水面艦船研制過程中重量重心控制方法

周 巍 張維俊

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064 2海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢430064

0 引 言

為滿足執(zhí)行多樣化任務(wù)的需要，現(xiàn)代艦船搭載的裝備越來越多，現(xiàn)代驅(qū)逐艦等大型水面艦船的總體設(shè)計限值（穩(wěn)性衡準(zhǔn)值、不沉性或快速性）常被設(shè)計成接近其排水量和穩(wěn)性，以滿足能攜載更多的武器裝備和電子設(shè)備在海上高速航行的要求。而且，隨著生活保障設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，受艦船動力裝置功率的限制，為滿足快速性要求，艦船的長寬比被設(shè)計得較大，負(fù)載（作戰(zhàn)系統(tǒng)）重量與艦重量之比被設(shè)計得較高。在這種情況下，要提高艦船生命力，保障艦船的功能，設(shè)計、制造中面臨的關(guān)鍵問題之一就是要監(jiān)督和控制艦船的重量重心高度，并確保艦船留有適量的使用期裕度。

1 水面艦船的排水量及重心設(shè)計

艦船設(shè)計是為在不同的約束條件下滿足所需的作戰(zhàn)使用要求而進(jìn)行的復(fù)雜的迭代過程。艦船的排水量和穩(wěn)性是衡量艦船總體基本特性的重要指標(biāo)之一，重心高度是影響穩(wěn)性的主要因素，且要求其在整個使用期內(nèi)都滿足設(shè)計極限重心高度的要求。

為保證艦船在各種裝載狀態(tài)下航行均能保持穩(wěn)定，我國規(guī)范中對各類艦船標(biāo)準(zhǔn)排水量和正常排水量下的穩(wěn)性指標(biāo)均給出了明確的限值要求。美國在其“艦船通用規(guī)范”中對艦船空載和滿載航行狀態(tài)的穩(wěn)性提出了穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求；對艦船航行過程中一些特殊航行狀態(tài)下的穩(wěn)性也提出應(yīng)予以計算校核，以確保在最惡劣狀態(tài)下滿足穩(wěn)性衡準(zhǔn)的要求。總之，就穩(wěn)性限值或衡準(zhǔn)而言，無論是國內(nèi)還是國外，都是從保障艦船在惡劣狀態(tài)下的安全出發(fā)而提出的要求。因此，穩(wěn)性是艦船安全的重要指標(biāo)。

我國艦船排水量設(shè)計通常以正常排水量來衡量，因此，在艦船設(shè)計初期，要確定正常排水量和重心高的極限。艦船正常排水量的極限值通常根據(jù)艦船的使用需求、主要總體技術(shù)性能和總布置要求來確定，并應(yīng)符合研制任務(wù)書的要求，即在該正常排水量極限值時，船體的總縱強度應(yīng)滿足規(guī)范的要求，艦船在主機(jī)以額定功率和最大功率工作時的最大航速（或巡航速度）應(yīng)滿足要求，各種裝載狀態(tài)下的艦船不沉性指標(biāo)也應(yīng)滿足規(guī)范要求。

重心高極限根據(jù)穩(wěn)性極限來確定。通常，通過排水量極限下的完整穩(wěn)性極限確定一個最大重心高，再由破損穩(wěn)性極限確定另一個最大重心高，并對二者進(jìn)行比較，確定的艦船極限重心高就是完整穩(wěn)性或破損穩(wěn)性極限的下限。

確定了正常排水量極限和重心高極限之后，在艦船設(shè)計的各階段，必須進(jìn)行全艦重量重心計算，以核算排水量值是否控制在正常排水量和重心高極限值以內(nèi)，且留有足夠的全壽期裕度。在計算、校核艦船的穩(wěn)性和不沉性（包括破損穩(wěn)性）是否滿足穩(wěn)性極限要求時，若發(fā)現(xiàn)穩(wěn)性結(jié)果有超差或接近超差，則在設(shè)計中必須立即采取相應(yīng)的措施。

