某鋁質(zhì)高速巡邏艇艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)形式研究

鄧建通 鐘旭燕 付敬杰

摘? ? 要：艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)作為艦炮武器系統(tǒng)的載體，是關(guān)鍵的受力部件。本文以某鋁質(zhì)高速巡邏艇為例，通過有限元計(jì)算的方法，研究不同形式的支撐結(jié)構(gòu)對艦炮基座區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及固有頻率的影響。研究結(jié)果，對后續(xù)鋁合金艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：鋁合金;艦炮基座;支撐結(jié)構(gòu);有限元計(jì)算

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Supporting Structure Design of Naval Gun Seat of Aluminum

High-speed Patrol Boat

DENG Jiantong1，? ZHONG Xuyan1，? FU Jingjie2

（ 1. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;

2. Ningbo Aids to Navigation Department， East China Sea Navigation Support Center， Ministry of Transport， Ningbo 315000 ）

Abstract： As the carrier of naval gun weapon system， naval gun seat and its supporting structure are the key bearing components. In this paper， an aluminum high-speed patrol boat is taken as an example to study the effects of different supporting structures on the structure strength， stiffness and natural frequency of naval gun seat area by using finite element method. The research results have a certain enlightening effect on the design of the supporting structure of the follow-up aluminum alloy naval gun seat.

Key words： Aluminum alloy; Naval gun seat; Supporting structure; Finite element calculation

1? ? ?前言

艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)是連接艦炮裝置與艦船本身的結(jié)構(gòu)。它作為艦炮武器系統(tǒng)的載體，不但要承受艦炮裝置的動(dòng)靜載荷，還要傳遞艦船所受載荷，受力情況比較復(fù)雜[1]。對于鋁合金高速巡邏艇，由于鋁合金的彈性模量及焊后屈服強(qiáng)度較小，而艦炮通常具有重量大、后座力大等特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)關(guān)注艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[2]。艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在于提高艦炮基座區(qū)域的整體強(qiáng)度和剛度，同時(shí)確保其固有頻率要避開艦炮發(fā)射頻率，以免產(chǎn)生共振。

本文根據(jù)某鋁合金高速巡邏艇加裝艦炮需求，對艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。通過有限元計(jì)算的方法，研究無支撐結(jié)構(gòu)、橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)、縱艙壁支撐結(jié)構(gòu)、縱橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)、筒形支撐結(jié)構(gòu)及支柱支撐結(jié)構(gòu)等不同形式的支撐結(jié)構(gòu)對艦炮基座區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及固有頻率的影響，其對于后續(xù)鋁合金艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2? ? 船舶概況

該高速巡邏艇船長32 m、型寬7 m、型深3.6 m，船體采用鋁合金結(jié)構(gòu)，板材牌號為5083-H321/H116，型材牌號為6082-T6。根據(jù)該船的武器系統(tǒng)加裝要求，需要在船首FR23的船中位置處加裝一座單管30 mm艦炮，艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)采用鋁合金結(jié)構(gòu)。

3? ? 艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

根據(jù)該鋁合金高速巡邏艇加裝艦炮需求，設(shè)計(jì)了以下六種支撐結(jié)構(gòu)形式：無支撐結(jié)構(gòu);橫艙壁支撐結(jié)構(gòu);縱艙壁支撐結(jié)構(gòu);縱橫艙壁支撐結(jié)構(gòu);筒形支撐結(jié)構(gòu)及支柱支撐結(jié)構(gòu)。不同支撐結(jié)構(gòu)形式的有限元模型，分別如圖1 a）～f）所示。六種支撐結(jié)構(gòu)形式中，無支撐結(jié)構(gòu)所用材料及所占空間最少，同時(shí)對艙內(nèi)管線布置的影響最小，最便于建造施工;支柱支撐結(jié)構(gòu)、筒形支撐結(jié)構(gòu)、橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)、縱艙壁支撐結(jié)構(gòu)及縱橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)所用材料依次增加，對于建造施工的難度也依次增加。

