砰击载荷作用下船首结构的规范设计对比研究

陈永兵 迟 诚 田喜民,3 朱青淳

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.海军驻北京地区舰船设备军事代表室 北京100176；3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240）

引 言

航速较高、吃水较小的舰船在海上航行，尤其是遭遇恶劣海况时，其船首底部和外飘区域常常发生砰击现象。砰击瞬间会产生很高幅值的动态载荷，对首部结构的局部强度、船体总强度和振动［1］、船上仪器设备的正常工作等会产生不可忽视的影响，进而降低其性能。对于大外飘线型的船首部结构，考虑其在砰击载荷作用下的局部强度尤为重要。

本文针对某船首部结构，分别选用《舰船通用规范》［2］（以下简称“通用规范”）、《水面舰艇结构设计计算方法》［3］（以下简称“计算方法”）和英国劳氏军船规范［4］（以下简称“NSR”）进行规范设计对比研究。

从目前的研究情况来看，国内外各规范无论在设计理念，还是在载荷、计算方法和衡准等设计方法上都存在较大的差别，因此对舰船首部结构的规范设计对比研究具有重要意义。

1 计算点的选取

本文选取某船首fr5、fr10、fr20、fr30等四处剖面，每处剖面选取7个计算点（如图1所示）进行砰击载荷及相应区域结构尺寸的计算，并进行对比分析。

图1 计算点位置

2 规范计算结果及对比分析

2.1 砰击载荷计算结果

各规范计算的垂向相对速度及砰击载荷如表1所示。

从计算结果可以看出，“计算方法”比“通用规范”的砰击压力值约大30%。“NSR”的垂向砰击速度和砰击压力比“通用规范”和“计算方法”要大得多，尤其是平底部分，前者砰击压力值达到后者的2～3倍，随着高度的增加，两者差距逐渐减小。

三种规范的垂向速度及砰击载荷，越靠近首部，结果越大，下页图2、图3分别给出不同剖面底部中心点P051、P101、P201、P301处各规范垂向速度及砰击载荷沿船长方向的对比情况。

表1 垂向相对速度及砰击载荷计算结果

图2 底部垂向砰击速度对比

比较三种规范的砰击压力计算公式可知：

（1）三种规范均采用砰击系数法，即砰击压力与垂向砰击速度平方成正比，其中砰击系数和外飘角有关，相关系数对比如图4所示。

图4 理论和规范给出的K～β曲线比较

（2）通过对比发现，“计算方法”和“通用规范”采用的砰击系数计算方法相同，主要基于Wagner理论，并对小角度砰击进行适当的修正，“NSR”采用的砰击系数主要基于Von-Karman方法，并对<10°砰击情况进行一定的修正。

（3）“计算方法”和“通用规范”的垂向砰击速度与纵向位置有关，与垂向位置无关，在同一位置垂向砰击速度的平方与波高成正比，对于目标船，“计算方法”的计算波高比“通用规范”约大30%，因此前者的压力值也约大30%。

（4）“NSR”的垂向砰击速度则基于船波相对运动和砰击概率给出，对于水线以上部分还与水平来流速度有关。船波相对运动和砰击概率不仅与纵向位置有关，还与垂向高度有关，因此“NSR”垂向砰击速度和砰击压力随着高度的增加而降低，而通用规范和计算方法在计算垂向砰击速度时没有考虑因高度变化引起的差异。

2.2 底部及舷侧外板板厚

按照各规范计算得到底部及舷侧外板板厚如表2所示，从计算结果可以看出，“计算方法”计算的外板板厚比“通用规范”约大14%，这是因为计算方法的计算波高比通用规范大。“NSR”的计算结果普遍小于“通用规范”和“计算方法”。

表2 外板板厚计算结果 mm

续表2

图5 fr5剖面外板板厚对比

图6 fr30剖面外板板厚对比

图5、图6分别给出fr5剖面P051～P057和fr30剖面P301～P307的外板板厚规范计算结果对比情况。为什么“NSR”的砰击载荷比“通用规范”和“计算方法”大很多，而板厚计算结果却比后者小？主要原因是：前者虽然载荷值大，但是板厚采用塑性计算方法，而后者虽然载荷小，板厚采用弹性计算方法。可见，规范的载荷与衡准是相互配套的。

从图5和图6可见，随着高度的增加，两者的差距更加明显，主要由于“NSR”砰击速度和载荷值随着垂向高度的增加而减小。

2.3 底部及舷侧次要构件

2.3.1 底部及舷侧纵骨

各规范计算的底部及舷侧纵骨如下页表3所示，需要说明的是，NSR在计算水线以上纵骨时所取构件模数为塑性剖面模数，水线以下纵骨模数为弹性剖面模数。图7、图8分别给出fr20剖面P201～P207和fr30剖面P301～P307的纵骨腹板高度对比情况。