2 水面艦船重量重心控制方法

為使艦船的實際重量重心在建造完工后和服役期間仍能控制在與設(shè)計時一致的狀態(tài)，目前，國內(nèi)外艦船的重量重心控制工作主要體現(xiàn)在設(shè)計儲備、設(shè)計過程中的重量重心控制及建造過程中的重量重心控制等3個方面。

2.1 設(shè)計儲備

艦船重量重心的設(shè)計計算是與設(shè)計階段同步的一個漸進(jìn)過程，其重量重心結(jié)果也是逐步逼真的。在每個設(shè)計階段，都存在著不可預(yù)見的誤差，如設(shè)計或計算差錯、設(shè)備的更改及不同施工工藝等。在全壽期內(nèi)，若干次的修理、改裝或新設(shè)備和系統(tǒng)的加裝，也會造成艦船重量和重心高的持續(xù)增長以及穩(wěn)性的下降。因此，在設(shè)計中需要留有一定量的設(shè)計、建造和現(xiàn)代化改裝（使用期裕度）所需的排水量和重心高儲備，以使設(shè)計艦船的排水量和重心高在設(shè)計的各個階段、建造完工以后以及全壽期內(nèi)都能控制在正常排水量的限值內(nèi)，保持足夠的穩(wěn)性。

目前，我國水面艦船的重量重心儲備設(shè)計主要考慮了設(shè)計或計算誤差、建造工藝誤差和現(xiàn)代化改裝等三方面。在我國早期的艦船規(guī)范中，對水面艦船重心儲備無明確要求，具體重量重心儲備值主要由設(shè)計師根據(jù)經(jīng)驗，通過參考母型船，考慮對物質(zhì)資料的掌握程度以及新設(shè)備的研制程度，并考慮一定的建造余量和現(xiàn)代化改裝儲備（使用期裕度）來確定，各類艦船尚無定值。

在2000年頒布實施的“艦船通用規(guī)范”中，對設(shè)計與建造排水量儲備的限值要求予以了規(guī)定，但無重心高儲備要求，也無現(xiàn)代化改裝儲備（使用期裕度）要求，目前，我國設(shè)計的水面艦船對服役后的現(xiàn)代化改裝儲備均較少。而美國海軍在此類規(guī)范中不僅對設(shè)計建造儲備提出了明確要求，而且美國海軍海上系統(tǒng)司令部于二戰(zhàn)結(jié)束后不久就提出了水面艦船使用期裕度要求，即重量裕度為滿載重量的5%，重心高裕度是在滿載狀態(tài)下極限重心高的基礎(chǔ)上增加0.15m［1］，并建立了穩(wěn)性狀態(tài)分類（根據(jù)艦船的重量裕度和極限重心高裕度來分配穩(wěn)性狀態(tài)）。上世紀(jì)70年代末，美國海軍海上系統(tǒng)司令部為正式制定使用期裕度衡準(zhǔn)的需求，進(jìn)行了水面艦船使用期重量重心和極限重心高的統(tǒng)計研究，并對典型船體的各型艦船進(jìn)行了傾斜試驗。上世紀(jì)80年代以后，美國又對水面艦船使用期裕度衡準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整，如表1所示。

DDG-51驅(qū)逐艦（阿里·伯克級）針對0.3m的極限重心高儲備（4.2%極限重心高滿載）使用期裕度衡準(zhǔn)要求，在其設(shè)計和建造過程中預(yù)留了較大的儲備裕度，如表2所示。此外，通過嚴(yán)格的控制措施，保證了其完工時具有0.3m的極限重心高儲備。其他國家海軍對水面艦船大多都有使用期裕度衡準(zhǔn)要求，如表3所示。

表1 美國水面艦船使用期裕度Tab.1 Service life allow ance for the United States surface ships（NAVSEINST9096.6A）

表2 DDG-51施工設(shè)計與建造裕度Tab.2 DDG-51 construction design and build allowance

表3 各國海軍水面艦船使用期裕度Tab.3 Com parison of naval su r face ship service life allowances

