水面艦艇在高海況航行時的安全性分析

蔣　頡，傅江妍，韓正君

(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

水面艦艇在高海況航行時的安全性分析

蔣頡，傅江妍，韓正君

(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

摘要：隨著海軍使命任務拓展，執行遠洋任務越來越頻繁，海域越來越廣，時間越來越長，遭遇各種高海況的幾率越來越高，高海況對執行任務造成一定影響。本文對影響水面艦艇高海況航行安全性的幾個方面進行系統總結分析，通過與國外軍規或民船規范的比較，了解我國水面艦艇高海況航行時安全性設計所處的水平，提高船員使用信心，為指揮者和艦員提供參考。同時為保障艦艇在高海況下具有良好性能，從設計者的角度出發，提出高海況下裝載及使用原則。

關鍵詞：水面艦艇；高海況；安全性

0引言

隨著海軍使命任務拓展，執行遠洋任務越來越頻繁，海域越來越寬廣，時間越來越長，遭遇各種高海況(5級以上)的幾率越來越高，惡劣的海況及船體在海浪中的運動幅度可能對艦員造成嚴重心理影響，從而影響正常執行任務。

國內外關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、保障和結構強度等，還沒有對水面艦艇在高海況航行的安全性問題進行系統總結分析，而且國內外的研究成果專業性較強，與實船存在差異，不易被使用者理解。針對這種情況，本文從水面艦艇設計者的角度出發，綜合使用者需求和理論研究成果，總結了影響水面艦艇高海況航行安全性的幾個主要方面，如浮態和重量重心、穩性、耐波性和船體結構等。通過與國外軍規或民船規范的比較，了解到我國水面艦艇安全性設計所處的水平，提高船員使用信心，為指揮者和艦員提供參考。

1艦艇總體性能設計

1.1　浮態及重量分布

良好的浮態是保證其他性能的基礎，如穩性、不沉性和耐波性等，浮態不好將導致其他性能進一步惡化。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。水面艦艇設計一般從2個方面進行設計：一是在設計過程中通過總布置的優化調整，控制重量重心位置，使艦艇具有良好的浮態；二是建造過程及服役后臨時搭載人員或貨物引起浮態變化，可以通過調整液體裝載來調整浮態。使得艦艇浮態控制在橫傾小于0.5°、無首傾、尾傾小于0.4%設計水線長的范圍內，以滿足《艦船通用規范》的要求[5]。

艦艇重量分布不均勻可能導致艦艇固有頻率與主機、螺旋槳工作時的巡航工況、最高工況頻率共振而產生的總振動(水平振動、垂直振動)問題，甚至影響到艦艇總縱強度，破壞強力甲板。水面艦艇設計過程中，需統計20站的重量分布情況，使艦艇重量分布沿船長方向呈正態分布，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　穩性

船舶穩性是指在外力作用下，發生傾斜而不致傾覆的能力，當外力的作用消失后，它仍能回復到原來平衡位置的能力。

針對大風浪環境，穩性主要從2個方面采取措施：一是嚴格控制重量、重心，使艦艇具有合理的初穩性高及較大的抗風能力；二是控制上層建筑大小，減少受風面積。

針對靜穩性，美國海軍標準US Navy standard (US Navy′s DDS 079-1) 中要求標準排水量初穩性高為不小于0.65 m。我國《艦船通用規范》規定正常排水量大于2 500 t的船舶標準排水量初穩性高為不小于0.75 m，穩性消失角不小于80°。CCS民船規范只要求大于0.15 m，穩性消失角不小于55°[6]。

圖2　典型水面艦艇的靜動穩性曲線Fig.2　Curves of static and dynamic stability of a typical　naval ship

針對動穩性，主要考慮陣風作用，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。德國勞氏水面艦艇規范(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為靜穩性力臂；k為風傾力臂；φ為橫傾角；φref=2·φstat+5[°]。

