軍用艦船結構設計規范發展綜述

吳睿鋒

(海軍裝備研究院，上海200235)

1 概 述

結構設計是最古老和最基礎的技術學科之一，是造船技術的重要組成部分。找到一種更加合理的方法是每一個船舶設計工作者的夢想，傳統的各國海軍艦艇均有自己的結構設計標準，或者船廠標準，這在國際上是類似的。鑒于世界經濟的全球化進程，國際市場的日益發展，造船工業的進展和變化已迫使海軍艦艇的設計標準要逐漸適應國際市場經濟發展的總需求。近十幾年來國際造船業的發展和變化，主要反映在以下幾個方面:輕型高速船的市場需求;采用新型布置及特殊材料建造船舶，如大型液化氣船和快速集裝箱船的開發;由全電力驅動的低噪聲、低振動的大功率推進客船的需求;海洋工程的技術進步;防止船體破損(合理分艙和雙殼船體)和破損后的生存以及保護海洋環境需求的不斷增加，等等。同時，資源限制已經使全世界的政府和組織在多個領域包括軍船建造中尋求可替代的建設方法［1］。

為了建設一支強大的海軍，國內經歷了幾十年的奮斗，從無到有并正在快速發展之中，在海軍艦艇的研究、設計、建造和使用過程中已有大量的實踐并獲得了十分寶貴的經驗。特別是改革開放以來，國內相關科研與設計機構也開始形成了自己的技術觀點和方法，加上國內已有的一批成熟的艦艇研究和設計技術隊伍，因此有條件也有可能將國內的艦艇設計標準體系重新建立，不再承襲原蘇聯或俄羅斯的某些標準，認真總結自己的經驗和教訓，并珍視當今國內外的發展現實，有選擇地吸收國際上先進的艦船設計理念和技術，并以創新的指導思想來制訂我國新一代的海軍艦艇結構設計規范。

2 國外軍用艦船規范的發展史

現有軍民船的結構設計方法可以追溯到19世紀中期，由船舶結構設計的先驅Rankine、Smith 和Reed 發起。他們發展了估算波浪條件下船體梁彎曲載荷方法、彎矩和剪力作用下的響應準則。軍艦一般按照內部標準設計，這些標準和設計方法已經由各國海軍不斷發展，并積累了豐富的經驗。各國一般均有自己的軍用標準體系，由于這些軍用船舶設計建造標準各自的起源不同，在某些方面的規定也各不相同，但總的來說其發展趨勢是一致的。近年來，美國、加拿大和英國的海軍機構受到資源限制，已經越來越難以維持內部的結構設計準則。

2.1 傳統海軍方法

1)英國皇家海軍

在英國，軍艦服從國防部自動調整，用一個非常寬泛的流程。系統包含健全體制的所有單元，即:確定設計和建造標準;確定責任;確定維護，檢修時間表和維護、反饋機制，外部審核。英國皇家海軍傳統方法的基礎是軍用工程標準NES，由UK MOD 出版。最初正式發行是1972年，致力于通過基礎性通用知識獲得良好軍用設計經驗。該方法大部分是確定性的，考慮海面載荷如波浪彎矩、砰擊，營運載荷如拖曳、直升機輪載，由模型和全尺度試驗結果驗證武器的作用，如沖擊和爆炸。結構承載能力主要針對局部結構，通過組合應力方法和極限強度方法獲得。該方法中采用了先進的設計技術如有限元和疲勞強度分析等。

有大約700 NES 涵蓋了軍船設計和建造的每一個方面。從1972年開始使用，NES 已經用于5 種新船的設計，包括49 艘水面艦船和3 種潛艇。近來，英國皇家海軍實際上偏愛用分級規范來進行船舶設計和建造。

2)加拿大海軍

加拿大海軍對新造軍艦用該國自己的艦船結構設計標準SDMEM10 (1978)。加拿大所有現役軍艦，只有“金斯頓”(KINGSTON)級艦有船級社建造用分級規范。DMEM 10 由4 部分組成:

①CP 水面船舶結構設計流程;

②水面艦船結構設計標準;

③CF 鋼質水面艦船結構實際標準;

④CF 水面艦船抗損性要求。

盡管DMEM 10 已經更新，但至今仍然大量保留著第一次發布的內容。隨著時間的流逝，某些內容已經過時，不適用于下一代軍艦的設計。盡管DMEM 10 在集合先進結構分析工具方面做出了努力(如結構的極限狀態分析以及與MAESTRO 的合作)，但一般認為該標準已經被凍結，不再用于軍船的結構設計［2］。

