陳細兵

（中國人民解放軍第四八零一工廠，廣州510715）

1 引言

某型援外護衛(wèi)艇作為沿海巡邏艇，主要承擔沿海海域內的巡邏、警戒等任務。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，為了保證艇體結構的安全性及可靠性，本文參考中國船級社《水面艦艇入級規(guī)范》[1]，基于有限元法對艦炮基座及其支撐結構進行結構設計。

該型援外護衛(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，主艇體為鋼質焊接結構，甲板室為鋁質焊接結構，采用四機、四槳、雙舵推進。主船體采用滿足CCS 要求的船用B 級鋼（屈服強度為235 N/mm2），支柱采用20 號優(yōu)質碳素鋼。

該型護衛(wèi)艇主要參數如下：

總 長Loa 45.83 m

水線長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構設計

目前船舶結構設計方法主要有兩類：第一類是規(guī)范設計法，即根據船舶主尺度及和結構形式，以及各種營運和施工要求，按照船級社制定的船體建造規(guī)范的相關規(guī)定確定構件的布置和尺度；第二類是直接計算法，即根據船型和構件布置的不同，按照各種構件的受力情況，直接進行強度計算。

艦炮基座是指用于固定炮身的剛性連接在船體上的結構；艦炮基座支撐結構是指與基座焊接、直接承受艦炮載荷的船體結構。艦炮基座及其支撐結構作為船體結構的一部分，通常規(guī)范對其構件尺寸計算方法并無相關說明，因此在艦炮基座及支撐結構設計中，直接計算法是通常采用的方法?！端媾炌爰壱?guī)范》對艦炮基座及支撐結構，要求采用直接計算法進行設計，并給出了設計原則、校核載荷、許用應力等要求。本文依據《水面艦艇入級規(guī)范》對該型援外護衛(wèi)艇艦炮基座及其支撐結構進行設計，設計流程如圖1 所示。

2.1 艦炮基座及其支撐結構結構設計原則

根據《水面艦艇入級規(guī)范》，艦炮基座及其支撐結構應滿足以下要求：

（1）艦炮基座一般由帶肘板和扶強材的圓形卷筒和卷筒上的基座面板組成；

（2）基座卷筒直徑應根據艦炮底座固定螺栓的節(jié)圓直徑和揚彈機的布置要求確定；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盡量選擇最小尺度；確定卷筒高度時，應考慮到甲板的梁拱與脊?。痪硗脖诎宓暮穸葢恍∮? mm；

（3）基座面板厚度不應小于6 mm；

（4）艦炮支座應設于甲板板架的縱、橫主要支撐構件交叉處的上方。如不設在艙壁上，主要支撐構件應不小于3 個；

（5）輕型艦炮基座支撐結構可僅為所在甲板的主要構件，重型艦炮基座支撐結構可適當延伸到所在甲板的下層甲板或平臺。

2.2 艦炮基座及其支撐結構設計載荷

根據艦炮基座及其支撐結構的實際使用需求，其結構設計主要應針對艦炮發(fā)射過程中結構安全性及可靠性進行，即重點考慮基座及其支撐結構是否能夠承受在艦炮發(fā)射過程中的后坐力、艦炮自身重力和其他外力這三種載荷共同作用下結構的強度和整體的穩(wěn)定性。

艦炮基座及支撐結構在設計過程中應考慮三種載荷：靜載荷、準靜態(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；準靜態(tài)載荷是指在較短的時間里可以認為是靜態(tài)的載荷，它的大小或方向是隨時間變化的。為了設計及計算過程的方便，雖然該載荷會在作用時間內發(fā)生變化，但可近似認為是準靜態(tài)，它主要包括作用在艦炮基座結構因艦船橫搖和縱搖產生的慣性力。瞬態(tài)沖擊載荷指的是艦炮發(fā)射過程對基座結構產生的后坐力。本文為簡化載荷計算過程，將準靜態(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構自身重力。

