军用舰船结构设计规范发展综述

吴睿锋

(海军装备研究院，上海200235)

1 概 述

结构设计是最古老和最基础的技术学科之一，是造船技术的重要组成部分。找到一种更加合理的方法是每一个船舶设计工作者的梦想，传统的各国海军舰艇均有自己的结构设计标准，或者船厂标准，这在国际上是类似的。鉴于世界经济的全球化进程，国际市场的日益发展，造船工业的进展和变化已迫使海军舰艇的设计标准要逐渐适应国际市场经济发展的总需求。近十几年来国际造船业的发展和变化，主要反映在以下几个方面:轻型高速船的市场需求;采用新型布置及特殊材料建造船舶，如大型液化气船和快速集装箱船的开发;由全电力驱动的低噪声、低振动的大功率推进客船的需求;海洋工程的技术进步;防止船体破损(合理分舱和双壳船体)和破损后的生存以及保护海洋环境需求的不断增加，等等。同时，资源限制已经使全世界的政府和组织在多个领域包括军船建造中寻求可替代的建设方法［1］。

为了建设一支强大的海军，国内经历了几十年的奋斗，从无到有并正在快速发展之中，在海军舰艇的研究、设计、建造和使用过程中已有大量的实践并获得了十分宝贵的经验。特别是改革开放以来，国内相关科研与设计机构也开始形成了自己的技术观点和方法，加上国内已有的一批成熟的舰艇研究和设计技术队伍，因此有条件也有可能将国内的舰艇设计标准体系重新建立，不再承袭原苏联或俄罗斯的某些标准，认真总结自己的经验和教训，并珍视当今国内外的发展现实，有选择地吸收国际上先进的舰船设计理念和技术，并以创新的指导思想来制订我国新一代的海军舰艇结构设计规范。

2 国外军用舰船规范的发展史

现有军民船的结构设计方法可以追溯到19世纪中期，由船舶结构设计的先驱Rankine、Smith 和Reed 发起。他们发展了估算波浪条件下船体梁弯曲载荷方法、弯矩和剪力作用下的响应准则。军舰一般按照内部标准设计，这些标准和设计方法已经由各国海军不断发展，并积累了丰富的经验。各国一般均有自己的军用标准体系，由于这些军用船舶设计建造标准各自的起源不同，在某些方面的规定也各不相同，但总的来说其发展趋势是一致的。近年来，美国、加拿大和英国的海军机构受到资源限制，已经越来越难以维持内部的结构设计准则。

2.1 传统海军方法

1)英国皇家海军

在英国，军舰服从国防部自动调整，用一个非常宽泛的流程。系统包含健全体制的所有单元，即:确定设计和建造标准;确定责任;确定维护，检修时间表和维护、反馈机制，外部审核。英国皇家海军传统方法的基础是军用工程标准NES，由UK MOD 出版。最初正式发行是1972年，致力于通过基础性通用知识获得良好军用设计经验。该方法大部分是确定性的，考虑海面载荷如波浪弯矩、砰击，营运载荷如拖曳、直升机轮载，由模型和全尺度试验结果验证武器的作用，如冲击和爆炸。结构承载能力主要针对局部结构，通过组合应力方法和极限强度方法获得。该方法中采用了先进的设计技术如有限元和疲劳强度分析等。

有大约700 NES 涵盖了军船设计和建造的每一个方面。从1972年开始使用，NES 已经用于5 种新船的设计，包括49 艘水面舰船和3 种潜艇。近来，英国皇家海军实际上偏爱用分级规范来进行船舶设计和建造。

2)加拿大海军

加拿大海军对新造军舰用该国自己的舰船结构设计标准SDMEM10 (1978)。加拿大所有现役军舰，只有“金斯顿”(KINGSTON)级舰有船级社建造用分级规范。DMEM 10 由4 部分组成:

①CP 水面船舶结构设计流程;

②水面舰船结构设计标准;

③CF 钢质水面舰船结构实际标准;

④CF 水面舰船抗损性要求。

尽管DMEM 10 已经更新，但至今仍然大量保留着第一次发布的内容。随着时间的流逝，某些内容已经过时，不适用于下一代军舰的设计。尽管DMEM 10 在集合先进结构分析工具方面做出了努力(如结构的极限状态分析以及与MAESTRO 的合作)，但一般认为该标准已经被冻结，不再用于军船的结构设计［2］。