2.2 設(shè)計過程中的重量重心控制

確定艦船重量重心儲備后，進(jìn)行有效的控制是在設(shè)計過程中保持預(yù)留儲備的關(guān)鍵。

2.2.1 設(shè)計初期的頂層要求

重量重心控制的頂層要求包括設(shè)計規(guī)范、產(chǎn)品重量重心控制大綱和控制要求，它是艦船設(shè)計過程中進(jìn)行重量重心控制的重要指導(dǎo)性文件。上世紀(jì)90年代后期，我國研制的艦船根據(jù)“規(guī)范”關(guān)于重量重心控制的原則要求，開始編制產(chǎn)品重量控制大綱，明確各設(shè)計階段的重量控制計劃、重量計算、重量報告以及建造的重量檢查、完工重量計算等要求；編制了艦船的重量控制要求，明確了控制目標(biāo)和船體、各系統(tǒng)、設(shè)備超差要求，以及設(shè)計、建造重量優(yōu)化、檢查要求等。這些措施從管理制度上推進(jìn)了艦船重量重心控制工作。

美國海軍除了在《美國海軍艦船通用規(guī)范》和《DD963驅(qū)逐艦規(guī)范》中對艦船設(shè)計中的重量控制有明確要求外，還頒布了《美國海軍水面艦船重量控制技術(shù)要求》，使重量控制要求具體化［2-5］。在開展具體的型號艦船研制時，編制了研制艦船的重量控制大綱。如DDG-51，在研制初期就編制了《DDG-51重量控制大綱》，明確了重量重心控制目標(biāo)，包括要求投標(biāo)人在獨立重量估算書中闡明若干項減重設(shè)計改進(jìn)目標(biāo)；在設(shè)計初始階段實施的減重措施；提出要對結(jié)構(gòu)單元件、賣方和政府的供應(yīng)設(shè)備要求稱重；對超出排水量和極限重心高合同限值的情況，提出了明確的違約罰金細(xì)則等［6-7］。

2.2.2 艦船設(shè)計各階段的重量重心計算及深度

我國在艦船方案設(shè)計階段確定的重量重心多為估算值，主要是采用母型類比系數(shù)法進(jìn)行估算，或?qū)τ忻鞔_狀態(tài)的大設(shè)備按資料數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。在技術(shù)設(shè)計階段，隨著設(shè)計的深入和裝艦設(shè)備技術(shù)狀態(tài)基本固化，重量重心主要通過計算獲得，而全艦基座重量重心和以原理設(shè)計為主的系統(tǒng)設(shè)計則仍采用估算。在施工設(shè)計階段，重量重心大部分是以施工設(shè)計安裝圖計算到設(shè)備單元級，結(jié)構(gòu)按圖紙理論板厚進(jìn)行較為細(xì)致的計算，管系電纜的重量重心以布置線路圖為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，估算成份較多。全艦大多數(shù)電纜采用設(shè)備重量乘系數(shù)法進(jìn)行計算，因備品備件重量、尺寸等參數(shù)資料不全，因此重量重心仍以估算進(jìn)行。

美國海軍在DDG-51施工設(shè)計的重量重心計算中，是采用計算機(jī)三維輔助設(shè)計管路、電纜，并提取重量資料，同時輔以誤差修正的方法來進(jìn)行重量重心計算；對艦載備品和供應(yīng)品，則是利用后勤管理系統(tǒng)確定的裝載量和品種來確定實際艦上存放艙室位置后再進(jìn)行計算；對于船體結(jié)構(gòu)重量計算，利用的是鋼廠對鋼板實際板材厚度和密度測量結(jié)果，來計算分析得出密爾容差（某類鋼板單位面積重量的目標(biāo)值和標(biāo)稱值之差與標(biāo)稱值之比的百分?jǐn)?shù)）百分?jǐn)?shù)運用于每份結(jié)構(gòu)圖的計算。

