穿浪雙體船中間艏平首結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用研究

馬 健 駱 偉 張再夫 王洪乙

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武 漢 430064

穿浪雙體船中間艏平首結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用研究

馬 健 駱 偉 張再夫 王洪乙

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武 漢 430064

穿浪雙體船的中間艏采用平首結(jié)構(gòu)，可以為駕駛員提供首部寬度參照，在航行或靠泊的操船過程中對水下片體進(jìn)行保護(hù)。將常規(guī)雙體船的平首結(jié)構(gòu)應(yīng)用到穿浪雙體船中，形成一種國內(nèi)特有的雜交穿浪雙體船型，通過對穿浪雙體船中間艏線型改型和模型的耐波性試驗，結(jié)合平首結(jié)構(gòu)的施工工藝設(shè)計和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，解決了平首結(jié)構(gòu)在穿浪雙體船上的工程應(yīng)用問題，為同類型穿浪船的研制提供了可借鑒的經(jīng)驗。

穿浪雙體船；暈船率；橫向強(qiáng)度；扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

1 引 言

“海峽號”穿浪雙體船的成功研制是我國高性能船自主研發(fā)領(lǐng)域的創(chuàng)新點，取得了很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，穿浪雙體船（WPC）以其良好的快速性、耐波性及寬敞的甲板面積和充裕的裝載空間，越來越成為沿?？瓦\(yùn)、車客聯(lián)運(yùn)、執(zhí)法巡邏及高速攻擊／支援軍事行動的首選高性能船型［1］。雖然由于設(shè)計意圖的差異，國內(nèi)WPC的線型與國外有所區(qū)別，但由于WPC船型的限制，同樣存在一些應(yīng)用中需要解決的問題，如船體縱向和橫向搖擺周期接近，波浪中容易產(chǎn)成橫向與縱向搖擺的耦合；波浪中船體縱向運(yùn)動較大；耐波性受使用海域波長影響等［2］，對這些問題的研究和探討正在逐步深入中。

目前，國內(nèi)外WPC均為尖首結(jié)構(gòu)，如圖1所示，首部中間體從最大船寬逐漸過渡到首部尖點，平首結(jié)構(gòu)多用在常規(guī)雙體船上，如圖1所示。穿浪雙體船的中間艏采用平首結(jié)構(gòu)，可以為駕駛員提供首部寬度參照，在航行或靠泊的操船過程中對水下片體進(jìn)行保護(hù)。本文將常規(guī)雙體船的平首結(jié)構(gòu)應(yīng)用到穿浪雙體船上，形成一種國內(nèi)特有的雜交穿浪雙體船型，通過對穿浪雙體船中間艏線型改型和開展模型的耐波性試驗，并結(jié)合平首結(jié)構(gòu)的施工工藝設(shè)計和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，解決了平首結(jié)構(gòu)在穿浪雙體船上的工程應(yīng)用問題，為同類型穿浪船的研制提供了可借鑒的經(jīng)驗。

2 中間艏平首結(jié)構(gòu)設(shè)計

尖首WPC在執(zhí)法巡邏過程中與往來船只會航（尤其是在狹窄航道中），或者與船只、碼頭進(jìn)行靠邦作業(yè)時，由于其船寬較大，駕駛員觀察視線受限，無法看到水下片體，加之中間體船首沒有參照物衡量船寬，經(jīng)常出現(xiàn)片體首部與碼頭或往來船只碰撞的情況，片體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損。因此，在設(shè)計過程中將首部設(shè)計成平首結(jié)構(gòu)，可以為駕駛員提供首部寬度的參照。

根據(jù)WPC的船型特點，采用平首部結(jié)構(gòu)須適當(dāng)縮短中間艏的長度，調(diào)整中間艏的線型，平首結(jié)構(gòu)的應(yīng)用相比尖首結(jié)構(gòu)會帶來如下問題，在設(shè)計和施工中需要引起重視：

1）平首結(jié)構(gòu)對WPC耐波性能的影響；

2）中間艏的調(diào)整對首部儲備浮力和底部抨擊現(xiàn)象的影響；

3）首部區(qū)域存在扁平的結(jié)構(gòu)空腔，施工條件受限，對焊接質(zhì)量的影響；

4）扁平的空腔限制了該區(qū)域甲板構(gòu)件尺寸，同時甲板面積較大，這些因素對船體結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的影響。

確保平首結(jié)構(gòu)在穿浪雙體船上的工程應(yīng)用，既要避免由于平首結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對耐波性性能產(chǎn)生不利的影響，同時又要保證施工工藝可以實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，將WPC的中間艏設(shè)計成平首結(jié)構(gòu)，進(jìn)行首部線型改型［3］，適當(dāng)縮短中間艏的外伸長度L，加大中間艏橫剖面的外飄（即減小β角），以保證中間艏的儲備浮力；進(jìn)行模型的耐波性試驗，與母型船的耐波性指標(biāo)進(jìn)行對比分析，驗證平首結(jié)構(gòu)的實際效果，避免出現(xiàn)WPC在航行時出現(xiàn)首部儲備浮力不足和底部抨擊加劇的現(xiàn)象；同時對首部結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝設(shè)計和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保施工工藝可以實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2.1 中間艏線型優(yōu)化與模型耐波性試驗

