服役期增重對艦船性能的影響分析及減重措施研究*

胡雅梅 吳東偉

(中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064)

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服役期增重對艦船性能的影響分析及減重措施研究*

胡雅梅 吳東偉

(中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064)

服役期增重是艦船使用中經(jīng)過數(shù)年緩慢的累積而成的排水量增量。目前針對服役期增重尚無法進行具體定量的分析。文章首先定性分析了艦船服役期增重的主要影響因素,提出了服役期增重對總體穩(wěn)性及總縱強度影響的分析方法,通過商業(yè)軟件計算,總結(jié)出了服役期增重引起的重心高變化、受風面積及受風面積形心改變對艦船抗風穩(wěn)性的影響關(guān)系,最后提出了減少服役期增重對艦船影響的控制措施。

服役期增重; 抗風穩(wěn)性; 總縱強度; 減重措施

Class Number U661.2

1 引言

服役期增重是艦艇使用過程中形成的、無法避免的排水量增量。目前國內(nèi)外海軍對艦艇的服役期增重的控制以及對服役期增重的影響分析,均無有效的評估和解決措施,公開的資料極少。美國曾在CG47級大型巡洋艦的設(shè)計中重點研究了減重的措施,付諸實施并取得了一定效果[1]。同時,美國海軍在標準的制定中不僅對設(shè)計建造儲備提出了明確要求,也提出了水面艦船使用期裕度要求,并建立了穩(wěn)性狀態(tài)分類(根據(jù)艦船的重量裕度和極限重心高裕度來分配穩(wěn)性狀態(tài))[2]。

雖然在艦船設(shè)計初期就及時地引入重量控制的理念,通過對系統(tǒng)設(shè)備提出重量的控制要求,預留儲備等方式,在一定程度上達到控制總排水量的目的。如DDG-51,在研制初期就編制了重量控制大綱,明確了重量重心控制目標,并對結(jié)構(gòu)、設(shè)備進行稱重。而且國內(nèi)不少學者也在船舶及海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計、建造精度控制等方面提出了重量控制的方法[3～8],并取得了一定效果。周巍等[9]通過分析艦船建造和使用中的重量重心控制現(xiàn)狀和控制方法,提出了水面艦船研制中建立完整的重量重心控制體系,在總體頂層、系統(tǒng)設(shè)計、建造、管理等方面的重量重心控制措施和儲備設(shè)計方法。

隨著設(shè)計的逐步深入,對于重量的超差仍然非常普遍。在使用過程中,重量不斷增加,這給艦船現(xiàn)代化改裝和后續(xù)艦船設(shè)計提出了諸多難題,而且難以有效解決。

艦艇的設(shè)計狀態(tài)和實際使用狀態(tài)常常存在差異,設(shè)計部門往往無法長期跟蹤艦艇的使用狀態(tài),而且艦艇本身服役期時間較長,缺乏對服役期間實際排水量的檢查(因為很少做傾斜試驗)?？v使在艦船完工時預留一定的排水量儲備,但是歷經(jīng)多次小修、加裝、改裝等變化后,艦上加裝的電子設(shè)備、生活設(shè)施可能已將儲備排水量消耗殆盡。如果此時再繼續(xù)出現(xiàn)服役期增重,將對艦艇的性能產(chǎn)生一定的影響。如不引起重視,極可能威脅艦艇的安全性。

本文梳理了服役期增重的主要來源,提出了服役期增重的影響分析方法,分析了服役期增重對艦總體性能的影響。對指導艦艇改裝設(shè)計、艦船使用期間的安全預測和性能評估具有較好的借鑒意義。