3)德国海军

联邦德国国防军引入了确定和满足他们军船结构设计要求的流程，称为CMP2001。这个流程致力于通过时间，经济和营运需求满足要求获得产品和服务，并认为工业发展的步伐越来越依赖于技术的高速发展。因此，联邦德国国防军和工业部门的合作非常紧密，这有助于维持海军的有效战斗力。CMP2001 整个进程主要由经济性主导。按照这个原则，德国对军用标准进行了修正。这些军用设计和建造标准仅适用于德国海军的部分舰船。

4)韩国海军

韩国的军舰明确规定要求基于内部军舰设计规范环境和军用载荷进行军船设计。韩国海军船舶设计和建造规范由韩国海军KR 和国内军船建造厂联合发展，并已正式发行，主要参考韩国海军经验，美国海军规范流程和一般船舶建造技术。为了寻求更合理的船体结构设计，规范推荐采用直接载荷和谱分析方法，并根据船舶类型和特点，考虑全寿期的环境载荷。推荐采用有限元的数值仿真方法考察结构响应和军事载荷(如空气冲击和水下爆炸)加强方案。

5)意大利海军

意大利海军将船舶设计的结构评估的关注点更多地放在一些现役船舶的经验上。船体梁整体结构评估根据RINA 海军规范，由海军，芬坎蒂尼(Fincantieri)船厂和RINA 公司共同发展，考虑了该领域的经验，引导流程和方法。

6)荷兰海军

荷兰海军的军船结构设计与民船类似。根据任务描述、船员需求、派生有效载荷，遵循传统规范设计船体梁，同时规范有一系列的标准设计载荷如波浪弯矩、舱压和加载压力以及许用应力和失效安全因子等强度要求。荷兰海军规范与同时期的其他规范最大的不同在于，用来抗击武器攻击的防护设计大多附加在已有结构上。

7)美国海军

美国海军很早就意识到船体结构设计应该承受环境载荷和军事打击的双重考验。在20世纪，特别是二战及二战后，通过模型试验、实船试验和战斗损毁评估对船体结构载荷的特性和量值进行研究，从而形成传统的确定性方法，并考虑波浪中的弯矩、砰击、运营载荷，武器攻击等。这些经验完整地列入了一系列的DDS (design data sheets)文档，供各类船舶规范参考。

到20世纪90年代中期，这个方法发生了2 个改变。一是结合计算机辅助计算方法进行载荷计算与结构响应预报研究。二是考虑舰船的全寿期特性。军船结构设计者意识到采用概率的方法将会提供一种更合理的方法，不确定度的定量分析可能比确定性方法更合适。基于可靠性的LRFD 方法在不断发展。这个方法符合不断发展的军民用结构物的结构设计经验。同时，传统的方法作为基准仍然在继续使用。

2.2 军用分级规范方法

随着采用海军内部标准的军舰设计、建造和维护数量的减少，维持这些标准质量的财政压力开始出现。减少可用内部专家经验，传统的军舰设计方式和海军技术支持需要根本性的改变。过去，在军舰建造和海洋工程领域，海军的设计者总是走在技术革新和发展的前沿，但是现在越来越多的重要进展在民船领域出现。这些在海洋工程领域先进的例子，最贴切的就是很多各种各样的单体和多体，配置新型推进系统的高速船。此外，舒适性需求(如低噪声，低振动，低污染，高效，高速和良好的抗损性)引起了很多关注，普通军舰设计防护也是惯例。

简言之，即使维持海军自己的内部标准值仍有吸引力，有限的舰船数量和严峻的预算限制，也使这个方法越来越不可行。现在已有基于规范和军民船规范相结合的军舰规范新版本，可用于关注军舰全寿期状态［3］。

满足要求、服役可靠性和经济性是民船船东的三大要求，军舰的应用和服役操作也一样。军舰的分级方法为海军提供了一种在民船领域已经较成熟的不同于传统经验和流程的可选择方法。

IACS 主要成员的分级规范已经出版或将要出版。这些出版的规范，主要框架均基于其各自的民船规范。

1)ABS

自1998年起，ABS 已经与美国海军合作发展了NVR 规范，第一版ABS (2004)在2004年生效。该规范有效地沿袭了传统海军设计方法，采用由美国海军发展的准静态分析方法和概率方法计算波浪弯矩和船体梁弯矩。该规范要求对所有新造船舶进行有限元分析和疲劳分析。与其他规范一样，各种特别要求的载荷工况需要完整考虑。Sullivean 等.(2004)［4］研究促进了模块化可变任务高速船型部分的规范发展。

