大型水面舰船结构设计载荷研究

楼伟锋，蒋彩霞，胡嘉骏，竺一峰

(1.海军装备研究院，上海200235;2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082)

0 引 言

21世纪大型水面舰船在海上打击力量中将扮演十分重要的角色。其发展趋势主要体现在适应高技术条件下的海上多维联合作战，其发展特点将是攻防一体化、信息网络化、武器精确化、特征隐身化、控制智能化，加上高效费比的可承受性［1］。其诸多发展特点决定了在设计规范上必然有更多的要求。当前我国周边海洋权益斗争日益尖锐和复杂化，特别是在东南沿海和南中国海域，中东到我国的石油运输路线漫长且存在不稳定因素，面对如此严峻的形势，研制、设计和制造技术先进的大型水面舰船，作为编队作战和护航的核心，非常必要。由于军用舰船的特殊性，对大型水面舰船的总体设计准则进行研究，是设计、建造大型水面舰船的必要技术支持，可为大型水面舰船的设计提供指导。

目前，国际上几个主要船级社已经相继出版了军用舰船设计建造规范，如英国劳氏(LR)的“Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships”(NSR)［2］、法国船级社(BV)的“Rules for the Classification of Military Ships”(MSR)［3］、挪威船级社(DNV)的“Rules for High Speed，Light Craft and Naval Surface Craft”(HLNR)［4］，美国船级社ABS 的“Rules for the Classification of Naval Vessel(NVR)［5］。这些规范充分利用大量民船设计的成熟技术和当今船舶设计的先进设计思想，包含了适用性、安全性、生命力、经济性、全寿期、环保等理念，标志着21世纪舰船设计思想的发展方向。编制这些规范的目的:一是为北大西洋公约组织的舰船设计制定一个统一的标准;二是为出口舰船制定适用的标准，最后使船级社能够作为舰船设计的第三方，完成舰船审图、监造、维护和入级的工作。在NSR 规范中，明确提出了对军船或特种船型须开展波浪载荷模型试验，规范中给出了相应环境参数、试验工况、模型试验方法、测量参数、试验结果表达等要求，为设计载荷的获得提供了一条更为可靠、有效的方法。

1 环境海浪资料

对航行于海洋中的船舶而言，波浪载荷是所有船舶载荷中最重要的载荷。因此怎样合理地计算和预报作用于船体上的各类波浪载荷，便成为船体结构安全性分析中必须首先回答的问题。在20世纪后期，由于新型、高速、超规范船舶结构的不断涌现，以及高强度钢材的广泛使用，国际上各大船级社相继开发了船舶结构的直接计算法。在这些直接计算法中，各船级社都对载荷的确定给予了极大的关注，提出了所谓的第一原则，即在结构设计时，必须首先合理地确定作用于船体和局部结构上各种实际可能的动态载荷，包括它们的最大值以及各载荷分量间的适当组合;然后在此基础上，进一步讨论怎样选择合适的内力分析方法和建立可接受的强度标准。波浪载荷反映到规范中，即为规范的设计载荷，虽然设计载荷有别于真实的载荷，但由于载荷确定的合理与否，是结构安全性正确评估的前提与基础。随着科学技术的不断发展，以及船舶设计、建造和航行实践的不断积累，对设计载荷的规定自然也应不断地改进和更新，使之更加合理和完善［6］。

20世纪70年代以来，世界各主要船级社所选用的海浪统计资料及其相应的波浪弯矩长期预报计算的方法在不断的发展和变化中。

1)英国劳氏船级社LR。70年代选用OWS 的海浪资料;80年代以后，对OWS 中的波浪周期作了重要修正，出版了最新资料GWS，并直接选用(不作任何修正)GWS 的8，9，15 及16 四个海区的数据汇总成海浪长期统计资料LR-GWS。

2)挪威船级社DNV。70年代选用Roll ＆ Walden的北大西洋海浪资料;80年代后期开始选用GWS 的8，9 及15 三个海区资料和全球海浪资料。它采用每月的有方向性的离散图(以避免在离散图的边缘存在不期望的舍入错误)并根据波浪浮子的测量参数确定允许的最大波陡度，称为DNV-GWSmod。

3)德国船级社GL。1971年以前选用Walden的北大西洋海浪资料，以后选用美国Bales 提出的北大西洋公约组织作业海区的由风和波浪环境产生的长期统计资料，并对该统计数据进行光滑和外插处理获得最终的设计环境(NATO)。