4? ? ?艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度計(jì)算分析

為了研究不同艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)形式對于艦炮基座區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的影響，本文采用大型商用有限元計(jì)算分析軟件MSC.Patran/Nastran，對艦炮基座區(qū)域六種不同支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析。計(jì)算依據(jù)主要參照CCS《水面艦艇入級規(guī)范》（2019）（以下簡稱《規(guī)范》）[3]的相關(guān)要求，其計(jì)算過程如下：

4.1? ? 有限元模型

（1）模型范圍及坐標(biāo)系

有限元模型以整個(gè)艦炮基座及其相連的支撐結(jié)構(gòu)為計(jì)算目標(biāo)。坐標(biāo)系采用笛卡爾右手直角坐標(biāo)系：x軸的正方向?yàn)檠卮椎姆较?y軸的正方向?yàn)榈拇瑢捬刈笙系姆较?z軸的正方向?yàn)檠匦蜕钕蛏系姆较颉?/p>

（2）單元類型及網(wǎng)格尺寸

模型中采用板單元和梁單元來模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其中：結(jié)構(gòu)板材和主要支撐構(gòu)件的腹板采用板單元;主要支撐構(gòu)件的面板、扶強(qiáng)材、縱骨及支柱等采用梁單元，并考慮各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心;艦炮自身結(jié)構(gòu)通過MPC單元與艦炮基座面板進(jìn)行剛性連接;有限元模型的網(wǎng)格尺寸，以橫向一個(gè)縱骨間距、縱向1/4肋距為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

（3）邊界條件

模型的甲板邊界及支柱下端采用簡支邊界條件，即δx=δy=δz=0，見圖 2所示（以筒形支柱支撐結(jié)構(gòu)形式為例）。

（4）材料屬性及力學(xué)參數(shù)

艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)采用的材料為船用鋁合金。其板材母材的屈服強(qiáng)度和焊后的屈服強(qiáng)度，分別為215 MPa、125 MPa;型材母材的屈服強(qiáng)度和焊后的屈服強(qiáng)度，分別為250 MPa、115 MPa;鋁合金的彈性模量為69000 MPa、泊松比為0.33、材料密度為2 700 kg/m3。

（5）載荷及工況

① 艦炮發(fā)射載荷

根據(jù)《規(guī)范》2.6.5.4（1）的規(guī)定，應(yīng)考慮如下載荷：沿艦炮軸線的炮發(fā)射計(jì)算后座力F=68.67 kN，加載在艦炮重心;船體運(yùn)動(dòng)引起的艦炮側(cè)向慣性力FY=3.40 kN，加載在艦炮重心;船體運(yùn)動(dòng)引起的艦炮垂向慣性力FZ=33.11 kN，加載在艦炮重心。

炮身與基座結(jié)構(gòu)的自重：炮身重量W=1500 kg;基座結(jié)構(gòu)自重及支撐結(jié)構(gòu)自重以Inertial Load形式施加（基座及支撐結(jié)構(gòu)自重考慮10%余量）。

艦炮發(fā)射計(jì)算工況，如表 1所示。

② 剛度計(jì)算載荷

該巡邏艇的艦炮安裝技術(shù)條件中要求：艦炮安裝座的剛度不小于105 N/mm（水平、垂直）;在艦炮基座上方艦炮質(zhì)心位置，分別施加1 N的垂向力和水平力（縱向、橫向）。

根據(jù)計(jì)算所得的垂向和水平位移量，從而求得基座的垂向剛度和水平剛度。

4.2? ?許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果

（1）許用應(yīng)力

按照《規(guī)范》中2.6.5.6的規(guī)定，通過計(jì)算可得出：鋁合金板單元許用相當(dāng)應(yīng)力[σ] =90.4 MPa;許用剪應(yīng)力[τ] =45.2 MPa。

（2）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)六種不同支撐結(jié)構(gòu)形式，在艦炮發(fā)射四種工況下的數(shù)值模擬結(jié)果及不同方向的剛度計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

由表2可以看出，對于無支撐結(jié)構(gòu)形式，在四種艦炮發(fā)射工況下，基座區(qū)域內(nèi)單元的最大相當(dāng)應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均滿足規(guī)范許用應(yīng)力要求;加了支撐結(jié)構(gòu)后，在四種艦炮發(fā)射工況下，基座區(qū)域內(nèi)的最大相當(dāng)應(yīng)力和剪切應(yīng)力值都相應(yīng)減小，最大變形量也隨之減小。