2)DNV

DNV 水面舰艇规范综合了传统军用标准和民船经验，包括军舰设计、建造和营运结构认证。与其他军用船级社规范类似，可供分级标识保证各种建造和设计的安全性、IMO 规则等效性、战斗或非战斗舰船的军用操纵适应性［5］。

3)GL

1999年，GL 由德国联邦政府科技厅防卫部授权，与德国军方密切合作调整了一版德国军用标准(BV)，该版规范仅描述了军舰的特定部分。GL 的NR 规范(2004)将军舰视为一个平台，对武器和传感器而言，只检验其基座和支持力。GL 建造规范涵盖了一系列完整的专用军船船型，包含关键特殊材料的安全性与环境因素。Petersen (2004)［6］认为，GL 规范关于军船技术的整个体系完整且独立，对GL 其他规范和标准的交叉引用已经减到最少。

4)LR

1998年，LR 出版了世界上第一套军舰设计、建造和分级规范，其主要框架与民船入籍标准一致。该规范现在已经更新到第七版。这些规范包含了所有类型和尺寸的船舶，包括航母、驱逐舰、护卫舰、轻巡洋舰、巡逻艇和各种军事和非军事用途的其他船只。LR 规范(1998-2006)［7］着手于将军船设计的所有因素，包含船体、主机和各个工程系统以及具有军用特点的结构防护布局和损伤后的强度评估等各个方面，关联到相关的结构布置上去［8］。

LR 规范中采用需求、能力和许用准则方法［9］。需求定义了环境条件。载荷则由分析或模型试验的结果直接计算获得。另外，传统的载荷和强度评估增加的弯矩由极限工况下的极限强度评估导出。类似的，希望损伤后的船舶与未损伤的船舶在相同的环境条件下具有生存能力，用剩余强度评估来计算减少的弯矩。在规范中也给出了抵抗军事打击的载荷计算指导性文件。

在军方的需求中对满足国际惯例进行说明的地方，LR 规范认可军船的特征并满足多样化的间隔布置要求，同时满足船级社的相关规定［10-12］。

5)RINA

RINA 军船分级规范(2003)［13］涵盖了与水面钢质舰船和考虑特殊机密性平台有关的所有因素:操作因素和船舶管理经验;军舰性能因素如抗风浪能力需要正确的武备系统操作，弱点分析，在污染区域操作的能力等;军用结构极限状态的特别认证如内部、外部和水下抗爆性见文献［14］;特别是甲板舒适性和工作环境、海洋环境的加强保护。

当基于民船入级规范的方法时，为了适当考虑高度专业化的军船特性和有效载荷特点(军人和战斗系统)，RINA 规范与之有很大的不同，即不仅仅是民用规范的应用。

虽然这些国家的军用分级标准均基于民船框架，但它们在具体方法的选择上仍存在不同，如表1所示，军用分级标准中对构件尺寸要求的计算方法就不尽相同。

表1 主要军用规范中对构件尺寸要求的比较Tab.1 Comparison of approaches for scantling requirements of main naval rules

实际上，军船与民船的结构设计的差异性和一致性一直贯穿在整个军船结构的设计与建造历史之中。在中世纪，很少有国家能建立海军，大部分的战争都是用商船携带轻型武器。直到1500年间，重型武器和舰炮的出现使得能吸收舰载武器重量及其反作用力，并能承受炮弹打击的具有增强甲板和船体结构的军船问世。1820-1860年间随着船用钢材的增长，使得海军和民船船东开始重新构想设计和建造方式。设计人员曾经考虑分享二者的概念和技术经验。这些先进经验大部分发生在工业革命的中心英国，当民用结构工程师将铁路和道桥的建设成功经验带入了船舶建造的舞台，由大不列颠桥发展的箱型梁系统成为船舶纵向构件的范例。事实上，此时大部分海军(拿破仑战争后不久)都执行了严格的预算，很多冶金和节点设计的基础技术研究都由民用部门执行，此时民用部分正在经历由不断增长的且可靠的蒸汽发动机带来的急速增长。此时，民用船级社特别是英国的LR，法国的BV 将钢质船舶建造引向了合理化，他们的规范分别于1855 和1858年发布。尽管如此，大部分的规范给出的尺寸公式都是基于经验的，可以很好服务于民用部分的模型越来越不适用于军船。