2.2.3 艦船總體設(shè)計中減重優(yōu)化措施

目前，我國在艦船設(shè)計初期均對各專業(yè)設(shè)計提出了減重要求，如總體布置規(guī)劃時減少不必要的艙壁、對結(jié)構(gòu)進(jìn)行滿足強度要求情況下的重量最小設(shè)計、基座減重設(shè)計、管路系統(tǒng)優(yōu)化走向，以及采用輕質(zhì)材料和輕型電纜托架等。各專業(yè)根據(jù)要求均采取了一些優(yōu)化減重措施，但由于無具體指標(biāo)要求，減重效果不明顯。

美國海軍在艦船設(shè)計中，通常是在重量控制大綱中即根據(jù)投標(biāo)方重量估算書提出的要達(dá)到的排水量限值提出需改進(jìn)優(yōu)化的具體指標(biāo)要求，并進(jìn)行指標(biāo)分解。表4所示為DDG-51投標(biāo)方重量估算書的重量重心要求。

表4 投標(biāo)人重量估算書的重量重心要求Tab.4 The requirem ents of DDG-51weightand center of gravity in biddersweightestim ation

由表可見，需設(shè)計改進(jìn)的重量總計-139.1 t，分解后的具體項目和指標(biāo)為：輕型基座設(shè)計-21.3 t；優(yōu)化設(shè)計以使電纜和有關(guān)重量減至最小-15.2 t；輔助系統(tǒng)和舾裝設(shè)計裕度引起的重量減至最小-50.8 t；減小密爾容差-51.8 t。

美國海軍在對CG52“宙斯盾”巡洋艦（“提康德羅加”級）進(jìn)行安裝導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計時，出現(xiàn)了重量重心升高較大的問題。為此，美國海軍成立了專項辦公室，進(jìn)行了細(xì)致的分析，根據(jù)需減輕的具體超差量重點對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；通過總縱強度的詳細(xì)計算分析，采取減少板材和扶強材的厚度以及結(jié)構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)件選用強度更高的鋼制造、重新設(shè)計基座等具體措施實現(xiàn)了目標(biāo)。此外，還對通風(fēng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)電纜、托架及岸電設(shè)備等進(jìn)行了優(yōu)化，減小了電纜絕緣層直徑和設(shè)備量，最終減重約220 t，完全達(dá)到了重量重心的控制要求。

在民用船舶中，關(guān)于結(jié)構(gòu)重量的優(yōu)化控制具體措施更多，如結(jié)構(gòu)件板材優(yōu)化配置、高強輕質(zhì)鋼材料應(yīng)用等［8］。

2.3 建造過程中的重量重心控制

在建造過程中，目前我國對重量重心采取的主要措施是：船廠對鋼板進(jìn)行測厚檢查，并修訂鋼板厚度公差范圍；對建造的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行稱重檢查，及時分析預(yù)測全艦排水量；對所有裝艦設(shè)備均要求稱重，并出具設(shè)備供應(yīng)商和用戶簽署的重量證明書；由制造方和用戶共同組成重量控制小組；執(zhí)行重量超差上報及處理分析制度，以及重量控制工作例會制度等。有單位研究并提出了海洋結(jié)構(gòu)物建造過程中的重量、重心位置精度控制方法，運用該方法，在建造過程中可以對重量、重心誤差進(jìn)行動態(tài)調(diào)整［9］。

美國在DDG-51的研制過程中，船廠建立了重量控制小組，對結(jié)構(gòu)單元件、承包商和政府的供應(yīng)設(shè)備進(jìn)行了稱重；對鋼板的實際尺寸和重量進(jìn)行了測量，確定并控制了密度誤差限值。