3)德國海軍

聯邦德國國防軍引入了確定和滿足他們軍船結構設計要求的流程，稱為CMP2001。這個流程致力于通過時間，經濟和營運需求滿足要求獲得產品和服務，并認為工業發展的步伐越來越依賴于技術的高速發展。因此，聯邦德國國防軍和工業部門的合作非常緊密，這有助于維持海軍的有效戰斗力。CMP2001 整個進程主要由經濟性主導。按照這個原則，德國對軍用標準進行了修正。這些軍用設計和建造標準僅適用于德國海軍的部分艦船。

4)韓國海軍

韓國的軍艦明確規定要求基于內部軍艦設計規范環境和軍用載荷進行軍船設計。韓國海軍船舶設計和建造規范由韓國海軍KR 和國內軍船建造廠聯合發展，并已正式發行，主要參考韓國海軍經驗，美國海軍規范流程和一般船舶建造技術。為了尋求更合理的船體結構設計，規范推薦采用直接載荷和譜分析方法，并根據船舶類型和特點，考慮全壽期的環境載荷。推薦采用有限元的數值仿真方法考察結構響應和軍事載荷(如空氣沖擊和水下爆炸)加強方案。

5)意大利海軍

意大利海軍將船舶設計的結構評估的關注點更多地放在一些現役船舶的經驗上。船體梁整體結構評估根據RINA 海軍規范，由海軍，芬坎蒂尼(Fincantieri)船廠和RINA 公司共同發展，考慮了該領域的經驗，引導流程和方法。

6)荷蘭海軍

荷蘭海軍的軍船結構設計與民船類似。根據任務描述、船員需求、派生有效載荷，遵循傳統規范設計船體梁，同時規范有一系列的標準設計載荷如波浪彎矩、艙壓和加載壓力以及許用應力和失效安全因子等強度要求。荷蘭海軍規范與同時期的其他規范最大的不同在于，用來抗擊武器攻擊的防護設計大多附加在已有結構上。

7)美國海軍

美國海軍很早就意識到船體結構設計應該承受環境載荷和軍事打擊的雙重考驗。在20世紀，特別是二戰及二戰后，通過模型試驗、實船試驗和戰斗損毀評估對船體結構載荷的特性和量值進行研究，從而形成傳統的確定性方法，并考慮波浪中的彎矩、砰擊、運營載荷，武器攻擊等。這些經驗完整地列入了一系列的DDS (design data sheets)文檔，供各類船舶規范參考。

到20世紀90年代中期，這個方法發生了2 個改變。一是結合計算機輔助計算方法進行載荷計算與結構響應預報研究。二是考慮艦船的全壽期特性。軍船結構設計者意識到采用概率的方法將會提供一種更合理的方法，不確定度的定量分析可能比確定性方法更合適。基于可靠性的LRFD 方法在不斷發展。這個方法符合不斷發展的軍民用結構物的結構設計經驗。同時，傳統的方法作為基準仍然在繼續使用。

2.2 軍用分級規范方法

隨著采用海軍內部標準的軍艦設計、建造和維護數量的減少，維持這些標準質量的財政壓力開始出現。減少可用內部專家經驗，傳統的軍艦設計方式和海軍技術支持需要根本性的改變。過去，在軍艦建造和海洋工程領域，海軍的設計者總是走在技術革新和發展的前沿，但是現在越來越多的重要進展在民船領域出現。這些在海洋工程領域先進的例子，最貼切的就是很多各種各樣的單體和多體，配置新型推進系統的高速船。此外，舒適性需求(如低噪聲，低振動，低污染，高效，高速和良好的抗損性)引起了很多關注，普通軍艦設計防護也是慣例。

簡言之，即使維持海軍自己的內部標準值仍有吸引力，有限的艦船數量和嚴峻的預算限制，也使這個方法越來越不可行。現在已有基于規范和軍民船規范相結合的軍艦規范新版本，可用于關注軍艦全壽期狀態［3］。

滿足要求、服役可靠性和經濟性是民船船東的三大要求，軍艦的應用和服役操作也一樣。軍艦的分級方法為海軍提供了一種在民船領域已經較成熟的不同于傳統經驗和流程的可選擇方法。

