層，上面臥放2層），輪胎之間均用鋼條與繩索捆綁牢固，鋪設木條和輪胎以起到減振作用，布置現場見圖4。

圖4 水池底部布置圖

根據試驗場地狀況，進行了3次拋落：2 m拋落2次，4 m拋落1次（高度為球鼻首底部離水面距離）。試驗結果導流罩上同一測點在幾次拋落試驗中所測得的砰擊壓力的波形脈寬和波形都存在非常大的差別，這是由于導流罩的入水狀態、水波狀態也會影響底部壓力傳感器與水的接觸砰擊狀況，從而導致差異的產生［6］。試驗應變對時間的變化規律見圖5。

圖5中應變曲線的0.14 s左右之前為球鼻首懸掛的靜止平衡狀態；0.14～0.8 s左右是空中拋落過程，拋落初期導流罩有拋落瞬時的應變波形，之后球鼻首處于穩定自由落體狀態，應變值趨于穩定；0.8～0.94 s左右為砰擊入水的下落過程，0.94 s之后為球鼻首在水中的下落過程。

試驗結果：2 m拋落時，A2的加速度達到約3 g，A1加速度約為A2的4倍；4 m拋落時A2加速度加倍，A1加速度約為A2的8倍。拋落測量的最大應力在測點6的垂向，其次在測點2的縱向和測點3的垂向。測量的最大應力約為結構許用應力的一半，接近于等同載荷作用下的有限元計算結果。試驗結束后，用預先制造的外形卡板對殼體進行了變形測量，結果表明殼體未產生明顯變形。

圖5 拋落試驗典型應變測量結果曲線

4 爆炸試驗

隨著現代武器的更新換代，水下非接觸爆炸造成的沖擊作用是艦船可能遇到的最嚴重的外力作用形式，船體抗沖擊性能得到越來越多的關注，這是關系到艦艇生命力的一項重要指標［7］。為供今后的設計參考，考核球鼻首的抗沖擊性能，進行水下爆炸試驗。

將球鼻首焊接在固定鋼板浮箱下，使其完全浸沒于水中并保持水平狀態，模擬其安裝上艦后的使用情況。試驗布置圖見圖6。在同球鼻首底部深度，距側面、首部最外側橫向距離6 m，分別引爆5 kg的炸藥包［8，9］。試驗測量加速度、應變測點布置同拋落試驗。

圖6 爆炸試驗裝置示意圖

2次爆炸測量的最大應力在測點7的橫向，分別為1.02倍和1.13倍材料屈服極限的大小。球鼻首產生了微小的塑性變形，試驗結束后，用卡板進行測量，結果表明殼體未產生明顯變形。爆炸試驗應變對時間的變化規律見圖7。

圖7 水下爆炸試驗典型應變測量結果曲線

圖中應變曲線的0.11 s左右之前為球鼻首在水中的靜止平衡狀態；0.11～0.13 s左右為水下爆炸沖擊波載荷作用于球鼻首所產生的應變峰值，之后應變值趨于穩定；0.48～0.53 s左右為2次氣泡脈動載荷作用于球鼻首所產生的應變峰值，之后應變值趨于穩定，基本上回到或稍大于沖擊波載荷作用后所產生的應變值；在0.74 s左右為3次氣泡脈動載荷作用階段，峰值很小，應變值穩定［10，11］。

5 結束語

經過球鼻首的靜態壓力、拋落和爆炸這幾項結構試驗，研究取得了難得的數據，為進一步設計優化結構提供依據。由于測試條件有限，試驗的影響因素又多，試驗數據并不是非常充分，但作為艦船結構設計的基礎研究內容，特別是模擬實艦情況進行試驗探索，為特殊結構的設計和試驗規范的制定打下基礎。

［1］ 吳榮寶，雙殼鈦合金球鼻艏結構的技術研討 ［J］.艦船工程研究，2001（1）：17-19.

［2］ 李源源，朱新進.聲吶導流罩結構設計探索 ［C］.造船工程學會年會，2005.

［3］ 陳昆淵，秦宗明，段宏.某艦球鼻首聲吶導流罩結構設計與試驗［J］.艦船工程研究，1998（2）：20-26.

［4］ 陳昆淵，秦宗明，賈宗偉.新型驅逐艦球鼻首1：1局部結構模型的試制與試驗［J］.艦船科學技術，1990（3）：1-10.

［5］ 陳震，肖熙.三維球鼻艏如水砰擊研究 ［J］.船舶工程，2007，29（4）：61-64.

［6］ 江華濤，顧永寧.高強度鋼緩沖型船艏研究 ［J］.船舶工程，2003，25（1）：12-17.

［7］ 姚熊亮.艦船結構振動沖擊與噪聲 ［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［8］ 諶勇，汪玉，沈榮瀛，等.艦船水下爆炸數值計算方法綜述［J］.船舶工程，2007，29（4）：48-52.

［9］ 張阿漫，姚熊亮，李克杰，等.艦船設備與總體安全損傷等級的對比研究 ［J］.船舶工程，2008，30（1）：69-73.

［10］ 李海濤，朱錫，段存成，等.船舶工程領域內水下爆炸氣泡的相關研究［J］.船舶工程，2008，30（4）：72-76.

［11］ 張振華，朱錫，白雪飛.水下爆炸沖擊波的數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2004，24（2）：182-188.

Ship Bulbous Bow Structure Test Research

Chen Bin1Li Yuan－yuan2Chen Wei2Zhu Quan3
1 Military Representative Office of Hudong Zhonghua Shipbuilding Group，Shanghai 200129，China 2 China Ship Development and Design Center，Shanghai 201102，China 3 Military Representative Office of Huangpu Shipyard，Guangzhou 510715，China

Bulbous bow of naval ship is an unusual structure of hull for its doubled－curved form.The related structure test regulations are very limited.To gain the experience of establishing test methods，several full－scale tests were conducted.The test procedure was carefully chosen and measuring data were obtained for verification.Three structure tests on bulbous bow of naval ships were conducted：static compressive test，heavy drop test and explosion test.The related information about the test preparation，layout of measuring sites，test procedure and response results are also presented，to make a foundation for the design of special structure and formulation of experimental regulations.

bulbous bow；structure；test；static press；drop；explosion

U663.5

A

1673－3185（2009）03－42－03

2009-02-02

陳 斌（1967－），男，工程師。研究方向：船舶監造。E-mail：binchen85111@hotmail.com

李源源（1976－），女，高級工程師。研究方向：船舶結構設計與制造。。E-mail：w701sh@mail.online.sh.cn