2 艦船服役期增重影響因素分析

為了考慮艦船設(shè)計過程誤差、船廠施工工藝誤差及后續(xù)現(xiàn)代化改換裝的需要,艦艇在設(shè)計的各個階段,都需預留一定的排水量儲備,以平衡各個階段、建造階段艦艇重量的變化(主要是重量增加)對總體技術(shù)狀態(tài)的影響,并為后續(xù)現(xiàn)代化改裝預留一定的備用量。《艦船通用規(guī)范》[10]中規(guī)定,各設(shè)計階段,應(yīng)根據(jù)艦艇大小及不同的設(shè)計條件,對設(shè)計艦艇留有一定的設(shè)計與建造儲備排水量和儲備重心高。一般水面艦船在方案設(shè)計階段需留有3%～8%的排水量儲備,在完工交艦時應(yīng)至少留有1%的儲備排水量。因此艦船在使用期內(nèi)的增重最多不應(yīng)超過儲備排水量值。

分析我國艦船使用習慣,并結(jié)合現(xiàn)場勘查及改裝艦船經(jīng)驗,定性分析服役期增重主要的影響因素為以下四大類:

1) 艦上超標準存放的備品、備件、工具

按照標準規(guī)定,艦船在交船時,需按清單配置相應(yīng)的備品、備件和工具等。艦船在設(shè)計過程中,已經(jīng)考慮了此項重量。但一般船舶在執(zhí)行遠洋任務(wù)前,為保證設(shè)備運行可靠,會根據(jù)使用經(jīng)驗,進行加配。這樣備品備件的配置常常會超出設(shè)計標準規(guī)定的范圍,存在一定冗余。而且在備品備件的數(shù)量上,可能也存在超標情況。在任務(wù)執(zhí)行完畢后,多余的備品備件若不能及時清理下艦,日積月累變成了艦上的“固定”載荷。

2) 超標準的個人行李和物品

軍用標準對艦上個人物品的重量有明確規(guī)定,但是隨著人員在駐艦時間越久,重量變迅速增加,包括個人書籍、衣物、日用品及各種食品等。

3) 艦船使用期的維護或維修增重

艦船服役期間,保養(yǎng)過程中多次涂裝油漆或甲板涂料,涂裝厚度一般都超出設(shè)計狀態(tài),由此導致的重量增加是非常明顯的。而且艦船在使用期內(nèi)修理過程中,對于小范圍更換或拆除的設(shè)備,部分應(yīng)拆除的電纜因施工困難未拆除。此項增重一般是隱性的,難以查找和清理。

4) 設(shè)計部門不能及時掌握的項目

為方便使用,船廠臨時加裝的設(shè)備。因特殊需要,部分艙室重新裝飾而引起的重量增加,以及其他設(shè)計部門無法掌握并追蹤的加改裝項目等。

3 服役期增重對總體性能及強度的影響分析方法

服役期增重不僅體現(xiàn)在艦船排水量的增加,同時常常伴隨著重心位置的提高,這對艦船各項性能的影響都是非常不利的,包括穩(wěn)性、耐波性和不沉性。同時由于重量增加,改變了原來的艦體結(jié)構(gòu)重量分布,進而導致艦船的靜水載荷和波浪載荷隨之改變,而且多半向惡劣的趨勢發(fā)展。

為此,必須重視服役期增重,在控制重量增加和重心升高的同時,采用科學的方法加以評定,并積極采取減重措施,將危險降至最低。本節(jié)給出分析服役期增重影響的如下兩種可行方法。

3.1 方法一:視服役期增重為均勻分布載荷

此方法處理問題較簡單,可采用此方法對服役期增重的影響進行快速估算。假設(shè)船在設(shè)計完工狀態(tài)排水量為Δ0,重心高度ZG0。服役N年后,傾斜試驗測量得到排水量為Δ1,重心高度ZG1,增重為Δ′=Δ0-Δ1。按增重載荷均勻分布考慮,且假設(shè)重心前后位置不變。那么增重即為在重心某一高度上沿著船長方向的均布載荷,作用高度為距離基線:

(1)

在抗風穩(wěn)性及不沉性計算時,只需代換測得的排水量和重心高度計算,同時考慮計入因排水量增加吃水變化而導致的受風面積變化。

對于船體總縱強度的影響,因考慮載荷均勻分布,服役期增重使船體重量分布曲線抬升一固定高度。其余計算過程參考船體總強強度校核方法進行。

3.2 方法二:視服役期增重為局部分布質(zhì)量點

為更好地模擬服役期增重的分布形式,可采用多個質(zhì)量點來綜合模擬。但是此項相對復雜,首先需要了解服役期增重的來源,并對各個來源加以局部稱重和試驗。即根據(jù)第2節(jié)中對服役期增重主要來源進行分別分析說明。

