胡雅梅 吳東偉

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

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服役期增重對(duì)艦船性能的影響分析及減重措施研究*

胡雅梅 吳東偉

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

服役期增重是艦船使用中經(jīng)過(guò)數(shù)年緩慢的累積而成的排水量增量。目前針對(duì)服役期增重尚無(wú)法進(jìn)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(duì)總體穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度影響的分析方法,通過(guò)商業(yè)軟件計(jì)算,總結(jié)出了服役期增重引起的重心高變化、受風(fēng)面積及受風(fēng)面積形心改變對(duì)艦船抗風(fēng)穩(wěn)性的影響關(guān)系,最后提出了減少服役期增重對(duì)艦船影響的控制措施。

服役期增重; 抗風(fēng)穩(wěn)性; 總縱強(qiáng)度; 減重措施

Class Number U661.2

1 引言

服役期增重是艦艇使用過(guò)程中形成的、無(wú)法避免的排水量增量。目前國(guó)內(nèi)外海軍對(duì)艦艇的服役期增重的控制以及對(duì)服役期增重的影響分析,均無(wú)有效的評(píng)估和解決措施,公開(kāi)的資料極少。美國(guó)曾在CG47級(jí)大型巡洋艦的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究了減重的措施,付諸實(shí)施并取得了一定效果[1]。同時(shí),美國(guó)海軍在標(biāo)準(zhǔn)的制定中不僅對(duì)設(shè)計(jì)建造儲(chǔ)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(lái)分配穩(wěn)性狀態(tài))[2]。

雖然在艦船設(shè)計(jì)初期就及時(shí)地引入重量控制的理念,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備提出重量的控制要求,預(yù)留儲(chǔ)備等方式,在一定程度上達(dá)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(biāo),并對(duì)結(jié)構(gòu)、設(shè)備進(jìn)行稱重。而且國(guó)內(nèi)不少學(xué)者也在船舶及海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、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(guò)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(jì)、建造、管理等方面的重量重心控制措施和儲(chǔ)備設(shè)計(jì)方法。

隨著設(shè)計(jì)的逐步深入,對(duì)于重量的超差仍然非常普遍。在使用過(guò)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(jì)提出了諸多難題,而且難以有效解決。

艦艇的設(shè)計(jì)狀態(tài)和實(shí)際使用狀態(tài)常常存在差異,設(shè)計(jì)部門(mén)往往無(wú)法長(zhǎng)期跟蹤艦艇的使用狀態(tài),而且艦艇本身服役期時(shí)間較長(zhǎng),缺乏對(duì)服役期間實(shí)際排水量的檢查(因?yàn)楹苌僮鰞A斜試驗(yàn))。縱使在艦船完工時(shí)預(yù)留一定的排水量?jī)?chǔ)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(chǔ)備排水量消耗殆盡。如果此時(shí)再繼續(xù)出現(xiàn)服役期增重,將對(duì)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(lái)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(duì)艦總體性能的影響。對(duì)指導(dǎo)艦艇改裝設(shè)計(jì)、艦船使用期間的安全預(yù)測(cè)和性能評(píng)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(jì)過(guò)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(jì)的各個(gè)階段,都需預(yù)留一定的排水量?jī)?chǔ)備,以平衡各個(gè)階段、建造階段艦艇重量的變化(主要是重量增加)對(duì)總體技術(shù)狀態(tài)的影響,并為后續(xù)現(xiàn)代化改裝預(yù)留一定的備用量?！杜灤ㄓ靡?guī)范》[10]中規(guī)定,各設(shè)計(jì)階段,應(yīng)根據(jù)艦艇大小及不同的設(shè)計(jì)條件,對(duì)設(shè)計(jì)艦艇留有一定的設(shè)計(jì)與建造儲(chǔ)備排水量和儲(chǔ)備重心高。一般水面艦船在方案設(shè)計(jì)階段需留有3%～8%的排水量?jī)?chǔ)備,在完工交艦時(shí)應(yīng)至少留有1%的儲(chǔ)備排水量。因此艦船在使用期內(nèi)的增重最多不應(yīng)超過(guò)儲(chǔ)備排水量值。