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

美國相關規范假定風傾力矩隨cos2φ變化，我國和日本規范則取為不隨φ而變的定值，這樣可使計算、作圖簡便，且是偏安全的一種設計方法。

歐美海軍是傳統海軍強國，而美國海軍更是唯一的全球海軍，其海軍水面艦艇還沒有因高海況航行使船體本身出現問題，導致事故的報道。我國海軍通過多年使用，積累了大量數據，驗證現有規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下，產生的6個自由度運動及各種出水、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。

船舶在波浪中的運動，首先要了解波浪的分級。

我國規范中對海況的分級，海況和波高、平均風速對應值如表1所示[8]。

表1　海況的分級

表1中，波高為北半球大洋海浪的年平均統計結果，三一平均波幅是把測得的波幅(如2000個波高)按大小依次排列，取最大1/3的平均值。風速高程海平面上10 m，時距為10 min的平均值，陣風一般約為平均風速1.5～1.6倍。

日本氣象廳采用的波高與我國完全一樣。

美國水文局浪浪級如表2所示。

表2　美國風浪的分級

在船型設計過程中耐波性經過多輪的理論計算和模型試驗的驗證，主要包括船體基本運動參數，在短峰海浪中的垂蕩、橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩和首搖的運動位移有義單幅值；全艦重要部位處運動參數，包括短峰海浪中3個方向的位移、速度和加速度；與相對運動有關的耐波性事件，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。

理論預報采用STF切片理論三維仿真計算，先求出艦船在規則波中以一定的速度按不同浪向航行時5個自由度運動(橫搖、縱搖、垂蕩、橫蕩和首搖)響應，縱蕩運動單獨處理；求出剖面的流體動力系數(附加質量和阻尼系數)、擾動力和力矩；應用線性疊加(其中橫搖運動采用非線性疊代)原理和雷利分布，求取在不規則波中的運動響應統計值。

世界各國使用的船舶耐波性預估方法的理論基礎是相同的，如果預估中使用的海況一樣，可能會因為計算者的經驗及修正方法不同，耐波性預估的結果略有偏差。

我國水面艦艇通常還將進行實船高海況適航性專項試驗，進一步驗證了水面艦艇在高海況中航行的安全性。

1.4　不沉性

當船體破損、上浪或從水密門、蓋和閥進入海水時，船舶仍能保持一定的浮性和穩性而不致沉沒或傾覆的能力。

按《艦船通用規范》中有關規定：正常排水量2 500 t以上的水面艦艇，任意相鄰三艙(其長度不小于設計水線長度的20%，否則應在該隔艙組的一端加一個較小的相鄰隔艙，并使其總長度不小于設計水線長度的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、測量船、訓練船滿足任意相鄰兩艙破損不沉(對稱或不對稱)；干舷、初穩性高、靜橫傾角等衡準要求也做了適度的降低。民用船舶為了經濟性更好，采用概率法計算破艙穩性，根據相關規范研究[9]表明確定法計算破損穩性比概率法計算的結果更安全，而《艦船通用規范》中要求比民規中確定法計算破損穩性更嚴格。

2艦艇結構設計

2.1　結構高海況下強度設計

船體結構是水面艦艇抗御敵方攻擊和破壞的防護體，也是艦員工作、生活和訓練的海上移動平臺。為了保證海軍艦船的高生命力和戰斗力，船體結構從在設計之初就從材料選擇、結構形式設計、連接節點、焊接材料的選型等多方面開展大量的研究和試驗，以保證艦船整體結構在服役周期內具有足夠的安全性和足夠的強度裕度。

按《艦船通用規范》有關總縱強度及局部強度設計規范設計。當艦艇航行區域受限制時，要求按規范求得的諧振波高不超過其限制航區的最大波高；當超過時，則取限制航區的最大波高作為諧振波高設計波浪載荷進行總縱強度校核和極限強度校核。艦船結構的極限強度無論在中拱和中垂，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

水面艦艇的船體結構形式一般設計為軍艦特有的縱、橫骨架交錯形式，即在各層甲板、外板上均布置了大量的縱骨、橫梁、縱桁等強力結構，這樣的結構強度和剛度都更好，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也能保證艦船不會斷裂。而民船從經濟性、重量控制等因素考慮一般多采用橫骨架式。