1) 艦上超標準存放的備品、備件、工具

為了比較準確合理掌握艦上超配的備品、備件、工具情況,建議進行全船性查艙,按系統(tǒng)或按部門統(tǒng)計備品備件數(shù)量,對超標的部分進行稱重確認。

2) 個人行李和物品重量的統(tǒng)計

按軍人等級,抽取不少于總數(shù)30%人員進行個人物品稱重。按照人員居住范圍計算各部分的總重量,按照此方法統(tǒng)計的個人物品重量及重量分布統(tǒng)計更接近實際情況。

3) 油漆或甲板涂料的增重統(tǒng)計

對于艦船油漆增重的統(tǒng)計,選取一定區(qū)域(舷側(cè)、主橫艙壁、輕次艙壁、地板等)的油漆膜厚度樣本,進行稱重,換算出單位面積重量。再根據(jù)全船涂漆面積統(tǒng)計油漆總重量,并與設(shè)計狀態(tài)進行對比,統(tǒng)計出油漆增重情況。

對于甲板涂料的增重統(tǒng)計,選擇艦露天甲板的首部、中部和尾部典型區(qū)域鏟取一定面積的甲板覆蓋,進行稱重,換算出單位面積的涂料重量。再根據(jù)全船露天甲板面積,換算出全船的甲板涂料增重情況。此方法在艦船改裝設(shè)計論證中已有應(yīng)用先例,操作簡單,效果明顯。因為露天甲板位置一般較高,所以甲板涂料的增重對艦的重心提高效果顯著,需引起足夠的重視。

3.3 重心高及受風面積對艦船穩(wěn)性的影響

為了說明服役期增重引起的排水量增加及重心升高對艦船抗風穩(wěn)性的影響,本節(jié)運用現(xiàn)有的商業(yè)軟件,選擇一簡易船舶,進行了重心高及受風面積變化對艦船穩(wěn)性的影響的規(guī)律性總結(jié),以更好地指導艦船在后續(xù)改裝論證方案的快速決策。

1) 重心高對抗風穩(wěn)性的近似影響關(guān)系

假定艦船吃水不變,通過變化重心高度,分析重心高對抗風穩(wěn)性的近似影響關(guān)系。

計算條件:假定船舶排水量5500t;重心高/型深Zg/D變化范圍0.69～0.71,計算間隔0.001;

計算結(jié)果如圖1,由圖可知,若排水量一定,艦船抗風極限風速值隨著重心高度的上升基本呈線性下降。(ZG/D)每升高0.001,無因次化極限抗風能力指標下降約0.005。

2) 受風面積對抗風穩(wěn)性的近似影響關(guān)系

假定受風形心高度不變,僅改變受風面積大小,分析受風面積對抗風穩(wěn)性的影響如下。

圖1 定排水量下重心高與抗風能力影響關(guān)系

計算條件:假定船舶排水量5500t;受風面積較基準值S′/S0增加的變化范圍100%～111%,計算間隔1%;計算結(jié)果如圖2,由圖可知,隨著受風面積增加,極限風速基本呈線性下降,受風面積每增加1%,無因次化極限抗風能力指標下降約0.003。

圖2 受風面積與抗風能力的影響關(guān)系

3) 受風面積形心對抗風穩(wěn)性的近似影響關(guān)系

假定受風面積不變,僅改變受風面積形心高度,可得受風面積形心高度對抗風穩(wěn)性的近似影響關(guān)系如下。

計算條件:假定受風面積一定,受風面積形心高度/型深(ZS/D)的變化范圍1.125～1.175,計算間隔0.005;計算結(jié)果如圖3,由圖可知,隨著受風面積形心高度的增加,極限風速基本呈線性下降。一般,受風面積形心高度每增加0.001,無因次化極限抗風能力指標下降約0.01。