2.1.1 中間艏線型優(yōu)化

該型WPC的線型改型是在保證水下片體線型不變的情況下僅對中間艏進(jìn)行的局部調(diào)整，在設(shè)計排水量確定的情況下，線型的局部調(diào)整對快速性沒有影響。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗及WPC的船型特點［4－7］，線型優(yōu)化主要是縮短中間艏的外伸長度L，以解決中間艏作為懸臂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題；增加中間艏的外飄，可增加中間艏的排水體積，并以此彌補(bǔ)在埋首的情況下由于長度L的縮短帶來的儲備浮力損失和底部抨擊加劇的問題。經(jīng)過方案對比分析，改型后的線型如圖3～圖6所示，主尺度如表1所示。

2.1.2 模型耐波性試驗

表1 改型后的主尺度

表3 耐波性指標(biāo)對比

為驗證本船中間艏采用平首結(jié)構(gòu)的實際效果，將其耐溫性指標(biāo)與母型船的耐波性指標(biāo)進(jìn)行對比分析，以避免航行時出現(xiàn)首部儲備浮力不足和底部抨擊加劇的現(xiàn)象，進(jìn)行了模型的耐波性試驗。

表2所示為本船在迎浪不規(guī)則波中航行時的船艏、舯和艉部的加速度時均值，由模型試驗換算得到。

表2 船艏、舯、艉部加速度時均值

表中，H1／3為有義波高；ωe為遭遇頻率；aF1／3為艏部垂向加速度；aM1／3為舯部垂向加速度；aA1／3為艉部垂向加速度。

表3列舉了尖首結(jié)構(gòu)母型船與平首結(jié)構(gòu)的本船在航速28 kn、有義波高2.0 m情況下的耐波性指標(biāo)的對比，根據(jù)對比可以看出：平首結(jié)構(gòu)與尖首結(jié)構(gòu)在相同的條件下耐波性指標(biāo)接近，中間艏平首結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對穿浪雙體船耐波性影響不大。同時，通過對模型試驗的觀察，優(yōu)化調(diào)整后的中間艏平首結(jié)構(gòu)可以提供足夠的儲備浮力，但應(yīng)該引起注意的是，在有義波高3.0 m以上的不規(guī)則波試驗中發(fā)現(xiàn)，平首結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，由于增加了首部觸水的面積，在埋首的情況下，底部抨擊概率相比尖首結(jié)構(gòu)略有增加，但對船體的耐波性指標(biāo)影響不大，可在中間艏的結(jié)構(gòu)設(shè)計中適當(dāng)考慮。

2.2 中間艏平首結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2.2.1 施工工藝性分析

和尖首線型相比，平首線型首部外伸縮短，折角線內(nèi)側(cè)線型抬升較快，而折角線外側(cè)線型接近水平，這就在首端一定區(qū)域折角線外側(cè)形成扁平的空腔，施工人員無法進(jìn)行正常的焊接作業(yè)，焊接質(zhì)量難以保證。為此，合理安排施工工藝，采取先焊接內(nèi)部構(gòu)件，再通過工藝墊板完成甲板板和甲板構(gòu)件之間的塞焊方法，可較好地解決焊接困難的問題。

2.2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于首部甲板和折角線外側(cè)的外板之間形成扁平的空腔，限制了此區(qū)域內(nèi)的甲板構(gòu)件和底部構(gòu)件的尺寸，同時，由于采用平首線型，導(dǎo)致甲板面積較大，即甲板板架的范圍較大，這些因素對確保船體結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不利。為校核船體結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，建立了全船三維有限元模型［9］，進(jìn)行了11種工況下的強(qiáng)度校核，這些工況主要是由橫向?qū)﹂_力Fy、總縱彎矩MB和扭矩Mt等載荷進(jìn)行疊加。其中，船體只承受橫向?qū)﹂_力Fy的作用和船體承受橫向?qū)﹂_力與扭矩的聯(lián)合作用 0.8Fy（向外） ＋ 0.6MP這兩種工況是最典型的。其中，橫向?qū)﹂_力Fy為：

