大型水面艦船結構設計載荷研究

樓偉鋒，蔣彩霞，胡嘉駿，竺一峰

(1.海軍裝備研究院，上海200235;2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082)

0 引 言

21世紀大型水面艦船在海上打擊力量中將扮演十分重要的角色。其發展趨勢主要體現在適應高技術條件下的海上多維聯合作戰，其發展特點將是攻防一體化、信息網絡化、武器精確化、特征隱身化、控制智能化，加上高效費比的可承受性［1］。其諸多發展特點決定了在設計規范上必然有更多的要求。當前我國周邊海洋權益斗爭日益尖銳和復雜化，特別是在東南沿海和南中國海域，中東到我國的石油運輸路線漫長且存在不穩定因素，面對如此嚴峻的形勢，研制、設計和制造技術先進的大型水面艦船，作為編隊作戰和護航的核心，非常必要。由于軍用艦船的特殊性，對大型水面艦船的總體設計準則進行研究，是設計、建造大型水面艦船的必要技術支持，可為大型水面艦船的設計提供指導。

目前，國際上幾個主要船級社已經相繼出版了軍用艦船設計建造規范，如英國勞氏(LR)的“Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships”(NSR)［2］、法國船級社(BV)的“Rules for the Classification of Military Ships”(MSR)［3］、挪威船級社(DNV)的“Rules for High Speed，Light Craft and Naval Surface Craft”(HLNR)［4］，美國船級社ABS 的“Rules for the Classification of Naval Vessel(NVR)［5］。這些規范充分利用大量民船設計的成熟技術和當今船舶設計的先進設計思想，包含了適用性、安全性、生命力、經濟性、全壽期、環保等理念，標志著21世紀艦船設計思想的發展方向。編制這些規范的目的:一是為北大西洋公約組織的艦船設計制定一個統一的標準;二是為出口艦船制定適用的標準，最后使船級社能夠作為艦船設計的第三方，完成艦船審圖、監造、維護和入級的工作。在NSR 規范中，明確提出了對軍船或特種船型須開展波浪載荷模型試驗，規范中給出了相應環境參數、試驗工況、模型試驗方法、測量參數、試驗結果表達等要求，為設計載荷的獲得提供了一條更為可靠、有效的方法。

1 環境海浪資料

對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。因此怎樣合理地計算和預報作用于船體上的各類波浪載荷，便成為船體結構安全性分析中必須首先回答的問題。在20世紀后期，由于新型、高速、超規范船舶結構的不斷涌現，以及高強度鋼材的廣泛使用，國際上各大船級社相繼開發了船舶結構的直接計算法。在這些直接計算法中，各船級社都對載荷的確定給予了極大的關注，提出了所謂的第一原則，即在結構設計時，必須首先合理地確定作用于船體和局部結構上各種實際可能的動態載荷，包括它們的最大值以及各載荷分量間的適當組合;然后在此基礎上，進一步討論怎樣選擇合適的內力分析方法和建立可接受的強度標準。波浪載荷反映到規范中，即為規范的設計載荷，雖然設計載荷有別于真實的載荷，但由于載荷確定的合理與否，是結構安全性正確評估的前提與基礎。隨著科學技術的不斷發展，以及船舶設計、建造和航行實踐的不斷積累，對設計載荷的規定自然也應不斷地改進和更新，使之更加合理和完善［6］。

20世紀70年代以來，世界各主要船級社所選用的海浪統計資料及其相應的波浪彎矩長期預報計算的方法在不斷的發展和變化中。

1)英國勞氏船級社LR。70年代選用OWS 的海浪資料;80年代以后，對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 四個海區的數據匯總成海浪長期統計資料LR-GWS。

2)挪威船級社DNV。70年代選用Roll ＆ Walden的北大西洋海浪資料;80年代后期開始選用GWS 的8，9 及15 三個海區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誤)并根據波浪浮子的測量參數確定允許的最大波陡度，稱為DNV-GWSmod。

