水面舰船研制过程中重量重心控制方法

周 巍 张维俊

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉430064

0 引 言

为满足执行多样化任务的需要，现代舰船搭载的装备越来越多，现代驱逐舰等大型水面舰船的总体设计限值（稳性衡准值、不沉性或快速性）常被设计成接近其排水量和稳性，以满足能携载更多的武器装备和电子设备在海上高速航行的要求。而且，随着生活保障设施标准的不断提高，受舰船动力装置功率的限制，为满足快速性要求，舰船的长宽比被设计得较大，负载（作战系统）重量与舰重量之比被设计得较高。在这种情况下，要提高舰船生命力，保障舰船的功能，设计、制造中面临的关键问题之一就是要监督和控制舰船的重量重心高度，并确保舰船留有适量的使用期裕度。

1 水面舰船的排水量及重心设计

舰船设计是为在不同的约束条件下满足所需的作战使用要求而进行的复杂的迭代过程。舰船的排水量和稳性是衡量舰船总体基本特性的重要指标之一，重心高度是影响稳性的主要因素，且要求其在整个使用期内都满足设计极限重心高度的要求。

为保证舰船在各种装载状态下航行均能保持稳定，我国规范中对各类舰船标准排水量和正常排水量下的稳性指标均给出了明确的限值要求。美国在其“舰船通用规范”中对舰船空载和满载航行状态的稳性提出了稳性衡准要求；对舰船航行过程中一些特殊航行状态下的稳性也提出应予以计算校核，以确保在最恶劣状态下满足稳性衡准的要求。总之，就稳性限值或衡准而言，无论是国内还是国外，都是从保障舰船在恶劣状态下的安全出发而提出的要求。因此，稳性是舰船安全的重要指标。

我国舰船排水量设计通常以正常排水量来衡量，因此，在舰船设计初期，要确定正常排水量和重心高的极限。舰船正常排水量的极限值通常根据舰船的使用需求、主要总体技术性能和总布置要求来确定，并应符合研制任务书的要求，即在该正常排水量极限值时，船体的总纵强度应满足规范的要求，舰船在主机以额定功率和最大功率工作时的最大航速（或巡航速度）应满足要求，各种装载状态下的舰船不沉性指标也应满足规范要求。

重心高极限根据稳性极限来确定。通常，通过排水量极限下的完整稳性极限确定一个最大重心高，再由破损稳性极限确定另一个最大重心高，并对二者进行比较，确定的舰船极限重心高就是完整稳性或破损稳性极限的下限。

确定了正常排水量极限和重心高极限之后，在舰船设计的各阶段，必须进行全舰重量重心计算，以核算排水量值是否控制在正常排水量和重心高极限值以内，且留有足够的全寿期裕度。在计算、校核舰船的稳性和不沉性（包括破损稳性）是否满足稳性极限要求时，若发现稳性结果有超差或接近超差，则在设计中必须立即采取相应的措施。

2 水面舰船重量重心控制方法

为使舰船的实际重量重心在建造完工后和服役期间仍能控制在与设计时一致的状态，目前，国内外舰船的重量重心控制工作主要体现在设计储备、设计过程中的重量重心控制及建造过程中的重量重心控制等3个方面。

2.1 设计储备

舰船重量重心的设计计算是与设计阶段同步的一个渐进过程，其重量重心结果也是逐步逼真的。在每个设计阶段，都存在着不可预见的误差，如设计或计算差错、设备的更改及不同施工工艺等。在全寿期内，若干次的修理、改装或新设备和系统的加装，也会造成舰船重量和重心高的持续增长以及稳性的下降。因此，在设计中需要留有一定量的设计、建造和现代化改装（使用期裕度）所需的排水量和重心高储备，以使设计舰船的排水量和重心高在设计的各个阶段、建造完工以后以及全寿期内都能控制在正常排水量的限值内，保持足够的稳性。

目前，我国水面舰船的重量重心储备设计主要考虑了设计或计算误差、建造工艺误差和现代化改装等三方面。在我国早期的舰船规范中，对水面舰船重心储备无明确要求，具体重量重心储备值主要由设计师根据经验，通过参考母型船，考虑对物质资料的掌握程度以及新设备的研制程度，并考虑一定的建造余量和现代化改装储备（使用期裕度）来确定，各类舰船尚无定值。