从18世纪70年代开始，英国海军引领了用技术基础工程理论的计算方法来进行船舶设计的发展。例如，军船的设计者开始计算船舶的静水波浪弯矩，详细说明了沿船长的分布。相对的，大部分船级社此时建立了与沿船长的弯矩和位移有关的半经验公式。

这种状况在第二次世界大战中后期由于以下2个原因慢慢发生了改变:①由于公司和政府意识到了高水平知识和技术在经济发展中的需求，坚持教育水平对工作能力的影响，受教育工程师的数量显著增加;②在科学和技术方面的投资也有了急剧的增长，这些直接导致学校和研究中心发展先进的技术和方法去解决工程问题。比较早的例子是，1946年SSC 作为一个美国海军调查局的附属机构，确定了战争中焊接商船的脆性裂纹原因。类似的研究由英国的海军船舶焊接协会(后来的海军钢结构协会)开展。有趣的是，这些政府研究机构包括他们各自国家的船级社都意识到民船和军船之间的技术转移是有益的。这些组织赞助的包括几个实船试验在内的研究工作，极大的改进了结构和船舶规范的基本工程要求。随着时间的推移，计算方法的改进发展如概率分析和计算机辅助设计工具如有限元，促进了船级社选用工程技术进行细部结构分析技术的发展，改进了快速增长的专用船舶比如LNG FPSO 和超大型集装箱船设计。尽管计算机设计分析流程和支持工具应用在军民船设计领域是一致的，但它们仍然有显著的不同。海军继续发展和细化他们自己的设计标准，并从战斗损伤经验和结构响应的方法进行了广泛研究。从19世纪40年代中期到60年代，多国海军都采用退役或俘获的船只进行了数量巨大的实船试验，以检验在冲击载荷作用下的船体弯矩到结构响应的一系列问题。从19世纪80年代到90年代，根据相同的原理，实船试验被大量的模型试验和日益成熟的计算机辅助分析技术所替代。这些测试和试验结果使得军船特种钢技术得以发展，形成了相应的标准和详细建造规范以改进抗损性能。例如，大部分海军确定采用对称T 型材和连续焊接构件以约束冲击载荷后的结构失效。

民船和军船的设计标准和方法中操纵性和维护性的不同也加剧了军民船规范的分歧。大部分货船有大量的载荷工况(满载或压载)，导致疲劳周期比军船多，使得相应的结构尺寸增大。另一个例子，海军战士不断的对船体结构检测和喷漆，而对民船来说，这些行为都只周期性的进行，比如在入坞期间;因此，在大部分规范中腐蚀余量特别要求，而军船设计准则中则未出现。

3 军船设计和建造的发展趋势

近几十年来，国际造船业的快速发展与变化已迫使海军舰艇的设计标准要适应造船工业和国际市场经济发展的总需求。目前一些将影响军船设计和建造的发展趋势有［15-17］:

3.1 模块化，弹性化和多任务

开放软件标准的快速发展，即插即用系统和自动化、远程操作工作方面的飞跃发展意味着未来军舰可能会配置多种任务，短时间的或逐一的跨越武力威慑、战斗、支持等传统角色;因此，传统的规范不得不重新检查，例如负有弹性任务的船只需要战争中抗冲击，如果实际运营中采用无人机。

3.2 增强的隐身性能

在过去的冷战时期，战舰更多的是在近海区域而非公海作业。隐身管理被认为与减少侦察和攻击弱点一样重要。新型结构布置、特性和材料不断发展，以减少雷达面，声波和热量发射，甚至是可见信号。

3.3 高速

航速40 kn 的军舰被认为已经在第二次世界大战中终结，但是，滨海运营的重点使得高速的战术优势重新复活。在船体砰击响应、疲劳强度和振动领域，需要进行广泛的研究，以发展减少维护费用并增加船舶寿命的方法。

3.4 多体/先进的船体

尽管新型的船体类型如常规双体船、小水线面双体船、三体船、水翼艇和水面效应船等已经存在了很长一段时间，上述船舶的快速发展要求改善耐波性和设计弹性(军民船都是如此)，并由此对新型船体提出新的需求。目前，仍然存在一些基础知识的限制，如船体，应力流等之间的结构响应需要基于新的规范和准则进行研究。

3.5 材料

船长和船东(包括海军)持续寻找可以改进性能或减少建造和全寿期维护费用的新材料和材料系统。复合材料系统(如金属-塑料夹层板)，新型金属如钛合金，涂层系统都被考虑用来为减轻重量、减少裂纹，抵抗腐蚀。另一个原因是恐怖袭击的不断增加会对军民船的淬火 (硬化)措施提出了要求。