4)意大利船级社RINA。70年代选用Walden的北大西洋海浪资料，以后采用Hogben ＆ Lumb 的OWS 资料，称为RINA-OWS。

5)美国船级社ABS。采用Lewis 提出的H 波谱族的概念，即计入了波谱的不确定性。

6)韩国船级社KR。采用Walden 的海浪资料，称为KR-Walden。

7)法国船级社BV。对北大西洋采用Roll 或OWS 的海浪资料，对太平洋采用日本Yamanouchi和Ogawe 的资料。最近又提出了自己的GWS(8，9，15 及16 海区)的北大西洋海浪资料。

8)日本船级社NKK。采用Walden 的海浪资料。

9)印度船级社IRS。最近也提出了自己的GWS(8，9，15 及16 海区)的北大西洋海浪资料。

10)中国船级社。也曾选用过Roll ＆ Walden 的海浪资料和1964年ISSC I.1 上发表并推荐的世界各大洋的海浪统计图集。自加入IACS 后，开始与各国船级社广泛接触，21世纪90年代后使用IACS 推荐的标准海浪统计资料。

运用以上11 个海浪资料，中国船舶科学研究中心对22 艘相关船舶进行了长期预报计算，通过比较计算结果发现:海浪长期统计资料对预报结果的影响很大，也说明了海浪长期统计资料选择的重要性。比较我国沿海海域CHINA-S、西北太平洋NP和西北太平洋海域中最严重海况的海区NW15 的计算结果，CHINA-S 与NP 的结果基本相当，而NW15 的结果与前两者相比略大，相差不多。大型水面舰船应是全球全天候航行的主力战斗舰，为了提高舰船的安全性建议选用北大西洋IACS-NEW 的海浪资料。也有不少学者建议应该根据舰船实际航行的海区来建立其海浪统计资料，作为舰船结构直接设计计算的依据。

目前，世界各国在舰船波浪载荷预报计算中普遍采用ISSC 推荐的双参数谱和P-M 谱，因此在大型水面舰船的设计准则采用的波浪载荷长短期预报方法我们也推荐使用ISSC 推荐的双参数谱。本文研究的大型水面舰船是指以驱护舰为代表的常规舰船类型。

2 波浪中的失速研究

失速一般由2 种原因引起，即被动失速和主动失速。

被动失速是由于受风和波浪的扰动，使得舰船在保持功率不变的情况下航行速度较静水条件时减小的现象。如:风对船体水线以上部分形成的附加阻力;船体在海上航行时由于纵摇和升沉运动所引起的阻力增加;为了保持船体在风浪中的航向，舵的过度动作产生了附加阻力及低频首尾摇引起的离心力在阻力方向的分量;波浪和风的阻力增加使螺旋桨负荷增大，从而推进效率降低，以及螺旋桨出水使有效桨叶面积减小和空泡、吸气的发生引起推进效率的降低等。

主动失速是由于舰船在恶劣天气中航行时，船体在波浪中产生剧烈的运动，出现船底或外飘砰击、甲板上浪、螺旋桨飞车等现象，迫使船长人为地降低航速或改变航向，从而限制了船舶的允许航速并增加了航行时间和距离的结果。如:船底及外飘砰击引起了船体的剧烈高频振动(whipping)，导致船上仪器、设备故障或船体结构损坏;或发生了甲板上浪损坏船舶甲板上仪器、设备、货物、上层建筑、舱口盖及舱内进水，操纵能见度降低;船体剧烈运动引起了过大的运动加速度，尤其影响到客船的舒适性;螺旋桨飞车导致船长担心或已发生了主机与螺旋桨的损坏等。

在大多数情况下，速度减小的原因是综合性的。例如对于常规货船，满载时甲板上浪是失速的主要原因，压载时严重的砰击对船体结构是危险的;对于驱逐舰、护卫舰等，砰击是造成失速的首要原因。英国海军通过对两级护卫舰(37 艘)舰长问卷调查得出的失速原因排序如下:砰击;过大的船体运动;甲板上浪。

在中低海况下，船体在风、浪中的阻力增加是舰船被动减速的主要原因;而在中高海情下，砰击、上浪、过大的船体运动或螺旋桨出水是船长决定主动减速或改变航向的主要原因。对于船体结构设计而言，研究、设计者及船东主要关心的是舰船在中高海情下的船体强度和安全航行问题，因而舰船在恶劣气候中的允许航速十分重要。