IACS 主要成員的分級規范已經出版或將要出版。這些出版的規范，主要框架均基于其各自的民船規范。

1)ABS

自1998年起，ABS 已經與美國海軍合作發展了NVR 規范，第一版ABS (2004)在2004年生效。該規范有效地沿襲了傳統海軍設計方法，采用由美國海軍發展的準靜態分析方法和概率方法計算波浪彎矩和船體梁彎矩。該規范要求對所有新造船舶進行有限元分析和疲勞分析。與其他規范一樣，各種特別要求的載荷工況需要完整考慮。Sullivean 等.(2004)［4］研究促進了模塊化可變任務高速船型部分的規范發展。

2)DNV

DNV 水面艦艇規范綜合了傳統軍用標準和民船經驗，包括軍艦設計、建造和營運結構認證。與其他軍用船級社規范類似，可供分級標識保證各種建造和設計的安全性、IMO 規則等效性、戰斗或非戰斗艦船的軍用操縱適應性［5］。

3)GL

1999年，GL 由德國聯邦政府科技廳防衛部授權，與德國軍方密切合作調整了一版德國軍用標準(BV)，該版規范僅描述了軍艦的特定部分。GL 的NR 規范(2004)將軍艦視為一個平臺，對武器和傳感器而言，只檢驗其基座和支持力。GL 建造規范涵蓋了一系列完整的專用軍船船型，包含關鍵特殊材料的安全性與環境因素。Petersen (2004)［6］認為，GL 規范關于軍船技術的整個體系完整且獨立，對GL 其他規范和標準的交叉引用已經減到最少。

4)LR

1998年，LR 出版了世界上第一套軍艦設計、建造和分級規范，其主要框架與民船入籍標準一致。該規范現在已經更新到第七版。這些規范包含了所有類型和尺寸的船舶，包括航母、驅逐艦、護衛艦、輕巡洋艦、巡邏艇和各種軍事和非軍事用途的其他船只。LR 規范(1998-2006)［7］著手于將軍船設計的所有因素，包含船體、主機和各個工程系統以及具有軍用特點的結構防護布局和損傷后的強度評估等各個方面，關聯到相關的結構布置上去［8］。

LR 規范中采用需求、能力和許用準則方法［9］。需求定義了環境條件。載荷則由分析或模型試驗的結果直接計算獲得。另外，傳統的載荷和強度評估增加的彎矩由極限工況下的極限強度評估導出。類似的，希望損傷后的船舶與未損傷的船舶在相同的環境條件下具有生存能力，用剩余強度評估來計算減少的彎矩。在規范中也給出了抵抗軍事打擊的載荷計算指導性文件。

在軍方的需求中對滿足國際慣例進行說明的地方，LR 規范認可軍船的特征并滿足多樣化的間隔布置要求，同時滿足船級社的相關規定［10-12］。

5)RINA

RINA 軍船分級規范(2003)［13］涵蓋了與水面鋼質艦船和考慮特殊機密性平臺有關的所有因素:操作因素和船舶管理經驗;軍艦性能因素如抗風浪能力需要正確的武備系統操作，弱點分析，在污染區域操作的能力等;軍用結構極限狀態的特別認證如內部、外部和水下抗爆性見文獻［14］;特別是甲板舒適性和工作環境、海洋環境的加強保護。

當基于民船入級規范的方法時，為了適當考慮高度專業化的軍船特性和有效載荷特點(軍人和戰斗系統)，RINA 規范與之有很大的不同，即不僅僅是民用規范的應用。

雖然這些國家的軍用分級標準均基于民船框架，但它們在具體方法的選擇上仍存在不同，如表1所示，軍用分級標準中對構件尺寸要求的計算方法就不盡相同。

表1 主要軍用規范中對構件尺寸要求的比較Tab.1 Comparison of approaches for scantling requirements of main naval rules

實際上，軍船與民船的結構設計的差異性和一致性一直貫穿在整個軍船結構的設計與建造歷史之中。在中世紀，很少有國家能建立海軍，大部分的戰爭都是用商船攜帶輕型武器。直到1500年間，重型武器和艦炮的出現使得能吸收艦載武器重量及其反作用力，并能承受炮彈打擊的具有增強甲板和船體結構的軍船問世。1820-1860年間隨著船用鋼材的增長，使得海軍和民船船東開始重新構想設計和建造方式。設計人員曾經考慮分享二者的概念和技術經驗。這些先進經驗大部分發生在工業革命的中心英國，當民用結構工程師將鐵路和道橋的建設成功經驗帶入了船舶建造的舞臺，由大不列顛橋發展的箱型梁系統成為船舶縱向構件的范例。事實上，此時大部分海軍(拿破侖戰爭后不久)都執行了嚴格的預算，很多冶金和節點設計的基礎技術研究都由民用部門執行，此時民用部分正在經歷由不斷增長的且可靠的蒸汽發動機帶來的急速增長。此時，民用船級社特別是英國的LR，法國的BV 將鋼質船舶建造引向了合理化，他們的規范分別于1855 和1858年發布。盡管如此，大部分的規范給出的尺寸公式都是基于經驗的，可以很好服務于民用部分的模型越來越不適用于軍船。