3.6 军船建造在非本土船厂

在20世纪的大部分时间里，发达国家在自己的船厂建造军舰。近年来，一些国家已经开始与外国船厂签订合约建造军舰，并且呈上升趋势。这种原因源于外国船厂的低费用，或者成熟的综合造船能力不存在本地性。结构工程隐含的要求正在从军用标准转到商用标准，可以被外国船厂很好的理解。

4 结 语

目前，在我国大型水面舰船结构设计中可用的设计标准主要为GJB-4000-2000 《舰船通用规范-1 组 船体结构》和GJB 119-99 《水面舰艇结构设计计算方法》。

《舰船通用规范-1 组 船体结构》［18］适用于水线长小于160 m 的军船，其基本设计思想体系来源于20世纪50年代的苏联资料，真实的经过验证的适用范围应该在140 m 以下，设计理念和设计计算方法相对落后。

《水面舰艇结构设计计算方法》［19］适用于水线长小于200 m 的军船，它在我国原有规范设计思想体系的基础上，引入了20世纪80年代苏联的结构设计思想，也引入了当时国外军民船结构可靠性设计和疲劳强度设计等先进的理念和设计计算方法，但《水面舰艇结构设计计算方法》在我国大型水面舰船的设计实践中尚未被采用。

应该说，对于正在不断加大开放力度并期望不断增加国际竞争力的我国，为适应造船工业的国际市场化，并加速海军的建设和发展的这一过程，是处于同一经济和技术环境下的。国外老牌海军与船级社在军船和民船这两种海事传统技术的融合，是造船技术和经验日趋成熟的一种历史必然，也是国际经济全球化发展的必由之路。其构思和技术内容，也应该成为我国海军舰艇标准化发展的一个重要指向。

［1］Committee V.5 Naval Ship Design.16thInternational Ship ann Offshore Structures Congress［C］.Suthampton，uk，2006.

［2］Canada DoD.，Structural Design of Surface Warships，DMEM 10 Rev 2［M］.1978.

［3］WHITE N，BIGNOLD D，JAMES P，STITSON R，CHENG F.New Rules for the Classification of Naval Ships FAST［C］.1999.367-384.

［4］SULLIVAN P E，ASHE G M，FIREMAN H，FINNEY R.Naval Vessel Rules-A NAVSEA/ABS Partnership for the Future［M］.2004，ASNE.

［5］VERITAS D N，Rules for Classification of High Speed，Light Craft and Naval Surface Craft［M］.2004-2005.

［6］PETERSEN L.Classification of Naval Ships［J］.Naval Forces，2004，(2):108-115.

［7］Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships［M］.Lloyd′s Register，1998-2006.

［8］Provisional Rules for the Classification of Naval Ships［M］.Lloyd′s Register，1999.

［9］CHENG F，JAMES J，RATTENBURY N.Naval Ship Rules 2000［M］.Lloyd′s Register，UK.

［10］POMEROY R V，et al.The Classification Process and the Safety Case for Naval Ships，Using the Classification Process For Naval Ships［C］.INEC，2000.

［11］RATTENBURY N.Classification Process and the Safety Case for Naval Ships，Proc.of The Modern Warship-Management of Safety in Peace and War Conference［C］.1999.

［12］Lloyd′s Register.Naval Classification［M］.2000.

［13］RINA，RINA Naval Rules，Registro Italiano Navale［M］.2003.［14］BOCCALATTE C.CERVETTO D，DATTOLA R，et al.On the Development of Structural Rules for the Classification of Naval Vessels.Proc.of FAST 2003［C］.Ischia，Italy.

［15］DALEY C，KENDRICK A，PAVIC M.New Direct-ions in Ship Structural Regulations，10th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures Houston［C］.Texas，United States of America.

［16］KENDRICK A，DALEY C，PAVIC M.Comparative Study of Ship Structure Design Standards，Ship Structures Committee Report SR-1444，submitted to US Maritime Administration，by BMT Fleet Technology［R］.2006.

［17］DALEY C，KENDRICK A，PAVIC M.Comparative Study of Ship Structural Regulations，Proceedings of RINA Conference:Developments In Classification ＆ International Regulations［C］.London，UK，2007.

［18］GJB，《舰船通用规范-1 组 船体结构》［S］，2000.

［19］GJB，《水面舰艇结构设计计算方法》［S］，1999.