在2000年颁布实施的“舰船通用规范”中，对设计与建造排水量储备的限值要求予以了规定，但无重心高储备要求，也无现代化改装储备（使用期裕度）要求，目前，我国设计的水面舰船对服役后的现代化改装储备均较少。而美国海军在此类规范中不仅对设计建造储备提出了明确要求，而且美国海军海上系统司令部于二战结束后不久就提出了水面舰船使用期裕度要求，即重量裕度为满载重量的5%，重心高裕度是在满载状态下极限重心高的基础上增加0.15m［1］，并建立了稳性状态分类（根据舰船的重量裕度和极限重心高裕度来分配稳性状态）。上世纪70年代末，美国海军海上系统司令部为正式制定使用期裕度衡准的需求，进行了水面舰船使用期重量重心和极限重心高的统计研究，并对典型船体的各型舰船进行了倾斜试验。上世纪80年代以后，美国又对水面舰船使用期裕度衡准进行了调整，如表1所示。

DDG-51驱逐舰（阿里·伯克级）针对0.3m的极限重心高储备（4.2%极限重心高满载）使用期裕度衡准要求，在其设计和建造过程中预留了较大的储备裕度，如表2所示。此外，通过严格的控制措施，保证了其完工时具有0.3m的极限重心高储备。其他国家海军对水面舰船大多都有使用期裕度衡准要求，如表3所示。

表1 美国水面舰船使用期裕度Tab.1 Service life allow ance for the United States surface ships（NAVSEINST9096.6A）

表2 DDG-51施工设计与建造裕度Tab.2 DDG-51 construction design and build allowance

表3 各国海军水面舰船使用期裕度Tab.3 Com parison of naval su r face ship service life allowances

2.2 设计过程中的重量重心控制

确定舰船重量重心储备后，进行有效的控制是在设计过程中保持预留储备的关键。

2.2.1 设计初期的顶层要求

重量重心控制的顶层要求包括设计规范、产品重量重心控制大纲和控制要求，它是舰船设计过程中进行重量重心控制的重要指导性文件。上世纪90年代后期，我国研制的舰船根据“规范”关于重量重心控制的原则要求，开始编制产品重量控制大纲，明确各设计阶段的重量控制计划、重量计算、重量报告以及建造的重量检查、完工重量计算等要求；编制了舰船的重量控制要求，明确了控制目标和船体、各系统、设备超差要求，以及设计、建造重量优化、检查要求等。这些措施从管理制度上推进了舰船重量重心控制工作。

美国海军除了在《美国海军舰船通用规范》和《DD963驱逐舰规范》中对舰船设计中的重量控制有明确要求外，还颁布了《美国海军水面舰船重量控制技术要求》，使重量控制要求具体化［2-5］。在开展具体的型号舰船研制时，编制了研制舰船的重量控制大纲。如DDG-51，在研制初期就编制了《DDG-51重量控制大纲》，明确了重量重心控制目标，包括要求投标人在独立重量估算书中阐明若干项减重设计改进目标；在设计初始阶段实施的减重措施；提出要对结构单元件、卖方和政府的供应设备要求称重；对超出排水量和极限重心高合同限值的情况，提出了明确的违约罚金细则等［6-7］。

2.2.2 舰船设计各阶段的重量重心计算及深度

我国在舰船方案设计阶段确定的重量重心多为估算值，主要是采用母型类比系数法进行估算，或对有明确状态的大设备按资料数据进行计算。在技术设计阶段，随着设计的深入和装舰设备技术状态基本固化，重量重心主要通过计算获得，而全舰基座重量重心和以原理设计为主的系统设计则仍采用估算。在施工设计阶段，重量重心大部分是以施工设计安装图计算到设备单元级，结构按图纸理论板厚进行较为细致的计算，管系电缆的重量重心以布置线路图为基础进行计算，估算成份较多。全舰大多数电缆采用设备重量乘系数法进行计算，因备品备件重量、尺寸等参数资料不全，因此重量重心仍以估算进行。

