艦炮基座及其支撐結構強度的準靜態分析

吳群明　陳亮亮　陳南華

摘 要：艦炮基座及其支撐結構的外載荷特性復雜，合理計算其載荷和結構強度評估對其設計、建造和使用都極為重要。本文采用規范法計算艦炮基座的設計載荷，采用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立局部結構模型，得到結構準靜態響應分布特征，并與衡準值比較對該結構進行強度校核。本文方法可為類似的艦炮基座的強度分析提供參考。

關鍵詞：艦炮基座；艦炮設計載荷；直接計算

中圖分類號：U661.73 文獻標識碼：A

Abstract： The design loads of naval gun seat and its support structure are complex， the load calculation and structural strength evaluation are of great importance for the design and construction of naval gun seat and its support structure. The design loads are calculated by the rule method and the local structure model is established by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran， the detailed stress response is obtained and the strength is checked according to the critia.The method can provide reference for the similar gun seat and support struture.

Key words： Naval gun seat； Design load； Direct calculation

1 前言

艦炮基座是指用于固定炮身的剛性連接在船體上的結構 [1]；艦炮基座支撐結構系指與基座焊接、直接承受艦炮載荷的船體結構。準確計算艦炮基座及其支撐結構所承受的外載荷，正確建立基座及其支撐結構的有限元模型，對艦炮基座及其支撐結構的設計、建造與維護具有極其重要的作用。

本文首先探討中國船級社《水面艦艇入級規范》中關于艦炮基座及其支撐結構遭受的外載荷的計算方法；建立相應的艦炮基座及其支撐結構的局部有限元模型，確定合適的網格尺寸劃分方案和合理的邊界條件[2]；將計算得到的載荷施加在有限元模型上，進行結構有限元準靜態響應分析，與規范中的強度衡準比較，對基座及其支撐結構的強度進行準靜態強度結構校核。

整個艦炮及其支撐結構強度校核的準靜態計算流程，如圖1所示。

3 艦炮計算載荷

3.1 艦炮計算載荷

中國船級社《水面艦艇入級規范》2.6.5.4（1），給出了基座及其支撐結構校核所需考慮的四種載荷及其計算方法：

（1）艦炮發射后座力F（沿艦炮軸線），按下式計算：

4 有限元計算模型

4.1 模型范圍

有限元模型主要依據艦炮基座圖、艦炮轉運間圖、艦炮其它支撐結構圖建立，模型范圍包括整個艦炮基座、轉運間及與其相連的船體支撐結構。有限元模型見圖2。

總體坐標系取右手直角坐標系，原點取在艦炮基座面板上平面中心（#97）處，x軸沿船長向首為正方向，y軸沿船寬向左舷為正方向，z軸沿型深向上為正方向。

結構中的板材和主要支撐構件的腹板用板單元模擬；扶強材、縱骨、主要支撐構件的面板、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構件的實際截面和偏心；炮身結構通過MPC單元與艦炮基座面板剛性連接。

模型網格尺寸縱向以300 mm、橫向、垂向以200 mm為基準進行劃分；模型中共有4 296個節點、4431個板單元、3 297個梁單元；材料為船用普通鋼，其屈服強度為235 MPa、彈性模量為2.06x105 MPa、泊松比為0.3、材料密度為7.85x10-9 t/mm3，重力加速度為9810 mm/s2。

4.2 邊界條件

模型的甲板邊界及支柱下端采用簡支邊界條件，即δx=δy=δz=0。

5 計算工況與許用應力

5.1 計算工況

根據中國船級社《水面艦艇入級規范》2.6.5.4（2）的規定，應考慮表1所示各種工況。

5.2 許用應力

根據中國船級社《水面艦艇入級規范》2.6.5.6的規定，許用相當應力[σ]和許用剪應力[τ]如下：

從表2及圖3～圖6可以看出，4種工況下的計算應力均小于許用應力，因此本艦炮基座及支撐結構強度滿足中國船級社《水面艦艇入級規范》要求。同時也可以看出，四種工況下的計算應力比規范要求的許用應力小很多，具有較大的安全裕度。

7 結論與建議

通過對艦炮及其支撐結構的外載荷計算有限元準靜態分析，得到艦炮及其支撐結構的應力響應結果，通過與中國船級社《水面艦艇入級規范》給出的許用應力衡準進行比較，對艦炮及其支撐結構進行了強度評估，滿足要求。本文提出的方法可為類似結構的分析提供借鑒作用，也可以為艦炮及其支撐結構的設計、維護和使用提供參考。

在具有全船重量重心分布、船體型線和海況資料的前提下，可進一步開展波浪載荷直接計算，預報相應的加速度值，更加準確合理地計算側向慣性力和垂向慣性力，從而更為合理地評估艦炮及其支撐結構的強度。鑒于準靜態分析得到的響應應力遠小于許用應力，還可以進一步開展艦炮及其支撐結構的動態響應特性研究，找出具體制約該種結構尺度和形式的決定因素。

參考文獻

[1] 中國船級社.水面艦艇入級規范[S].人民交通出版社，2011.

[2] 劉兵山，黃聰.Patran從入門到精通[M].中國水利水電出版社，2003.

[3] 戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪載荷[M].國防工業出版社，

2003.

[4] 陳超核，鐘偉芳，等.集裝箱船結構設計波浪載荷計算[J]. 華中科技

大學學報（自然科學版）.2008，36（10）.endprint