3)德國船級社GL。1971年以前選用Walden的北大西洋海浪資料，以后選用美國Bales 提出的北大西洋公約組織作業海區的由風和波浪環境產生的長期統計資料，并對該統計數據進行光滑和外插處理獲得最終的設計環境(NATO)。

4)意大利船級社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)美國船級社ABS。采用Lewis 提出的H 波譜族的概念，即計入了波譜的不確定性。

6)韓國船級社KR。采用Walden 的海浪資料，稱為KR-Walden。

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

8)日本船級社NKK。采用Walden 的海浪資料。

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

10)中國船級社。也曾選用過Roll ＆ Walden 的海浪資料和1964年ISSC I.1 上發表并推薦的世界各大洋的海浪統計圖集。自加入IACS 后，開始與各國船級社廣泛接觸，21世紀90年代后使用IACS 推薦的標準海浪統計資料。

運用以上11 個海浪資料，中國船舶科學研究中心對22 艘相關船舶進行了長期預報計算，通過比較計算結果發現:海浪長期統計資料對預報結果的影響很大，也說明了海浪長期統計資料選擇的重要性。比較我國沿海海域CHINA-S、西北太平洋NP和西北太平洋海域中最嚴重海況的海區NW15 的計算結果，CHINA-S 與NP 的結果基本相當，而NW15 的結果與前兩者相比略大，相差不多。大型水面艦船應是全球全天候航行的主力戰斗艦，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。也有不少學者建議應該根據艦船實際航行的海區來建立其海浪統計資料，作為艦船結構直接設計計算的依據。

目前，世界各國在艦船波浪載荷預報計算中普遍采用ISSC 推薦的雙參數譜和P-M 譜，因此在大型水面艦船的設計準則采用的波浪載荷長短期預報方法我們也推薦使用ISSC 推薦的雙參數譜。本文研究的大型水面艦船是指以驅護艦為代表的常規艦船類型。

2 波浪中的失速研究

失速一般由2 種原因引起，即被動失速和主動失速。

被動失速是由于受風和波浪的擾動，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減小的現象。如:風對船體水線以上部分形成的附加阻力;船體在海上航行時由于縱搖和升沉運動所引起的阻力增加;為了保持船體在風浪中的航向，舵的過度動作產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;波浪和風的阻力增加使螺旋槳負荷增大，從而推進效率降低，以及螺旋槳出水使有效槳葉面積減小和空泡、吸氣的發生引起推進效率的降低等。

主動失速是由于艦船在惡劣天氣中航行時，船體在波浪中產生劇烈的運動，出現船底或外飄砰擊、甲板上浪、螺旋槳飛車等現象，迫使船長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間和距離的結果。如:船底及外飄砰擊引起了船體的劇烈高頻振動(whipping)，導致船上儀器、設備故障或船體結構損壞;或發生了甲板上浪損壞船舶甲板上儀器、設備、貨物、上層建筑、艙口蓋及艙內進水，操縱能見度降低;船體劇烈運動引起了過大的運動加速度，尤其影響到客船的舒適性;螺旋槳飛車導致船長擔心或已發生了主機與螺旋槳的損壞等。

在大多數情況下，速度減小的原因是綜合性的。例如對于常規貨船，滿載時甲板上浪是失速的主要原因，壓載時嚴重的砰擊對船體結構是危險的;對于驅逐艦、護衛艦等，砰擊是造成失速的首要原因。英國海軍通過對兩級護衛艦(37 艘)艦長問卷調查得出的失速原因排序如下:砰擊;過大的船體運動;甲板上浪。

在中低海況下，船體在風、浪中的阻力增加是艦船被動減速的主要原因;而在中高海情下，砰擊、上浪、過大的船體運動或螺旋槳出水是船長決定主動減速或改變航向的主要原因。對于船體結構設計而言，研究、設計者及船東主要關心的是艦船在中高海情下的船體強度和安全航行問題，因而艦船在惡劣氣候中的允許航速十分重要。

