服役期增重对舰船性能的影响分析及减重措施研究*

胡雅梅 吴东伟

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)



服役期增重对舰船性能的影响分析及减重措施研究*

胡雅梅 吴东伟

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

服役期增重是舰船使用中经过数年缓慢的累积而成的排水量增量。目前针对服役期增重尚无法进行具体定量的分析。文章首先定性分析了舰船服役期增重的主要影响因素,提出了服役期增重对总体稳性及总纵强度影响的分析方法,通过商业软件计算,总结出了服役期增重引起的重心高变化、受风面积及受风面积形心改变对舰船抗风稳性的影响关系,最后提出了减少服役期增重对舰船影响的控制措施。

服役期增重; 抗风稳性; 总纵强度; 减重措施

Class Number U661.2

1 引言

服役期增重是舰艇使用过程中形成的、无法避免的排水量增量。目前国内外海军对舰艇的服役期增重的控制以及对服役期增重的影响分析,均无有效的评估和解决措施,公开的资料极少。美国曾在CG47级大型巡洋舰的设计中重点研究了减重的措施,付诸实施并取得了一定效果[1]。同时,美国海军在标准的制定中不仅对设计建造储备提出了明确要求,也提出了水面舰船使用期裕度要求,并建立了稳性状态分类(根据舰船的重量裕度和极限重心高裕度来分配稳性状态)[2]。

虽然在舰船设计初期就及时地引入重量控制的理念,通过对系统设备提出重量的控制要求,预留储备等方式,在一定程度上达到控制总排水量的目的。如DDG-51,在研制初期就编制了重量控制大纲,明确了重量重心控制目标,并对结构、设备进行称重。而且国内不少学者也在船舶及海洋结构物的设计、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]通过分析舰船建造和使用中的重量重心控制现状和控制方法,提出了水面舰船研制中建立完整的重量重心控制体系,在总体顶层、系统设计、建造、管理等方面的重量重心控制措施和储备设计方法。

随着设计的逐步深入,对于重量的超差仍然非常普遍。在使用过程中,重量不断增加,这给舰船现代化改装和后续舰船设计提出了诸多难题,而且难以有效解决。

舰艇的设计状态和实际使用状态常常存在差异,设计部门往往无法长期跟踪舰艇的使用状态,而且舰艇本身服役期时间较长,缺乏对服役期间实际排水量的检查(因为很少做倾斜试验)。纵使在舰船完工时预留一定的排水量储备,但是历经多次小修、加装、改装等变化后,舰上加装的电子设备、生活设施可能已将储备排水量消耗殆尽。如果此时再继续出现服役期增重,将对舰艇的性能产生一定的影响。如不引起重视,极可能威胁舰艇的安全性。

本文梳理了服役期增重的主要来源,提出了服役期增重的影响分析方法,分析了服役期增重对舰总体性能的影响。对指导舰艇改装设计、舰船使用期间的安全预测和性能评估具有较好的借鉴意义。

2 舰船服役期增重影响因素分析

为了考虑舰船设计过程误差、船厂施工工艺误差及后续现代化改换装的需要,舰艇在设计的各个阶段,都需预留一定的排水量储备,以平衡各个阶段、建造阶段舰艇重量的变化(主要是重量增加)对总体技术状态的影响,并为后续现代化改装预留一定的备用量。《舰船通用规范》[10]中规定,各设计阶段,应根据舰艇大小及不同的设计条件,对设计舰艇留有一定的设计与建造储备排水量和储备重心高。一般水面舰船在方案设计阶段需留有3%～8%的排水量储备,在完工交舰时应至少留有1%的储备排水量。因此舰船在使用期内的增重最多不应超过储备排水量值。

分析我国舰船使用习惯,并结合现场勘查及改装舰船经验,定性分析服役期增重主要的影响因素为以下四大类:

1) 舰上超标准存放的备品、备件、工具

按照标准规定,舰船在交船时,需按清单配置相应的备品、备件和工具等。舰船在设计过程中,已经考虑了此项重量。但一般船舶在执行远洋任务前,为保证设备运行可靠,会根据使用经验,进行加配。这样备品备件的配置常常会超出设计标准规定的范围,存在一定冗余。而且在备品备件的数量上,可能也存在超标情况。在任务执行完毕后,多余的备品备件若不能及时清理下舰,日积月累变成了舰上的“固定”载荷。

2) 超标准的个人行李和物品

军用标准对舰上个人物品的重量有明确规定,但是随着人员在驻舰时间越久,重量变迅速增加,包括个人书籍、衣物、日用品及各种食品等。

3) 舰船使用期的维护或维修增重

舰船服役期间,保养过程中多次涂装油漆或甲板涂料,涂装厚度一般都超出设计状态,由此导致的重量增加是非常明显的。而且舰船在使用期内修理过程中,对于小范围更换或拆除的设备,部分应拆除的电缆因施工困难未拆除。此项增重一般是隐性的,难以查找和清理。