对于大型水面舰船，根据以往可参考的试验和理论计算已经发现，船体砰击振动在顶浪时主要由首外飘砰击引起，大浪级下还有首底砰击和上浪现象发生。因此，在大型水面舰船设计载荷的确定中，必须考虑失速的影响。同时，在极端恶劣的海况中，应该采取顶浪航行，并以能够保持舵效的最低航速前进。

3 总体设计载荷

随着波浪载荷预报方法、水池模型试验以及实船试验的内容不断丰富，精度不断提高，总体载荷设计值的规定也必然要随之不断地发生变化，使之更加合理和完善。

3.1 设计波高

对于大型水面舰船而言，准则采用以下2 种工况(极限波浪工况和巡航工况)对船体结构进行系列的计算。这2 种工况的设计波高可按下式确定:

式中:L 为正常排水量时的设计水线长，m;h2为巡航工况计算波高，m;h1为极限波浪工况计算波高，m。

图1 设计波高Fig.1 Design wave height

3.2 非线性计算

采用二维非线性切片理论变吃水、变船宽、变船长的系列方案进了数值计算和分析。4 个方案船中剖面的载荷非线性计算结果见表1。

表1 不同方案二维非线性计算结果Tab.1 2D nonlinear result of different model test

从表1 可看出，非线性理论计算得到的载荷中，计及了砰击弯矩。但是砰击成分随着船长的增加，反而有所减小。而船宽和吃水的增加均导致砰击弯矩的增大。

3.3 模型试验

按照该设计波高，开展了变吃水、变船宽、变船长的系列波浪载荷模型试验，在中国舰船科学研究中心水池中完成，测量梁的布置如图2所示。

图2 测量梁Fig.2 Measurement beam

将模型试验结果与数值仿真进行对比分析，船中剖面垂向弯矩的传递函数见图3。从图中可看出，模型试验和数值仿真计算的结果一致。进一步证明了模型试验的可靠性和数值计算的准确性。

图3 中剖面波浪弯矩传递函数模型试验和数值仿真比较Fig.3 Wave moment RAO comparison between model test and numerical calculation of mid-section

根据模型试验结果，可以得到不同方案的模型在巡航工况下的最大载荷工况的载荷分量(见表2)。

根据模型试验结果，不同外飘角对波浪载荷的影响见表3。从表中可看出，随着外飘角的减小，砰击载荷也随之减小，另外船体梁刚度的增加，也会引起砰击载荷的减小。关于舰船外飘砰击的影响，在NSR规范中，不仅有专门的砰击弯矩MD计算公式，规定当其大于波浪弯矩MW时替代MW与静水弯矩MS合成设计弯矩。同时，在其波浪载荷计算公式中，中垂波浪弯矩中包含了计及外飘面积的系数RA。因此在大型水面舰船的设计载荷中，必须要引入有关砰击弯矩的规定，才能更加有效地指导结构设计。

表2 不同试验方案的载荷分量Tab.2 Load components of different model test

表3 外飘角对载荷的影响Tab.3 Affection of Flare Angle

3.4 比较分析

以方案1 为例，对模型试验、准则计算和非线性理论计算结果进行对比分析。可以得到不同方式求得的载荷分量如表4所示。

表4 设计波规范、模型试验和非线性理论计算结果比较Tab.4 Comparison of rule，non-linear and model test of load

从表4 中可以看出，在极限波浪工况，按照设计波确定的规范值、模型试验结果及非线性理论值结果相当。而在巡航工况，非线性理论计算的砰击矩较小，砰击矩/波浪矩为0.30，而模型试验的结果中，中垂砰击弯矩/中垂波浪弯矩达到了1.26，按设计波准则计算的中垂砰击弯矩/中垂波浪弯矩的比值则为1.28，略大于模型试验结果。从而，可以发现该以设计波为大型水面舰船设计指导的方法得到了模型试验和理论计算的验证和支撑，可以较好评判大型水面舰船的总强度。

4 结 语

本文通过对大型水面舰船结构设计载荷的研究，结合模型试验、规范研究、非线性理论计算结果，得出以下结论:

1)主船体设计波浪载荷的计算中应考虑失速的影响;

2)大型水面舰船的设计载荷确定中必须正确评估砰击的影响;

3)大型水面舰船的垂向砰击弯矩随着外飘角的增大，砰击弯矩显著增加;

4)基于设计波的准则体系可以准确有效地评判大型水面舰船的强度，为该类舰船的设计提供有力的支撑。

［1］周元和，等.大型驱逐舰现状和发展研究［J］.舰船科学技术，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，沈进威.船舶波浪载荷［M］.北京:国防工业出版社，2007.