美国海军在DDG-51施工设计的重量重心计算中，是采用计算机三维辅助设计管路、电缆，并提取重量资料，同时辅以误差修正的方法来进行重量重心计算；对舰载备品和供应品，则是利用后勤管理系统确定的装载量和品种来确定实际舰上存放舱室位置后再进行计算；对于船体结构重量计算，利用的是钢厂对钢板实际板材厚度和密度测量结果，来计算分析得出密尔容差（某类钢板单位面积重量的目标值和标称值之差与标称值之比的百分数）百分数运用于每份结构图的计算。

2.2.3 舰船总体设计中减重优化措施

目前，我国在舰船设计初期均对各专业设计提出了减重要求，如总体布置规划时减少不必要的舱壁、对结构进行满足强度要求情况下的重量最小设计、基座减重设计、管路系统优化走向，以及采用轻质材料和轻型电缆托架等。各专业根据要求均采取了一些优化减重措施，但由于无具体指标要求，减重效果不明显。

美国海军在舰船设计中，通常是在重量控制大纲中即根据投标方重量估算书提出的要达到的排水量限值提出需改进优化的具体指标要求，并进行指标分解。表4所示为DDG-51投标方重量估算书的重量重心要求。

表4 投标人重量估算书的重量重心要求Tab.4 The requirem ents of DDG-51weightand center of gravity in biddersweightestim ation

由表可见，需设计改进的重量总计-139.1 t，分解后的具体项目和指标为：轻型基座设计-21.3 t；优化设计以使电缆和有关重量减至最小-15.2 t；辅助系统和舾装设计裕度引起的重量减至最小-50.8 t；减小密尔容差-51.8 t。

美国海军在对CG52“宙斯盾”巡洋舰（“提康德罗加”级）进行安装导弹垂直发射系统的设计时，出现了重量重心升高较大的问题。为此，美国海军成立了专项办公室，进行了细致的分析，根据需减轻的具体超差量重点对船体结构进行了优化；通过总纵强度的详细计算分析，采取减少板材和扶强材的厚度以及结构件尺寸、结构件选用强度更高的钢制造、重新设计基座等具体措施实现了目标。此外，还对通风系统、电气系统电缆、托架及岸电设备等进行了优化，减小了电缆绝缘层直径和设备量，最终减重约220 t，完全达到了重量重心的控制要求。

在民用船舶中，关于结构重量的优化控制具体措施更多，如结构件板材优化配置、高强轻质钢材料应用等［8］。

2.3 建造过程中的重量重心控制

在建造过程中，目前我国对重量重心采取的主要措施是：船厂对钢板进行测厚检查，并修订钢板厚度公差范围；对建造的船体结构进行称重检查，及时分析预测全舰排水量；对所有装舰设备均要求称重，并出具设备供应商和用户签署的重量证明书；由制造方和用户共同组成重量控制小组；执行重量超差上报及处理分析制度，以及重量控制工作例会制度等。有单位研究并提出了海洋结构物建造过程中的重量、重心位置精度控制方法，运用该方法，在建造过程中可以对重量、重心误差进行动态调整［9］。

美国在DDG-51的研制过程中，船厂建立了重量控制小组，对结构单元件、承包商和政府的供应设备进行了称重；对钢板的实际尺寸和重量进行了测量，确定并控制了密度误差限值。

通过对建造中舰船的各型钢板、型材厚测量及船体结构称重的结果进行分析发现，钢板及型材厚度的超差率为3%～5.5%，平均约4.1%，钢板及型材的平均超差率约为2.7%，船体结构称重结果与理论相比超差率为5.5%。对公差范围进行调整后，板厚超差率为1%～3.2%。而美国CG51舰对某型钢板的密尔容差测量结果平均为5.4%，经与钢材厂协调，减小到了2.01%。由此可见，国内外钢板的超差率是存在的，需要对公差进行协调控制。

