某型護(hù)衛(wèi)艇艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳細(xì)兵

（中國(guó)人民解放軍第四八零一工廠，廣州510715）

1 引言

某型援外護(hù)衛(wèi)艇作為沿海巡邏艇，主要承擔(dān)沿海海域內(nèi)的巡邏、警戒等任務(wù)。為滿足其使命要求，艇首部甲板區(qū)域配有一門艦炮，該型艦炮重量和后座力均比較大，為了保證艇體結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性，本文參考中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》[1]，基于有限元法對(duì)艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

該型援外護(hù)衛(wèi)艇采用單體船型、圓舭折角混合線型，單底、單層連續(xù)甲板、前傾首柱，主艇體為鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，甲板室為鋁質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，采用四機(jī)、四槳、雙舵推進(jìn)。主船體采用滿足CCS 要求的船用B 級(jí)鋼（屈服強(qiáng)度為235 N/mm2），支柱采用20 號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

該型護(hù)衛(wèi)艇主要參數(shù)如下：

總 長(zhǎng)Loa 45.83 m

水線長(zhǎng)Lwl 43.50 m

型 寬B 6.40 m

型 深D 3.60 m

2 艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有兩類：第一類是規(guī)范設(shè)計(jì)法，即根據(jù)船舶主尺度及和結(jié)構(gòu)形式，以及各種營(yíng)運(yùn)和施工要求，按照船級(jí)社制定的船體建造規(guī)范的相關(guān)規(guī)定確定構(gòu)件的布置和尺度；第二類是直接計(jì)算法，即根據(jù)船型和構(gòu)件布置的不同，按照各種構(gòu)件的受力情況，直接進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

艦炮基座是指用于固定炮身的剛性連接在船體上的結(jié)構(gòu)；艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)是指與基座焊接、直接承受艦炮載荷的船體結(jié)構(gòu)。艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)作為船體結(jié)構(gòu)的一部分，通常規(guī)范對(duì)其構(gòu)件尺寸計(jì)算方法并無(wú)相關(guān)說(shuō)明，因此在艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，直接計(jì)算法是通常采用的方法?！端媾炌爰?jí)規(guī)范》對(duì)艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)，要求采用直接計(jì)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出了設(shè)計(jì)原則、校核載荷、許用應(yīng)力等要求。本文依據(jù)《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》對(duì)該型援外護(hù)衛(wèi)艇艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

2.1 艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》，艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：

（1）艦炮基座一般由帶肘板和扶強(qiáng)材的圓形卷筒和卷筒上的基座面板組成；

（2）基座卷筒直徑應(yīng)根據(jù)艦炮底座固定螺栓的節(jié)圓直徑和揚(yáng)彈機(jī)的布置要求確定；卷筒高度在保證艦炮極限俯仰角、裝彈及自由后座的條件下應(yīng)盡量選擇最小尺度；確定卷筒高度時(shí)，應(yīng)考慮到甲板的梁拱與脊??；卷筒壁板的厚度應(yīng)不小于3 mm；

（3）基座面板厚度不應(yīng)小于6 mm；

（4）艦炮支座應(yīng)設(shè)于甲板板架的縱、橫主要支撐構(gòu)件交叉處的上方。如不設(shè)在艙壁上，主要支撐構(gòu)件應(yīng)不小于3 個(gè)；

（5）輕型艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)可僅為所在甲板的主要構(gòu)件，重型艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)可適當(dāng)延伸到所在甲板的下層甲板或平臺(tái)。

2.2 艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)針對(duì)艦炮發(fā)射過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全性及可靠性進(jìn)行，即重點(diǎn)考慮基座及其支撐結(jié)構(gòu)是否能夠承受在艦炮發(fā)射過(guò)程中的后坐力、艦炮自身重力和其他外力這三種載荷共同作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體的穩(wěn)定性。

艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮三種載荷：靜載荷、準(zhǔn)靜態(tài)載荷及瞬態(tài)沖擊載荷。其中,靜載荷主要包括艦炮及艦炮基座自身的重力；準(zhǔn)靜態(tài)載荷是指在較短的時(shí)間里可以認(rèn)為是靜態(tài)的載荷，它的大小或方向是隨時(shí)間變化的。為了設(shè)計(jì)及計(jì)算過(guò)程的方便，雖然該載荷會(huì)在作用時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，但可近似認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)，它主要包括作用在艦炮基座結(jié)構(gòu)因艦船橫搖和縱搖產(chǎn)生的慣性力。瞬態(tài)沖擊載荷指的是艦炮發(fā)射過(guò)程對(duì)基座結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的后坐力。本文為簡(jiǎn)化載荷計(jì)算過(guò)程，將準(zhǔn)靜態(tài)載荷及瞬態(tài)沖擊載荷均等效為靜載荷。

（1）靜載荷

靜載荷主要包括艦炮自身重力和艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)自身重力。

（2）準(zhǔn)靜態(tài)載荷

準(zhǔn)靜態(tài)載荷主要包括因艦船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向慣性力和垂向慣性力。