通過對建造中艦船的各型鋼板、型材厚測量及船體結(jié)構(gòu)稱重的結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鋼板及型材厚度的超差率為3%～5.5%，平均約4.1%，鋼板及型材的平均超差率約為2.7%，船體結(jié)構(gòu)稱重結(jié)果與理論相比超差率為5.5%。對公差范圍進(jìn)行調(diào)整后，板厚超差率為1%～3.2%。而美國CG51艦對某型鋼板的密爾容差測量結(jié)果平均為5.4%，經(jīng)與鋼材廠協(xié)調(diào)，減小到了2.01%。由此可見，國內(nèi)外鋼板的超差率是存在的，需要對公差進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

3 使用期重量重心情況分析

為了分析使用期重量重心的變化情況，針對我國2000年以前研制的數(shù)型艦船，將其完工交船時與改裝后排水量、重心高的變化進(jìn)行了比較，如表5所示。

表5 數(shù)型艦船研制完工交船與改裝后排水量及重心高變化比較Tab.5 Com parison of change in the norm ald isp lacem ent and center of gravity at delivery and after m odification of several typesof ships

由表5可見，現(xiàn)役水面艦船的穩(wěn)性均較設(shè)計完工交船時降低了許多，且正常排水量均有較大增長，變化最大的達(dá)3.4%。此外，重心高的增幅也較大。其中，除現(xiàn)代化改裝本身引起的增重外，艦船使用期引起的非預(yù)定重量的增長也相當(dāng)大。在某船實施傾斜試驗前，曾對該船進(jìn)行了全艦設(shè)備安裝狀態(tài)檢查，對檢查結(jié)果的分析表明，這些非預(yù)定的重量增長主要是因修理引起的軍械、備件放置架、生活艙室等的改造而引起的重量增加，以及備品備件補充、艦員和行李的增加和持續(xù)保養(yǎng)（涂裝）而引起的重量增加等。而且，為保持足夠的穩(wěn)性，改裝時均加裝了固體壓載（鉛或鐵）。

美國海軍海上系統(tǒng)司令部曾對美國水面艦隊現(xiàn)役的40個級別、最長艦齡為36年的253艘艦的穩(wěn)性狀態(tài)和壓載進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明：盡管美國規(guī)范對艦船使用期裕度的要求已相當(dāng)高，但在艦船使用期內(nèi)，為保持穩(wěn)性，其中有59.3%的艦船裝有固體壓載，且平均固體壓載的量值最小的為9 t，最大的約達(dá)1 500 t。美國海軍水面艦隊攜載的鉛和生鐵壓載總數(shù)為27 711 t，其水面艦船正以相當(dāng)?shù)乃俣认牡糁亓亢椭匦母邇洹榇耍绹＼娪谏鲜兰o(jì)80年代后對使用期裕度衡準(zhǔn)進(jìn)行了較大調(diào)整，將儲備裕度提高了一倍。

4 控制措施

水面艦船的重量重心控制貫穿艦船研制的全過程。在艦船設(shè)計中，必須儲備排水量和重心；因使用期的重量重心增長相當(dāng)大，因此，也需留有較大的使用期裕度儲備。在艦船研制過程中，國內(nèi)外均在頂層要求、減重優(yōu)化設(shè)計、建造控制等方面采取了重量重心控制措施。相比而言，在艦船研制中，國外對重量重心的控制要求更嚴(yán)，其在規(guī)范中明確了排水量和重心的設(shè)計儲備衡準(zhǔn)。在優(yōu)化要求上，國外的具體指標(biāo)明確，控制措施執(zhí)行力強，合同中有超重違約處罰條款。因此，要有效控制我國水面艦船的重量重心狀態(tài)，使艦船在全壽期保持研制總要求的技術(shù)狀態(tài)，就要建立完整的重量控制體系，從頂層、設(shè)計、建造和管理等方面進(jìn)行控制。