對于大型水面艦船，根據以往可參考的試驗和理論計算已經發現，船體砰擊振動在頂浪時主要由首外飄砰擊引起，大浪級下還有首底砰擊和上浪現象發生。因此，在大型水面艦船設計載荷的確定中，必須考慮失速的影響。同時，在極端惡劣的海況中，應該采取頂浪航行，并以能夠保持舵效的最低航速前進。

3 總體設計載荷

隨著波浪載荷預報方法、水池模型試驗以及實船試驗的內容不斷豐富，精度不斷提高，總體載荷設計值的規定也必然要隨之不斷地發生變化，使之更加合理和完善。

3.1 設計波高

對于大型水面艦船而言，準則采用以下2 種工況(極限波浪工況和巡航工況)對船體結構進行系列的計算。這2 種工況的設計波高可按下式確定:

式中:L 為正常排水量時的設計水線長，m;h2為巡航工況計算波高，m;h1為極限波浪工況計算波高，m。

圖1 設計波高Fig.1 Design wave height

3.2 非線性計算

采用二維非線性切片理論變吃水、變船寬、變船長的系列方案進了數值計算和分析。4 個方案船中剖面的載荷非線性計算結果見表1。

表1 不同方案二維非線性計算結果Tab.1 2D nonlinear result of different model test

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

3.3 模型試驗

按照該設計波高，開展了變吃水、變船寬、變船長的系列波浪載荷模型試驗，在中國艦船科學研究中心水池中完成，測量梁的布置如圖2所示。

圖2 測量梁Fig.2 Measurement beam

將模型試驗結果與數值仿真進行對比分析，船中剖面垂向彎矩的傳遞函數見圖3。從圖中可看出，模型試驗和數值仿真計算的結果一致。進一步證明了模型試驗的可靠性和數值計算的準確性。

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

根據模型試驗結果，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(見表2)。

根據模型試驗結果，不同外飄角對波浪載荷的影響見表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，也會引起砰擊載荷的減小。關于艦船外飄砰擊的影響，在NSR規范中，不僅有專門的砰擊彎矩MD計算公式，規定當其大于波浪彎矩MW時替代MW與靜水彎矩MS合成設計彎矩。同時，在其波浪載荷計算公式中，中垂波浪彎矩中包含了計及外飄面積的系數RA。因此在大型水面艦船的設計載荷中，必須要引入有關砰擊彎矩的規定，才能更加有效地指導結構設計。

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

表3 外飄角對載荷的影響Tab.3 Affection of Flare Angle

3.4 比較分析

以方案1 為例，對模型試驗、準則計算和非線性理論計算結果進行對比分析。可以得到不同方式求得的載荷分量如表4所示。

表4 設計波規范、模型試驗和非線性理論計算結果比較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，按照設計波確定的規范值、模型試驗結果及非線性理論值結果相當。而在巡航工況，非線性理論計算的砰擊矩較小，砰擊矩/波浪矩為0.30，而模型試驗的結果中，中垂砰擊彎矩/中垂波浪彎矩達到了1.26，按設計波準則計算的中垂砰擊彎矩/中垂波浪彎矩的比值則為1.28，略大于模型試驗結果。從而，可以發現該以設計波為大型水面艦船設計指導的方法得到了模型試驗和理論計算的驗證和支撐，可以較好評判大型水面艦船的總強度。

4 結 語

本文通過對大型水面艦船結構設計載荷的研究，結合模型試驗、規范研究、非線性理論計算結果，得出以下結論:

1)主船體設計波浪載荷的計算中應考慮失速的影響;

2)大型水面艦船的設計載荷確定中必須正確評估砰擊的影響;

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)基于設計波的準則體系可以準確有效地評判大型水面艦船的強度，為該類艦船的設計提供有力的支撐。

［1］周元和，等.大型驅逐艦現狀和發展研究［J］.艦船科學技術，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，沈進威.船舶波浪載荷［M］.北京:國防工業出版社，2007.