① 側(cè)向慣性力 FY

側(cè)向慣性力 FY（位于艦炮重心處），按下式計(jì)算：

式中： θ 為橫搖角單幅值，由下式得出：

式中： TR為橫搖周期，s 由下式得出：

式中： Kr為正常排水量時(shí)艦艇的橫搖回轉(zhuǎn)半徑，可取kr = 0.39 B，m；

GM 為正常排水量時(shí)的初橫穩(wěn)性高度，當(dāng) GM 未知時(shí)可取GM=0.07 B，m；

Kb為系數(shù)，有舭龍骨時(shí)取 Kb=1.0、無(wú)舭龍骨時(shí)取Kb=1.2、有主動(dòng)式減搖鰭時(shí)取 Kb=0.8；

② 垂向慣性力 FZ

垂向慣性力 FZ（位于艦炮重心處），按下式計(jì)算：

式中：aV為垂向加速度，由垂蕩加速度、縱搖加速度和橫搖加速度垂向分量合成；

Ka為垂向加速度分布系數(shù)；

acg 為全船重心處垂向加速度：

式中： g 為重力加速度；

H1/3為設(shè)計(jì)有義波高，m。

瞬態(tài)沖擊載荷為艦炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后座力。

（沿艦炮軸線），按下式計(jì)算：

式中： FB為艦炮制動(dòng)器額定制動(dòng)力，一般由設(shè)計(jì)任務(wù)書給出，kN。

2.3 艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，若強(qiáng)度不滿足要求則修改設(shè)計(jì)方案，繼續(xù)通過(guò)有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，直至滿足要求為止。

綜合該護(hù)衛(wèi)艇的總體性能要求，提出艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)方案[2]如下：艦炮基座為6 mm 厚圓形卷筒與20 mm 厚基座面板焊接而成，基座肘板為6 mm厚直角梯形板。艦炮區(qū)域甲板板加厚為6 mm，艦炮基座下方設(shè)置3 mm 厚橫艙壁，在基座下方增設(shè)焊接T 型材加強(qiáng)，艙壁兩側(cè)均設(shè)置垂直桁。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示：

3 艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 有限元模型

模型范圍包括整個(gè)艦炮基座與其相連的支撐結(jié)構(gòu)[3]，有限元模型見圖3。

總體坐標(biāo)系取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在艦炮基座回轉(zhuǎn)中心與基線交點(diǎn)處（#50），x 軸沿船長(zhǎng)方向首為正方向，y 軸沿船寬方向左舷為正方向，z 軸沿型深向上為正方向。

“名詞兒化后轉(zhuǎn)化成另一個(gè)名詞，常見的是一個(gè)多義詞兒化后由一個(gè)義項(xiàng)衍生出另一個(gè)或幾個(gè)義項(xiàng)，不同的義項(xiàng)之間盡管存在著淵源上的關(guān)系，但所表達(dá)的概念是不同的，寬泛一點(diǎn)說(shuō)，這也相當(dāng)于由一個(gè)詞轉(zhuǎn)化為另一個(gè)詞?！?/p>

結(jié)構(gòu)中的板材和主要支撐構(gòu)件的腹板用板單元模擬；扶強(qiáng)材、縱骨、主要支撐構(gòu)件的面板、支柱等用梁?jiǎn)卧M，并考慮各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心；炮身結(jié)構(gòu)通過(guò)MPC 單元與艦炮基座面板剛性連接。

模型網(wǎng)格尺寸以橫向1/2 縱骨間距、縱向1/4 肋距為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分。模型中共有3 483 節(jié)點(diǎn)、3 516 個(gè)板單元、1 405 個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

3.2 材料屬性

材料為船用普通鋼，其屈服強(qiáng)度為235 x 106N/m2、彈性模量為2.06 x 1 011N/m2、泊松比為0.3、材料密度為7 850 kg/m3。

3.3 邊界條件

模型的甲板邊界及支柱下端采用簡(jiǎn)支邊界條件，即δx=δy=δz=0。

3.4 工況分析

為確保結(jié)構(gòu)安全可靠，計(jì)算工況應(yīng)盡涵蓋所有較危險(xiǎn)的工況。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》2.6.5.4（2）的規(guī)定，計(jì)算工況如表1。

表1 計(jì)算工況

基座結(jié)構(gòu)自重及支撐結(jié)構(gòu)自重以Inertial Load 形式施加，由于肘板等小構(gòu)件未能在有限元模型中得以表述，基座及支撐結(jié)構(gòu)自重考慮10%余量，以確保強(qiáng)度分析結(jié)果偏于安全可靠[4]。

各工況加載情況，如圖4 ～圖7 所示。

3.5 衡準(zhǔn)要求

根據(jù)《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》的規(guī)定，許用相當(dāng)應(yīng)力[σ]和許用剪應(yīng)力[τ]如下：

式中：k 為材料系數(shù)，根據(jù)《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》取k=1.0。

3.6 計(jì)算結(jié)果及衡準(zhǔn)

4 種工況的計(jì)算應(yīng)力結(jié)果匯總見表2，變形及應(yīng)力云圖如圖8 ～圖15 所示。

表2 應(yīng)力結(jié)果匯總（N/mm2）

從表2可以看出，4種工況下的計(jì)算應(yīng)力均小于《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》要求許用應(yīng)力。因此，可認(rèn)為該艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能滿足《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》要求。

4 結(jié)論

（1）某型護(hù)衛(wèi)艇主尺度較小，艇首部甲板安裝的xx 型艦炮重量、后座力較大，有必要進(jìn)行艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究；

（2）根據(jù)基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)有限元法對(duì)艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，與中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》給出的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)進(jìn)行比較，得出該艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；

（3）本文采用的方法可為類似艦船艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和使用提供參考。