图7 fr20剖面纵骨腹板高度对比

图8 fr30剖面纵骨腹板高度对比

表3 底部及舷侧纵骨计算结果 cm3

2.3.2 舷侧普通肋骨

各规范计算的舷侧普通肋骨如表4所示，与纵骨相同，NSR在计算水线以上肋骨时所取构件模数为塑性剖面模数，水线以下纵骨模数为弹性剖面模数。下页图9、图10分别给出fr5剖面和fr20剖面的肋骨高度对比情况。

表4 舷侧普通肋骨计算结果 cm3

图9 fr5剖面肋骨腹板高度对比

2.3.3 次要构件尺寸对比

根据图7-图10可知，可以看出，“通用规范”的纵骨或肋骨剖面模数取值小于“计算方法”，即与其载荷成正比，而“NSR”的纵骨或肋骨剖面模数计算结果要大得多，剖面模数计算结果主要是由于载荷差别导致的。值得注意的是，“NSR”对舷侧纵骨或肋骨的剖面模数要求虽然很高，但实取的尺寸与“计算方法”相当甚至更小，主要是因为“NSR”所要求的构件模数为塑性剖面模数，而“通用规范”和“计算方法”则采用弹性剖面模数，可见规范的载荷与衡准是相互配套的。

2.4 舷侧强肋骨

各规范计算的舷侧强肋骨如表5所示。图11、图12分别给出fr5剖面P055～P057和fr30剖面P305～P307的强肋骨模数对比情况。可以看出，“通用规范”的取值小于“计算方法”。“NSR”所计算的模数远小于“通用规范”和“计算方法”所计算的模数，前者约是后者的1/2～1/5。

图10 fr20剖面肋骨腹板高度对比

图12 P305～P307强肋骨规范对比

表5 舷侧强肋骨计算结果 cm3

对规范进行对比分析可知，由于砰击压力的空间分布特征，对于板和纵骨可以按照整个构件作用最大的砰击载荷进行计算，但对于板架或强肋骨这样处理显然并不合理。“通用规范”和“计算方法”取峰值压力的0.7倍作为整个板架或肋骨的计算载荷，因此其模数计算结果与砰击载荷成正比。

“NSR”对于底部肋板取横向多个点的平均值，对于水线以上舷侧强肋骨则按照一定范围内而非整个范围承受砰击载荷进行计算，根据“NSR”规定载荷船长方向为4 m，载荷垂向范围与压力峰值、外飘角有关，约1.2 m左右，载荷垂向高度1.2 m远小于强肋骨的跨距，这就是“NSR”载荷大而强肋骨模数计算结果偏小的主要原因。

3 结 论

通过以上规范对比分析，得到以下主要结论：

（1）“通用规范”和“计算方法”的载荷与构件尺寸计算方法基本一致，仅在计算波高的确定中有一定差别。“通用规范”按照航速和船长得到谐振波长，进一步得到谐振波高作为计算波高，“计算方法”直接根据船长得到计算波高，对于目标船，“计算方法”的波高比“通用规范”约大30%。板厚与构件剖面模数均根据弹性计算方法求得。由于板厚与载荷的开方值成正比，因此“计算方法”的板厚比“通用规范”约大14%，构件剖面模数与载荷成正比，因此“计算方法”的次要构件和主要构件剖面模数比“通用规范”约大30%。

（2）“NSR”、“通用规范”和“计算方法”的砰击压力计算均采用基于砰击速度的砰击系数法，砰击系数分别基于Von-Karman方法和Wagner理论，并在砰击角度较小时作适当修正。“NSR”载荷计算结果比“通用规范”和“计算方法”要大得多，尤其是平底部分前者砰击压力值达到后者的2～3倍，随着高度增加，两者差距逐渐减小，主要原因是“NSR”计入垂向高度对砰击速度和载荷的影响，而“通用规范”和“计算方法”不受此影响。

（3）尽管“NSR”的砰击压力计算值普遍大于“通用规范”和“计算方法”，但是对外板、次要构件和主要构件的尺寸要求却可能更小，对于目标船，“NSR”的板厚要求普遍比“通用规范”和“计算方法”小，纵骨与舷侧肋骨尺寸要求与“计算方法”相当，舷侧强肋骨尺寸要求远小于“通用规范”和“计算方法”。这主要是由于“NSR”的板和次要构件采用塑性设计法，而舷侧强肋骨虽然采用弹性设计方法，但是规定的载荷作用范围远小于强肋骨的跨距。

总之，规范的载荷与衡准是相互配套的，采用不同规范的构件尺寸要求有一定差距，尤其是舷侧强肋骨“NSR”的要求严重偏小，而对于板和纵骨结果各规范差异相对较小。总的说来，采用目前的“通用规范”和“计算方法”总体是安全的，如采用“NSR”则对强肋骨应予以特别关注。

［1］ 戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷［M］.北京：国防工业出版社.2007.

［2］ 中国人民解放军总装备部.GJB 4000-2000舰船通用规范［S］.2000.

［3］ 中国人民解放军总装备部.GJB/Z 119-99水面舰船船体结构设计计算方法［S］.1999.

［4］ Lloyd’s Register.General Information for the Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships［S］.2011.