1）艦船總體重量重心控制的頂層規(guī)劃。

要制定適合中國國情的水面艦船重量重心儲備衡準(zhǔn)，就需要在研制初期盡早確定排水量極限和重心高極限值，根據(jù)艦船及其設(shè)備的成熟度，留出適量的排水量和重心高儲備值，并留出較大的使用期裕度。對于新船型、新研設(shè)備多的新研艦船，其排水量儲備和重心高儲備也應(yīng)留有較大值，取衡準(zhǔn)值的上限或大于上限值50%以上。在實際工作中，應(yīng)按設(shè)計、按建造、按系統(tǒng)、按專業(yè)進(jìn)行儲備裕度指標(biāo)的分解，明確量化的控制指標(biāo)要求。

2）通過全艦集成優(yōu)化設(shè)計，提高重量重心計算精確度。

精簡系統(tǒng)，優(yōu)化使用流程，轉(zhuǎn)變設(shè)計觀念，從以機(jī)柜為單元的總體集成設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)橐越硬寮蛐酒瑸閱卧目傮w集成設(shè)計，減少人員和設(shè)備量。

在各階段設(shè)計中，應(yīng)從設(shè)備和材料選型、系統(tǒng)原理設(shè)計及管系電纜走向、船體結(jié)構(gòu)裝置等方面全方位優(yōu)化。船體結(jié)構(gòu)占全艦重量比例大，通過精細(xì)化設(shè)計，以及細(xì)化材料、強度等分析，對減輕重量、降低重心效果較好，同時，還可借助三維設(shè)計進(jìn)行重量重心精確計算。

3）建造過程中嚴(yán)格重量檢查及控制。

船廠應(yīng)對鋼板、型材、管材等各類材料的厚度、密度和容重進(jìn)行嚴(yán)格測量，協(xié)調(diào)控制公差范圍，重點進(jìn)行建造舾裝的減重優(yōu)化。另外，在系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)規(guī)格書中，應(yīng)明確重量重心控制要求及重量重心指標(biāo)，明確需采取的重量超重違約處理措施。

5 結(jié) 語

水面艦船重量重心控制是艦船整個研制過程中十分重要的問題，是關(guān)系到艦船全壽期生命力和未來用途的大問題。由目前國內(nèi)外水面艦船在設(shè)計建造過程中對重量重心的控制現(xiàn)狀及措施可見，水面艦船重量重心的增長不僅存在于設(shè)計中，也存在于其使用期。提出了加大艦船重量重心使用期儲備裕度的建議，對我國水面艦船重量重心控制有一定的指導(dǎo)作用。

［1］辛力，袁仲.美國海軍水面艦船重量和穩(wěn)性使用期裕度評論［J］. 國外艦船工程，1997（1）：1-10.

［2］杜子榮，曲延濤，竇星慧，等.海洋結(jié)構(gòu)物的重量控制［J］.中國造船，2009，50（A11）：102-106.

DU Z R，QU Y T，DOU X H，et al.Research on the weight control ofmarine structure［J］.Shipbuilding of China，2009，50（A11）：102-106.

［3］胡日強.船體建造精度控制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006.

［4］金偉.高速船設(shè)計中的重量及振動噪聲的控制［J］.船舶設(shè)計技術(shù)交流，2006（1）：11-13.

［5］張芳，雷麗，王海.小水線面雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計的重量控制［J］.造船技術(shù)，2009（4）：11-13.

［6］陳捷捷，李焱，吳波.基于CADDS5和VB的三維船體結(jié)構(gòu)重量重心及材料統(tǒng)計計算系統(tǒng)［J］.中國艦船研究，2007，2（4）：51-55.

CHEN JJ，LIY，WU B.Statistic computing system for strucucturalgravity center andmaterialof three-dimensional hull based on CADDS 5 and VB［J］.Chinese Journalof Ship Research，2007，2（4）：51-55.

［7］王凱.高速鋼質(zhì)客船的重量控制［J］.江蘇船舶，2003，20（1）：4-6.

［8］ROBERTC.AEGIScruiserweight reduction and control［J］.Naval Engineers Journal，1987，99（3）：190-201.

［9］海軍規(guī)范所.GJB 4000-2000 艦船通用規(guī)范［S］.北京：總裝備部軍標(biāo)出版社，2000.