分析我國(guó)艦船使用習(xí)慣,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查及改裝艦船經(jīng)驗(yàn),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(biāo)準(zhǔn)存放的備品、備件、工具

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,艦船在交船時(shí),需按清單配置相應(yīng)的備品、備件和工具等。艦船在設(shè)計(jì)過(guò)程中,已經(jīng)考慮了此項(xiàng)重量。但一般船舶在執(zhí)行遠(yuǎn)洋任務(wù)前,為保證設(shè)備運(yùn)行可靠,會(huì)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行加配。這樣備品備件的配置常常會(huì)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)情況。在任務(wù)執(zhí)行完畢后,多余的備品備件若不能及時(shí)清理下艦,日積月累變成了艦上的“固定”載荷。

2) 超標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人行李和物品

軍用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)艦上個(gè)人物品的重量有明確規(guī)定,但是隨著人員在駐艦時(shí)間越久,重量變迅速增加,包括個(gè)人書(shū)籍、衣物、日用品及各種食品等。

3) 艦船使用期的維護(hù)或維修增重

艦船服役期間,保養(yǎng)過(guò)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(jì)狀態(tài),由此導(dǎo)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(guò)程中,對(duì)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(xiàng)增重一般是隱性的,難以查找和清理。

4) 設(shè)計(jì)部門(mén)不能及時(shí)掌握的項(xiàng)目

為方便使用,船廠臨時(shí)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(jì)部門(mén)無(wú)法掌握并追蹤的加改裝項(xiàng)目等。

3 服役期增重對(duì)總體性能及強(qiáng)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(shí)常常伴隨著重心位置的提高,這對(duì)艦船各項(xiàng)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(shí)由于重量增加,改變了原來(lái)的艦體結(jié)構(gòu)重量分布,進(jìn)而導(dǎo)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(shì)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(shí),采用科學(xué)的方法加以評(píng)定,并積極采取減重措施,將危險(xiǎn)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(wèn)題較簡(jiǎn)單,可采用此方法對(duì)服役期增重的影響進(jìn)行快速估算。假設(shè)船在設(shè)計(jì)完工狀態(tài)排水量為Δ0,重心高度ZG0。服役N年后,傾斜試驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)方向的均布載荷,作用高度為距離基線:

(1)

在抗風(fēng)穩(wěn)性及不沉性計(jì)算時(shí),只需代換測(cè)得的排水量和重心高度計(jì)算,同時(shí)考慮計(jì)入因排水量增加吃水變化而導(dǎo)致的受風(fēng)面積變化。

對(duì)于船體總縱強(qiáng)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(jì)算過(guò)程參考船體總強(qiáng)強(qiáng)度校核方法進(jìn)行。

3.2 方法二:視服役期增重為局部分布質(zhì)量點(diǎn)

為更好地模擬服役期增重的分布形式,可采用多個(gè)質(zhì)量點(diǎn)來(lái)綜合模擬。但是此項(xiàng)相對(duì)復(fù)雜,首先需要了解服役期增重的來(lái)源,并對(duì)各個(gè)來(lái)源加以局部稱重和試驗(yàn)。即根據(jù)第2節(jié)中對(duì)服役期增重主要來(lái)源進(jìn)行分別分析說(shuō)明。

1) 艦上超標(biāo)準(zhǔn)存放的備品、備件、工具

為了比較準(zhǔn)確合理掌握艦上超配的備品、備件、工具情況,建議進(jìn)行全船性查艙,按系統(tǒng)或按部門(mén)統(tǒng)計(jì)備品備件數(shù)量,對(duì)超標(biāo)的部分進(jìn)行稱重確認(rèn)。