根據(jù)剛度計(jì)算結(jié)果可以看出：無支撐結(jié)構(gòu)形式的縱向剛度與垂向剛度不滿足艦炮安裝座的剛度要求（不小于105 N/mm），其橫向剛度恰好滿足要求，儲備非常小;增加橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)形式后，基座的縱向剛度基本上沒有變化，雖然橫向剛度和垂向剛度顯著增大，但依然不能滿足艦炮安裝座的剛度要求;增加縱艙壁支撐結(jié)構(gòu)形式后，基座的橫向剛度基本上沒有變化，縱向剛度和垂向剛度則顯著增大，基本上能滿足艦炮安裝座的剛度要求;而分別增加縱橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)、筒形支撐結(jié)構(gòu)及支柱支撐結(jié)構(gòu)三種形式后，基座的三個(gè)方向的剛度都顯著增大，且同種支撐結(jié)構(gòu)形式的縱向與橫向剛度差別較小，都能滿足艦炮安裝座的剛度要求，且具有一定的儲備。

綜合對比以上不同支撐結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：增加橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)、縱艙壁支撐結(jié)構(gòu)只可以減小個(gè)別工況下的應(yīng)力應(yīng)變，除了都可以增加垂向剛度外，橫向剛度和縱向剛度只能增加其中之一，突顯出了單個(gè)方向支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式的弊端;由于艦炮發(fā)射不僅沿橫向也沿縱向發(fā)射，艦炮基座在艦炮各種發(fā)射工況下的強(qiáng)度及各個(gè)方向的剛度都應(yīng)滿足要求，且保證一定的儲備。因此，艦炮基座需要增加橫縱兩個(gè)方向或者環(huán)向的支撐結(jié)構(gòu)，才能較好地達(dá)到加強(qiáng)的效果。從計(jì)算結(jié)果可知，縱橫艙壁支撐結(jié)構(gòu)、筒形支撐結(jié)構(gòu)及支柱支撐結(jié)構(gòu)三種形式不管在強(qiáng)度還是剛度上都可以滿足要求，且具有一定的儲備，其中以筒形支撐結(jié)構(gòu)形式的效果最好。

（3）應(yīng)力云圖

以上不同支撐結(jié)構(gòu)形式，在工況1下的相當(dāng)應(yīng)力云圖，如圖3所示。

5? ? 艦炮基座結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算

通過上述的有限元分析軟件對艦炮基座結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行計(jì)算，得出不同支撐結(jié)構(gòu)形式的1階最小固有頻率，如表3所示。

本艦炮最高射速為320發(fā)/min，即射擊頻率為5.33 Hz。從計(jì)算結(jié)果可知，所有支撐結(jié)構(gòu)形式下的艦炮基座固有頻率都可以避開艦炮的最高射擊頻率，滿足要求。其中無支撐結(jié)構(gòu)形式的1階最小固有頻率與射擊頻率最接近，而筒形支撐結(jié)構(gòu)形式的一階最小固有頻率值與射擊頻率的差距最大，這與上文不同支撐結(jié)構(gòu)形式在強(qiáng)度及剛度的表現(xiàn)基本相吻合。

無支撐結(jié)構(gòu)形式及筒形支撐結(jié)構(gòu)形式下的1階最小固有頻率及振型圖，如圖4、圖5所示。

6? ? ?結(jié)論

（1）本文通過對目標(biāo)船艦炮基座在不同支撐結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及固有頻率等方面進(jìn)行計(jì)算分析，可知本船的艦炮基座在筒形支撐結(jié)構(gòu)形式下的效果最佳，不但滿足各種要求，還具有一定的儲備。

（2）雖然本船的艦炮基座在筒形支撐結(jié)構(gòu)形式下的效果最佳，但對于其它船的艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，還需要與船的實(shí)際布置相配合，通過綜合比較分析，設(shè)計(jì)出適合的支撐結(jié)構(gòu)方案。

（3）本文的艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，可為從事相關(guān)工程的設(shè)計(jì)人員提供一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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