2.2　高海況下的結構疲勞問題

水面艦艇長期在海上航行和作業，船體結構一直受到波浪力及運動產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載荷，在結構內部產生交變應力，這種交變應力周期性的累積效應將造成結構的疲勞損傷。大量的實船航行實踐表明，船舶典型節點部位的疲勞強度不足是船舶結構破損的一個重要原因。

水面艦艇的疲勞載荷主要包括：波浪附加彎矩、砰擊振動彎矩和波浪砰擊壓力。

關于船體結構長期在高海況下的疲勞問題，可以通過研究材料和典型節點的S-N曲線，了解結構疲勞問題。

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

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

圖中：σ-1為對稱循環下的疲勞極限；σ為循環應力；Nf為循環次數。

疲勞載荷所對應的超越概率水平取10-8，相應的船舶設計壽命為20年左右，船舶設計壽命內的應力范圍循環總次數為107。

2) 根據結構材料強度對疲勞的影響規律，疲勞與材料的極限強度成直線關系，即材料極限強度增加，疲勞極限也能相應提高。水面艦艇選用的結構材料的極限強度大于實際規范計算最大值σ， 應力幅值還處于材料的疲勞安全區。同時，使船體結構產生疲勞問題的激勵源――波浪動載荷，所產生的應力幅值絕大多數情況下均小于規范計算最大值σ， 所以結構能承受的疲勞Nf循環次數一般大于1 000萬次，理論上可認為船體結構在設計壽命期內不會產生疲勞問題。

3高海況裝載及使用建議

3.1　裝載量和布置要求

出航前，仔細檢查艦艇裝載量，掌握艦艇浮態。

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

應嚴格控制艦船出航狀態的總裝載量，且應注意裝載的物資應貯藏在盡可能低的區域，特別是針對設計狀態以外的物資不應貯藏在主甲板及以上區域，且所有物資前后、左右均衡布置，保證艦船具有良好的浮態。

遠航過程中應堅持對可移動的裝載進行全面的巡檢制度，對機械設備和裝載進行必要檢查、加固。

3.2　使用消耗與調整

1)油水艙

為減少艦上液體艙自由液面對穩性的影響，液體艙的使用應該是1個中艙或者1對邊艙全部用完后，再使用其他艙。結合浮態的調整，應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艙段雙層底內的日用燃油艙，再將首尾部的燃油及時補充至雙層底日用燃油艙。

在油水艙使用過程中應關注艦的浮態，必要時可調撥油水滿足浮態要求。

2)干貨

物資的消耗應先使用布置在主甲板以上的，以控制使用過程中全艦船的重心位置。

3.3　補給

為確保艦船具有良好的穩性，應在油水、供應品、彈藥消耗1/3后及時進行補給，美國海軍設計手冊認為以上物資消耗1/3時是最佳作戰狀態。

4結語

本文分別從浮態和重量重心、穩性、耐波性、不沉性、船體強度和結構疲勞性幾個方面影響水面艦艇高海況航行安全性的方面進行系統的分析總結，通過與國外軍規或民船規范的比較，了解到我國水面艦艇安全性設計所處的水平，提高船員使用信心，為指揮者和艦員提供參考。同時為保障艦艇在高海況下具有良好的能力，從水面艦艇設計者的角度出發，提出了高海況下裝載及使用建議。

通過與使用者交流，發現使用者較為關注水面艦艇在風浪流中實際的運動情況，而水面艦艇提供給部隊的完工文件主要是靜水力數據，基本沒有考慮風浪作用的水面艦艇運動。這方面的研究將是下一步研究的重點。

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Research on the security of naval ships in severe sea conditions

JIANG Jie，FU 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

作者簡介：蔣頡(1982-)，男，工程師，研究方向為艦船總體設計。

收稿日期：2014-05-29； 修回日期： 2014-07-17

文章編號：1672-7649(2015)01-0006-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.002

中圖分類號：U661.2

文獻標識碼：A