圖3 受風面積形心與抗風能力的影響關(guān)系

因排水量變化引起艦體重量分布的改變,其對總強度的影響建議通過有限元計算進行確定。重量分布的變化建議參照方法二進行確定。如無條件做傾斜試驗確定,可類比同類型、相似噸位的艦船進行。

4 服役期增重的減重措施

鑒于服役期增重對艦船穩(wěn)性和強度的不利影響。應(yīng)盡可能想辦法去除服役期增重,減輕對總體資源的消耗。主要措施與建議如下:

1) 定期清查超標備品備件,清查臨時加裝、超配設(shè)備及超標個人物品等,清理下艦。

2) 拆除一般艙室的過度裝飾材料,拆除廢舊電纜、廢舊設(shè)備等。

3) 在艦艇使用過程中應(yīng)加強狀態(tài)控制,強化重量控制意識。從源頭上減少服役期增重。

在服役期增重無法全部去除的情況下,為保證艦船的排水量不超標,各項性能滿足規(guī)范要求,應(yīng)考慮從布置調(diào)整、設(shè)備重量優(yōu)化、輕質(zhì)材料替換等多方面采取措施最大限度地減輕或化解服役期增重的影響,保證艦船安全。

5 結(jié)語

服役期增重是目前世界海軍服役期難以杜絕的問題,對艦船穩(wěn)性和強度均存在不利影響,需引起足夠重視。本文從增重來源分析,增重影響分析,減重措施分析等角度深入淺出地闡述了控制服役期增重的重要性,依托一簡易船舶計算了服役期增重引起的重心高度上升、受風面積變化及受風面積形心變化對艦船抗風穩(wěn)性的影響關(guān)系,給出了一般的規(guī)律性總結(jié)。

當然,在考慮如何減重的同時,應(yīng)從根源上,繼續(xù)加強艦船設(shè)備的可靠性設(shè)計,提供設(shè)備自動化、信息化水平;提高艦員各項素質(zhì),強化大局意識。

[1] 內(nèi)部資料.美國海軍CG47級宙斯盾巡洋艦大幅減輕重量的經(jīng)驗[M].武漢:701所,2005:35-45.

[2] 辛力,袁仲.美國海軍水面艦船重量和穩(wěn)性使用期裕度評論[J].國外艦船工程,1997,1:1-10.

[3] 杜子榮,曲延濤,竇星慧,等.海洋結(jié)構(gòu)物的重量控制[J].中國造船,2009,50(A11):102-106.

[4] 陳捷捷,李炎,吳波.基于CADDS5和VB的三維船體結(jié)構(gòu)重量重心及材料估計計算系統(tǒng)[J].中國艦船研究,2007(2):51-55.

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[7] 金偉.高速船設(shè)計中的重量及振動噪聲的控制[J].船舶設(shè)計技術(shù)交流,2006(1):11-13.

[8] 張芳,雷麗,王海.小水線面雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計的重量控制[J].造船技術(shù),2009(4):11-13.

[9] 周巍,張維俊.水面艦船研制過程中重量重心控制方法[J].中國艦船研究,2012(4):1-5.

[10] 海軍規(guī)范所.GJB 4000-2000艦船通用規(guī)范[S].北京:總裝備部軍標出版社,2000.

The Impact of Weight Increase in Service Life on Ship Performance and Weight Control Measures

HU Yamei WU Dongwei

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

Weight increase in service life is the gradual displacement increase during years and years. There is no confirmed quantitative analysis. In the paper, the main reason of weight increase in service life is analyzed qualitatively. The method of considering the impact of weight increase in service life on stability and longitudinal strength is put forward. And the effects of vertical center gravity(VCG), wind area and wind area centroid on ship wind-resist ability are discussed. The weight control measures are given at last.

weight increase in service life, wind-resist stability, longitudinal strength, weight control measures

2015年6月7日,

2015年7月25日

胡雅梅,女,碩士,工程師,研究方向:艦船總體與結(jié)構(gòu)設(shè)計。吳東偉,男,碩士,工程師,研究方向:艦船總體設(shè)計。

U661.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.001