馬 健 駱 偉 張再夫 王洪乙

中國艦船研究設計中心，湖北 武 漢 430064

穿浪雙體船中間艏平首結構的工程應用研究

馬 健 駱 偉 張再夫 王洪乙

中國艦船研究設計中心，湖北 武 漢 430064

穿浪雙體船的中間艏采用平首結構，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行保護。將常規(guī)雙體船的平首結構應用到穿浪雙體船中，形成一種國內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，結合平首結構的施工工藝設計和結構強度分析，解決了平首結構在穿浪雙體船上的工程應用問題，為同類型穿浪船的研制提供了可借鑒的經驗。

穿浪雙體船；暈船率；橫向強度；扭轉強度

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)領域的創(chuàng)新點，取得了很高的經濟效益和社會效益，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\、車客聯運、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］。雖然由于設計意圖的差異，國內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，波浪中容易產成橫向與縱向搖擺的耦合；波浪中船體縱向運動較大；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，國內外WPC均為尖首結構，如圖1所示，首部中間體從最大船寬逐漸過渡到首部尖點，平首結構多用在常規(guī)雙體船上，如圖1所示。穿浪雙體船的中間艏采用平首結構，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行保護。本文將常規(guī)雙體船的平首結構應用到穿浪雙體船上，形成一種國內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，并結合平首結構的施工工藝設計和結構強度分析，解決了平首結構在穿浪雙體船上的工程應用問題，為同類型穿浪船的研制提供了可借鑒的經驗。

2 中間艏平首結構設計

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，經常出現片體首部與碼頭或往來船只碰撞的情況，片體結構嚴重受損。因此，在設計過程中將首部設計成平首結構，可以為駕駛員提供首部寬度的參照。

根據WPC的船型特點，采用平首部結構須適當縮短中間艏的長度，調整中間艏的線型，平首結構的應用相比尖首結構會帶來如下問題，在設計和施工中需要引起重視：

1）平首結構對WPC耐波性能的影響；

2）中間艏的調整對首部儲備浮力和底部抨擊現象的影響；

3）首部區(qū)域存在扁平的結構空腔，施工條件受限，對焊接質量的影響；

4）扁平的空腔限制了該區(qū)域甲板構件尺寸，同時甲板面積較大，這些因素對船體結構的橫向強度和扭轉強度的影響。

確保平首結構在穿浪雙體船上的工程應用，既要避免由于平首結構的應用對耐波性性能產生不利的影響，同時又要保證施工工藝可以實現，結構強度滿足規(guī)范要求。

為實現上述目標，將WPC的中間艏設計成平首結構，進行首部線型改型［3］，適當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；進行模型的耐波性試驗，與母型船的耐波性指標進行對比分析，驗證平首結構的實際效果，避免出現WPC在航行時出現首部儲備浮力不足和底部抨擊加劇的現象；同時對首部結構進行工藝設計和結構強度進行分析，確保施工工藝可以實現，結構強度滿足規(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行的局部調整，在設計排水量確定的情況下，線型的局部調整對快速性沒有影響。根據以往的設計經驗及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構強度問題；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 耐波性指標對比

為驗證本船中間艏采用平首結構的實際效果，將其耐溫性指標與母型船的耐波性指標進行對比分析，以避免航行時出現首部儲備浮力不足和底部抨擊加劇的現象，進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列舉了尖首結構母型船與平首結構的本船在航速28 kn、有義波高2.0 m情況下的耐波性指標的對比，根據對比可以看出：平首結構與尖首結構在相同的條件下耐波性指標接近，中間艏平首結構的應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)化調整后的中間艏平首結構可以提供足夠的儲備浮力，但應該引起注意的是，在有義波高3.0 m以上的不規(guī)則波試驗中發(fā)現，平首結構的應用，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構略有增加，但對船體的耐波性指標影響不大，可在中間艏的結構設計中適當考慮。

2.2 中間艏平首結構設計分析

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，折角線內側線型抬升較快，而折角線外側線型接近水平，這就在首端一定區(qū)域折角線外側形成扁平的空腔，施工人員無法進行正常的焊接作業(yè)，焊接質量難以保證。為此，合理安排施工工藝，采取先焊接內部構件，再通過工藝墊板完成甲板板和甲板構件之間的塞焊方法，可較好地解決焊接困難的問題。

2.2.2 結構強度分析

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

式中，Mt為總橫彎矩；Mt＝C1Δacgb； y為水線至連接橋結構剖面中和軸之距；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果，見圖7、圖8所示。

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

3 其他設計特點

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

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成水平，即底部龍骨的縱向斜升角為0，以免出現結構凸臺，影響進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噴水推進裝置的安裝形式決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，尾部結構設計要有針對性的采取加強措施；

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

4 結束語

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

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

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

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［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報方法 ［J］.船舶力學，2006，10（5）：17-23.

［6］汪誠儀.排水量長度系數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.

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［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