式中，Mt為總橫彎矩；Mt＝C1Δacgb； y為水線至連接橋結(jié)構(gòu)剖面中和軸之距；d為吃水。

扭矩MP按下式計算：

式中，Δ為滿載排水量；acg為重心處垂向加速度的百分之一最大值的平均值；L為船長。限于篇幅，本文僅列出了以上兩種工況的計算結(jié)果，見圖7、圖8所示。

從圖中可見，在第一種工況下，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在上層建筑側(cè)壁，片體和中間首的連接區(qū)域應(yīng)力也相對較大，中間首甲板的應(yīng)力水平較低，最大應(yīng)力為70.3 MPa，出現(xiàn)在上層建筑側(cè)壁的窗戶開口附近，小于規(guī)范的許用應(yīng)力。在第二種工況下，應(yīng)力分布和第一種工況相似，局部略有變化，中間首甲板的應(yīng)力水平有所提高，可見扭矩對中間首甲板的應(yīng)力產(chǎn)生了影響，最大應(yīng)力也有所提高，達(dá)到81.5 MPa，位置同樣出現(xiàn)在上層建筑側(cè)壁的窗戶開口附近，仍然小于規(guī)范的許用應(yīng)力。以上分析表明，通過合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，選取合適的構(gòu)件尺寸，平首結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足施工工藝和規(guī)范強(qiáng)度要求。

3 其他設(shè)計特點

在本型WPC的研制過程中，由于主要設(shè)備的選型與特種裝置的應(yīng)用，存在與以往WPC不同的設(shè)計特點：

1）由于HM811噴泵的特殊要求，艉部噴泵安裝區(qū)域的船底線型必須縱向調(diào)成水平，即底部龍骨的縱向斜升角為0，以免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)凸臺，影響進(jìn)水流道線型的光順性，帶來不必要的安裝困難與性能損失；

2）HM811噴水推進(jìn)裝置的安裝形式?jīng)Q定其受力直接傳遞給船底部，艉封板處受力很小，與采用MJP噴泵有所不同，尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計要有針對性的采取加強(qiáng)措施；

3）自主研制的可調(diào)艉攔截器在WPC實船上首次應(yīng)用，該裝置根據(jù)實船試航狀態(tài)可以靈活調(diào)整攔截器的深度，確保該型WPC船以最佳航態(tài)航行。

4 結(jié)束語

本文是針對穿浪雙體船中間艏平首結(jié)構(gòu)實際工程應(yīng)用的研究，研究結(jié)果表明，穿浪雙體船平首結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對耐波性能的影響不大，通過首部線型改型，可以避免平首結(jié)構(gòu)應(yīng)用可能出現(xiàn)的首部儲備浮力不足和底部抨擊加劇的現(xiàn)象；同時通過合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，選取合適的構(gòu)件尺寸，平首結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足施工工藝和規(guī)范強(qiáng)度要求，穿浪雙體船中間艏采用平首結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用中確實可行。

［1］趙連恩，韓端鋒.高性能船舶水動力原理與設(shè)計［M］.第一版.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［2］FALTINSEN O M.海上高速船水動力學(xué)［M］.第一版.崔維成，劉應(yīng)中，葛春花，等，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］應(yīng)業(yè)炬，趙連恩.穿浪雙體船船型優(yōu)化設(shè)計方法［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，22（2）：137-142.

［4］馬健，陸文理.穿浪雙體船片體間距優(yōu)化［J］.中國艦船研究，2008，3（2）：4-7，20.

［5］趙連恩，杜振煌，應(yīng)業(yè)炬.基于興波理論與阻力圖譜資料的高速雙體船阻力預(yù)報方法 ［J］.船舶力學(xué)，2006，10（5）：17-23.

［6］汪誠儀.排水量長度系數(shù)和片體間距比對高速雙體船阻力的影響［J］.中國造船，1990（5）：11-22.

［7］應(yīng)業(yè)炬，趙連恩.500客位穿浪雙體船阻力與船型優(yōu)化試驗研究［J］.船舶，2004（5）：10－13.

［8］鄧愛民，馬駿.穿浪雙體船耐波性能預(yù)報方法研究［J］.中國艦船研究，2006，1（1）：77－80.

［9］鄭毫，郭列.雙體穿浪船船體振動特性分析［J］.中國造船，2006，47（1）：90－93.

Application of the Flat Fore Hull Structure to the Mid－bow of Wave Piercing Catamaran

Ma Jian Luo WeiZhang Zai－fu Wang Hong－yi
China Ship Development and Design Center

Applying the flat fore hull structure to the mid－bow of Wave Piercing Catamaran （WPC） can provide reference object for the boat driver and protect the demi－h(huán)ulls on the conditions of shipping and docking.In this paper the flat fore hull form of ordinary catamaran is used for WPC， coming into a hybrid WPC line plan.After optimizing of the mid－bow of WPC， model seakeeping test， structural process designing and strength analyzsis， this practical application of flat fore hull structure to the mid－bow of WPC is found to be feasible.It can be used as reference for the design of similar WPC.

WPC；seasickness ratio； transverse strength；torsional strength

U662.3，U663.5

A

1673－3185（2010）02－55－04

2009－03-21

雙體穿浪巡邏船項目（KH0703193）

馬 ?。?979－ ） ，男，碩士，工程師。 研究方向：船舶性能。 E-mail：csddc＿kt＠ 126.com