2) 個(gè)人行李和物品重量的統(tǒng)計(jì)

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

3) 油漆或甲板涂料的增重統(tǒng)計(jì)

對(duì)于艦船油漆增重的統(tǒng)計(jì),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(jìn)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(jì)油漆總重量,并與設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比,統(tǒng)計(jì)出油漆增重情況。

對(duì)于甲板涂料的增重統(tǒng)計(jì),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(jìn)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(jì)論證中已有應(yīng)用先例,操作簡(jiǎn)單,效果明顯。因?yàn)槁短旒装逦恢靡话爿^高,所以甲板涂料的增重對(duì)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(fēng)面積對(duì)艦船穩(wěn)性的影響

為了說(shuō)明服役期增重引起的排水量增加及重心升高對(duì)艦船抗風(fēng)穩(wěn)性的影響,本節(jié)運(yùn)用現(xiàn)有的商業(yè)軟件,選擇一簡(jiǎn)易船舶,進(jìn)行了重心高及受風(fēng)面積變化對(duì)艦船穩(wěn)性的影響的規(guī)律性總結(jié),以更好地指導(dǎo)艦船在后續(xù)改裝論證方案的快速?zèng)Q策。

1) 重心高對(duì)抗風(fēng)穩(wěn)性的近似影響關(guān)系

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

計(jì)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(jì)算間隔0.001;

計(jì)算結(jié)果如圖1,由圖可知,若排水量一定,艦船抗風(fēng)極限風(fēng)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(wú)因次化極限抗風(fēng)能力指標(biāo)下降約0.005。

2) 受風(fēng)面積對(duì)抗風(fēng)穩(wěn)性的近似影響關(guān)系

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

圖1 定排水量下重心高與抗風(fēng)能力影響關(guān)系

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

圖2 受風(fēng)面積與抗風(fēng)能力的影響關(guān)系

3) 受風(fēng)面積形心對(duì)抗風(fēng)穩(wěn)性的近似影響關(guān)系

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

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

圖3 受風(fēng)面積形心與抗風(fēng)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(duì)總強(qiáng)度的影響建議通過(guò)有限元計(jì)算進(jìn)行確定。重量分布的變化建議參照方法二進(jìn)行確定。如無(wú)條件做傾斜試驗(yàn)確定,可類比同類型、相似噸位的艦船進(jìn)行。

4 服役期增重的減重措施

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

1) 定期清查超標(biāo)備品備件,清查臨時(shí)加裝、超配設(shè)備及超標(biāo)個(gè)人物品等,清理下艦。

2) 拆除一般艙室的過(guò)度裝飾材料,拆除廢舊電纜、廢舊設(shè)備等。

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

在服役期增重?zé)o法全部去除的情況下,為保證艦船的排水量不超標(biāo),各項(xiàng)性能滿足規(guī)范要求,應(yīng)考慮從布置調(diào)整、設(shè)備重量?jī)?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(yǔ)

服役期增重是目前世界海軍服役期難以杜絕的問(wèn)題,對(duì)艦船穩(wěn)性和強(qiáng)度均存在不利影響,需引起足夠重視。本文從增重來(lái)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(jiǎn)易船舶計(jì)算了服役期增重引起的重心高度上升、受風(fēng)面積變化及受風(fēng)面積形心變化對(duì)艦船抗風(fēng)穩(wěn)性的影響關(guān)系,給出了一般的規(guī)律性總結(jié)。

當(dāng)然,在考慮如何減重的同時(shí),應(yīng)從根源上,繼續(xù)加強(qiáng)艦船設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì),提供設(shè)備自動(dòng)化、信息化水平;提高艦員各項(xiàng)素質(zhì),強(qiáng)化大局意識(shí)。

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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(jì)。吳東偉,男,碩士,工程師,研究方向:艦船總體設(shè)計(jì)。

U661.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.001