（2）準靜態(tài)載荷

準靜態(tài)載荷主要包括因艦船運動產生的側向慣性力和垂向慣性力。

① 側向慣性力 FY

側向慣性力 FY（位于艦炮重心處），按下式計算：

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為正常排水量時艦艇的橫搖回轉半徑，可取kr = 0.39 B，m；

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

Kb為系數，有舭龍骨時取 Kb=1.0、無舭龍骨時取Kb=1.2、有主動式減搖鰭時取 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；

acg 為全船重心處垂向加速度：

式中： g 為重力加速度；

H1/3為設計有義波高，m。

瞬態(tài)沖擊載荷為艦炮發(fā)射時產生的后座力。

（沿艦炮軸線），按下式計算：

式中： FB為艦炮制動器額定制動力，一般由設計任務書給出，kN。

2.3 艦炮基座及其支撐結構設計

根據艦炮基座及支撐結構設計方案，通過有限元法對結構方案進行結構強度分析，若強度不滿足要求則修改設計方案，繼續(xù)通過有限元法進行結構強度計算，直至滿足要求為止。

綜合該護衛(wèi)艇的總體性能要求，提出艦炮基座及其支撐結構方案[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，艦炮基座下方設置3 mm 厚橫艙壁，在基座下方增設焊接T 型材加強，艙壁兩側均設置垂直桁。具體結構設計方案，如圖2 所示：

3 艦炮基座及其支撐結構強度分析

3.1 有限元模型

模型范圍包括整個艦炮基座與其相連的支撐結構[3]，有限元模型見圖3。

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

“名詞兒化后轉化成另一個名詞，常見的是一個多義詞兒化后由一個義項衍生出另一個或幾個義項，不同的義項之間盡管存在著淵源上的關系，但所表達的概念是不同的，寬泛一點說，這也相當于由一個詞轉化為另一個詞?！?/p>

結構中的板材和主要支撐構件的腹板用板單元模擬；扶強材、縱骨、主要支撐構件的面板、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構件的實際截面和偏心；炮身結構通過MPC 單元與艦炮基座面板剛性連接。

模型網格尺寸以橫向1/2 縱骨間距、縱向1/4 肋距為基準進行劃分。模型中共有3 483 節(jié)點、3 516 個板單元、1 405 個梁單元。

3.2 材料屬性

材料為船用普通鋼，其屈服強度為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支邊界條件，即δx=δy=δz=0。

3.4 工況分析

為確保結構安全可靠，計算工況應盡涵蓋所有較危險的工況。根據中國船級社《水面艦艇入級規(guī)范》2.6.5.4（2）的規(guī)定，計算工況如表1。

表1 計算工況

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

各工況加載情況，如圖4 ～圖7 所示。

3.5 衡準要求

根據《水面艦艇入級規(guī)范》的規(guī)定，許用相當應力[σ]和許用剪應力[τ]如下：

式中：k 為材料系數，根據《水面艦艇入級規(guī)范》取k=1.0。

3.6 計算結果及衡準

4 種工況的計算應力結果匯總見表2，變形及應力云圖如圖8 ～圖15 所示。

表2 應力結果匯總（N/mm2）

從表2可以看出，4種工況下的計算應力均小于《水面艦艇入級規(guī)范》要求許用應力。因此，可認為該艦炮基座及支撐結構設計方案能滿足《水面艦艇入級規(guī)范》要求。

4 結論

（1）某型護衛(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，有必要進行艦炮基座及其支撐結構設計研究；

（2）根據基座及其支撐結構設計方案，通過有限元法對艦炮基座及其支撐結構進行強度分析，與中國船級社《水面艦艇入級規(guī)范》給出的許用應力衡準進行比較，得出該艦炮基座及其支撐結構設計方案結構強度滿足要求；

（3）本文采用的方法可為類似艦船艦炮基座及其支撐結構的設計、維護和使用提供參考。