從18世紀70年代開始，英國海軍引領了用技術基礎工程理論的計算方法來進行船舶設計的發展。例如，軍船的設計者開始計算船舶的靜水波浪彎矩，詳細說明了沿船長的分布。相對的，大部分船級社此時建立了與沿船長的彎矩和位移有關的半經驗公式。

這種狀況在第二次世界大戰中后期由于以下2個原因慢慢發生了改變:①由于公司和政府意識到了高水平知識和技術在經濟發展中的需求，堅持教育水平對工作能力的影響，受教育工程師的數量顯著增加;②在科學和技術方面的投資也有了急劇的增長，這些直接導致學校和研究中心發展先進的技術和方法去解決工程問題。比較早的例子是，1946年SSC 作為一個美國海軍調查局的附屬機構，確定了戰爭中焊接商船的脆性裂紋原因。類似的研究由英國的海軍船舶焊接協會(后來的海軍鋼結構協會)開展。有趣的是，這些政府研究機構包括他們各自國家的船級社都意識到民船和軍船之間的技術轉移是有益的。這些組織贊助的包括幾個實船試驗在內的研究工作，極大的改進了結構和船舶規范的基本工程要求。隨著時間的推移，計算方法的改進發展如概率分析和計算機輔助設計工具如有限元，促進了船級社選用工程技術進行細部結構分析技術的發展，改進了快速增長的專用船舶比如LNG FPSO 和超大型集裝箱船設計。盡管計算機設計分析流程和支持工具應用在軍民船設計領域是一致的，但它們仍然有顯著的不同。海軍繼續發展和細化他們自己的設計標準，并從戰斗損傷經驗和結構響應的方法進行了廣泛研究。從19世紀40年代中期到60年代，多國海軍都采用退役或俘獲的船只進行了數量巨大的實船試驗，以檢驗在沖擊載荷作用下的船體彎矩到結構響應的一系列問題。從19世紀80年代到90年代，根據相同的原理，實船試驗被大量的模型試驗和日益成熟的計算機輔助分析技術所替代。這些測試和試驗結果使得軍船特種鋼技術得以發展，形成了相應的標準和詳細建造規范以改進抗損性能。例如，大部分海軍確定采用對稱T 型材和連續焊接構件以約束沖擊載荷后的結構失效。

民船和軍船的設計標準和方法中操縱性和維護性的不同也加劇了軍民船規范的分歧。大部分貨船有大量的載荷工況(滿載或壓載)，導致疲勞周期比軍船多，使得相應的結構尺寸增大。另一個例子，海軍戰士不斷的對船體結構檢測和噴漆，而對民船來說，這些行為都只周期性的進行，比如在入塢期間;因此，在大部分規范中腐蝕余量特別要求，而軍船設計準則中則未出現。

3 軍船設計和建造的發展趨勢

近幾十年來，國際造船業的快速發展與變化已迫使海軍艦艇的設計標準要適應造船工業和國際市場經濟發展的總需求。目前一些將影響軍船設計和建造的發展趨勢有［15-17］:

3.1 模塊化，彈性化和多任務

開放軟件標準的快速發展，即插即用系統和自動化、遠程操作工作方面的飛躍發展意味著未來軍艦可能會配置多種任務，短時間的或逐一的跨越武力威懾、戰斗、支持等傳統角色;因此，傳統的規范不得不重新檢查，例如負有彈性任務的船只需要戰爭中抗沖擊，如果實際運營中采用無人機。

3.2 增強的隱身性能

在過去的冷戰時期，戰艦更多的是在近海區域而非公海作業。隱身管理被認為與減少偵察和攻擊弱點一樣重要。新型結構布置、特性和材料不斷發展，以減少雷達面，聲波和熱量發射，甚至是可見信號。

3.3 高速

航速40 kn 的軍艦被認為已經在第二次世界大戰中終結，但是，濱海運營的重點使得高速的戰術優勢重新復活。在船體砰擊響應、疲勞強度和振動領域，需要進行廣泛的研究，以發展減少維護費用并增加船舶壽命的方法。