3 使用期重量重心情况分析

为了分析使用期重量重心的变化情况，针对我国2000年以前研制的数型舰船，将其完工交船时与改装后排水量、重心高的变化进行了比较，如表5所示。

表5 数型舰船研制完工交船与改装后排水量及重心高变化比较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可见，现役水面舰船的稳性均较设计完工交船时降低了许多，且正常排水量均有较大增长，变化最大的达3.4%。此外，重心高的增幅也较大。其中，除现代化改装本身引起的增重外，舰船使用期引起的非预定重量的增长也相当大。在某船实施倾斜试验前，曾对该船进行了全舰设备安装状态检查，对检查结果的分析表明，这些非预定的重量增长主要是因修理引起的军械、备件放置架、生活舱室等的改造而引起的重量增加，以及备品备件补充、舰员和行李的增加和持续保养（涂装）而引起的重量增加等。而且，为保持足够的稳性，改装时均加装了固体压载（铅或铁）。

美国海军海上系统司令部曾对美国水面舰队现役的40个级别、最长舰龄为36年的253艘舰的稳性状态和压载进行了统计，结果表明：尽管美国规范对舰船使用期裕度的要求已相当高，但在舰船使用期内，为保持稳性，其中有59.3%的舰船装有固体压载，且平均固体压载的量值最小的为9 t，最大的约达1 500 t。美国海军水面舰队携载的铅和生铁压载总数为27 711 t，其水面舰船正以相当的速度消耗掉重量和重心高储备。为此，美国海军于上世纪80年代后对使用期裕度衡准进行了较大调整，将储备裕度提高了一倍。

4 控制措施

水面舰船的重量重心控制贯穿舰船研制的全过程。在舰船设计中，必须储备排水量和重心；因使用期的重量重心增长相当大，因此，也需留有较大的使用期裕度储备。在舰船研制过程中，国内外均在顶层要求、减重优化设计、建造控制等方面采取了重量重心控制措施。相比而言，在舰船研制中，国外对重量重心的控制要求更严，其在规范中明确了排水量和重心的设计储备衡准。在优化要求上，国外的具体指标明确，控制措施执行力强，合同中有超重违约处罚条款。因此，要有效控制我国水面舰船的重量重心状态，使舰船在全寿期保持研制总要求的技术状态，就要建立完整的重量控制体系，从顶层、设计、建造和管理等方面进行控制。

1）舰船总体重量重心控制的顶层规划。

要制定适合中国国情的水面舰船重量重心储备衡准，就需要在研制初期尽早确定排水量极限和重心高极限值，根据舰船及其设备的成熟度，留出适量的排水量和重心高储备值，并留出较大的使用期裕度。对于新船型、新研设备多的新研舰船，其排水量储备和重心高储备也应留有较大值，取衡准值的上限或大于上限值50%以上。在实际工作中，应按设计、按建造、按系统、按专业进行储备裕度指标的分解，明确量化的控制指标要求。

2）通过全舰集成优化设计，提高重量重心计算精确度。

精简系统，优化使用流程，转变设计观念，从以机柜为单元的总体集成设计转变为以接插件或芯片为单元的总体集成设计，减少人员和设备量。

在各阶段设计中，应从设备和材料选型、系统原理设计及管系电缆走向、船体结构装置等方面全方位优化。船体结构占全舰重量比例大，通过精细化设计，以及细化材料、强度等分析，对减轻重量、降低重心效果较好，同时，还可借助三维设计进行重量重心精确计算。

3）建造过程中严格重量检查及控制。

船厂应对钢板、型材、管材等各类材料的厚度、密度和容重进行严格测量，协调控制公差范围，重点进行建造舾装的减重优化。另外，在系统设备的技术规格书中，应明确重量重心控制要求及重量重心指标，明确需采取的重量超重违约处理措施。

5 结 语

水面舰船重量重心控制是舰船整个研制过程中十分重要的问题，是关系到舰船全寿期生命力和未来用途的大问题。由目前国内外水面舰船在设计建造过程中对重量重心的控制现状及措施可见，水面舰船重量重心的增长不仅存在于设计中，也存在于其使用期。提出了加大舰船重量重心使用期储备裕度的建议，对我国水面舰船重量重心控制有一定的指导作用。

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