3.4 多體/先進的船體

盡管新型的船體類型如常規雙體船、小水線面雙體船、三體船、水翼艇和水面效應船等已經存在了很長一段時間，上述船舶的快速發展要求改善耐波性和設計彈性(軍民船都是如此)，并由此對新型船體提出新的需求。目前，仍然存在一些基礎知識的限制，如船體，應力流等之間的結構響應需要基于新的規范和準則進行研究。

3.5 材料

船長和船東(包括海軍)持續尋找可以改進性能或減少建造和全壽期維護費用的新材料和材料系統。復合材料系統(如金屬-塑料夾層板)，新型金屬如鈦合金，涂層系統都被考慮用來為減輕重量、減少裂紋，抵抗腐蝕。另一個原因是恐怖襲擊的不斷增加會對軍民船的淬火 (硬化)措施提出了要求。

3.6 軍船建造在非本土船廠

在20世紀的大部分時間里，發達國家在自己的船廠建造軍艦。近年來，一些國家已經開始與外國船廠簽訂合約建造軍艦，并且呈上升趨勢。這種原因源于外國船廠的低費用，或者成熟的綜合造船能力不存在本地性。結構工程隱含的要求正在從軍用標準轉到商用標準，可以被外國船廠很好的理解。

4 結 語

目前，在我國大型水面艦船結構設計中可用的設計標準主要為GJB-4000-2000 《艦船通用規范-1 組 船體結構》和GJB 119-99 《水面艦艇結構設計計算方法》。

《艦船通用規范-1 組 船體結構》［18］適用于水線長小于160 m 的軍船，其基本設計思想體系來源于20世紀50年代的蘇聯資料，真實的經過驗證的適用范圍應該在140 m 以下，設計理念和設計計算方法相對落后。

《水面艦艇結構設計計算方法》［19］適用于水線長小于200 m 的軍船，它在我國原有規范設計思想體系的基礎上，引入了20世紀80年代蘇聯的結構設計思想，也引入了當時國外軍民船結構可靠性設計和疲勞強度設計等先進的理念和設計計算方法，但《水面艦艇結構設計計算方法》在我國大型水面艦船的設計實踐中尚未被采用。

應該說，對于正在不斷加大開放力度并期望不斷增加國際競爭力的我國，為適應造船工業的國際市場化，并加速海軍的建設和發展的這一過程，是處于同一經濟和技術環境下的。國外老牌海軍與船級社在軍船和民船這兩種海事傳統技術的融合，是造船技術和經驗日趨成熟的一種歷史必然，也是國際經濟全球化發展的必由之路。其構思和技術內容，也應該成為我國海軍艦艇標準化發展的一個重要指向。

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［2］Canada DoD.，Structural Design of Surface Warships，DMEM 10 Rev 2［M］.1978.

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［4］SULLIVAN P E，ASHE G M，FIREMAN H，FINNEY R.Naval Vessel Rules-A NAVSEA/ABS Partnership for the Future［M］.2004，ASNE.

［5］VERITAS D N，Rules for Classification of High Speed，Light Craft and Naval Surface Craft［M］.2004-2005.

［6］PETERSEN L.Classification of Naval Ships［J］.Naval Forces，2004，(2):108-115.

［7］Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships［M］.Lloyd′s Register，1998-2006.

［8］Provisional Rules for the Classification of Naval Ships［M］.Lloyd′s Register，1999.

［9］CHENG F，JAMES J，RATTENBURY N.Naval Ship Rules 2000［M］.Lloyd′s Register，UK.

［10］POMEROY R V，et al.The Classification Process and the Safety Case for Naval Ships，Using the Classification Process For Naval Ships［C］.INEC，2000.

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［12］Lloyd′s Register.Naval Classification［M］.2000.

［13］RINA，RINA Naval Rules，Registro Italiano Navale［M］.2003.［14］BOCCALATTE C.CERVETTO D，DATTOLA R，et al.On the Development of Structural Rules for the Classification of Naval Vessels.Proc.of FAST 2003［C］.Ischia，Italy.

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［16］KENDRICK A，DALEY C，PAVIC M.Comparative Study of Ship Structure Design Standards，Ship Structures Committee Report SR-1444，submitted to US Maritime Administration，by BMT Fleet Technology［R］.2006.

［17］DALEY C，KENDRICK A，PAVIC M.Comparative Study of Ship Structural Regulations，Proceedings of RINA Conference:Developments In Classification ＆ International Regulations［C］.London，UK，2007.

［18］GJB，《艦船通用規范-1 組 船體結構》［S］，2000.

［19］GJB，《水面艦艇結構設計計算方法》［S］，1999.