4) 设计部门不能及时掌握的项目

为方便使用,船厂临时加装的设备。因特殊需要,部分舱室重新装饰而引起的重量增加,以及其他设计部门无法掌握并追踪的加改装项目等。

3 服役期增重对总体性能及强度的影响分析方法

服役期增重不仅体现在舰船排水量的增加,同时常常伴随着重心位置的提高,这对舰船各项性能的影响都是非常不利的,包括稳性、耐波性和不沉性。同时由于重量增加,改变了原来的舰体结构重量分布,进而导致舰船的静水载荷和波浪载荷随之改变,而且多半向恶劣的趋势发展。

为此,必须重视服役期增重,在控制重量增加和重心升高的同时,采用科学的方法加以评定,并积极采取减重措施,将危险降至最低。本节给出分析服役期增重影响的如下两种可行方法。

3.1 方法一:视服役期增重为均匀分布载荷

此方法处理问题较简单,可采用此方法对服役期增重的影响进行快速估算。假设船在设计完工状态排水量为Δ0,重心高度ZG0。服役N年后,倾斜试验测量得到排水量为Δ1,重心高度ZG1,增重为Δ′=Δ0-Δ1。按增重载荷均匀分布考虑,且假设重心前后位置不变。那么增重即为在重心某一高度上沿着船长方向的均布载荷,作用高度为距离基线:

(1)

在抗风稳性及不沉性计算时,只需代换测得的排水量和重心高度计算,同时考虑计入因排水量增加吃水变化而导致的受风面积变化。

对于船体总纵强度的影响,因考虑载荷均匀分布,服役期增重使船体重量分布曲线抬升一固定高度。其余计算过程参考船体总强强度校核方法进行。

3.2 方法二:视服役期增重为局部分布质量点

为更好地模拟服役期增重的分布形式,可采用多个质量点来综合模拟。但是此项相对复杂,首先需要了解服役期增重的来源,并对各个来源加以局部称重和试验。即根据第2节中对服役期增重主要来源进行分别分析说明。

1) 舰上超标准存放的备品、备件、工具

为了比较准确合理掌握舰上超配的备品、备件、工具情况,建议进行全船性查舱,按系统或按部门统计备品备件数量,对超标的部分进行称重确认。

2) 个人行李和物品重量的统计

按军人等级,抽取不少于总数30%人员进行个人物品称重。按照人员居住范围计算各部分的总重量,按照此方法统计的个人物品重量及重量分布统计更接近实际情况。

3) 油漆或甲板涂料的增重统计

对于舰船油漆增重的统计,选取一定区域(舷侧、主横舱壁、轻次舱壁、地板等)的油漆膜厚度样本,进行称重,换算出单位面积重量。再根据全船涂漆面积统计油漆总重量,并与设计状态进行对比,统计出油漆增重情况。

对于甲板涂料的增重统计,选择舰露天甲板的首部、中部和尾部典型区域铲取一定面积的甲板覆盖,进行称重,换算出单位面积的涂料重量。再根据全船露天甲板面积,换算出全船的甲板涂料增重情况。此方法在舰船改装设计论证中已有应用先例,操作简单,效果明显。因为露天甲板位置一般较高,所以甲板涂料的增重对舰的重心提高效果显著,需引起足够的重视。

3.3 重心高及受风面积对舰船稳性的影响

为了说明服役期增重引起的排水量增加及重心升高对舰船抗风稳性的影响,本节运用现有的商业软件,选择一简易船舶,进行了重心高及受风面积变化对舰船稳性的影响的规律性总结,以更好地指导舰船在后续改装论证方案的快速决策。

1) 重心高对抗风稳性的近似影响关系

假定舰船吃水不变,通过变化重心高度,分析重心高对抗风稳性的近似影响关系。

计算条件:假定船舶排水量5500t;重心高/型深Zg/D变化范围0.69～0.71,计算间隔0.001;

计算结果如图1,由图可知,若排水量一定,舰船抗风极限风速值随着重心高度的上升基本呈线性下降。(ZG/D)每升高0.001,无因次化极限抗风能力指标下降约0.005。

2) 受风面积对抗风稳性的近似影响关系

假定受风形心高度不变,仅改变受风面积大小,分析受风面积对抗风稳性的影响如下。

图1 定排水量下重心高与抗风能力影响关系

计算条件:假定船舶排水量5500t;受风面积较基准值S′/S0增加的变化范围100%～111%,计算间隔1%;计算结果如图2,由图可知,随着受风面积增加,极限风速基本呈线性下降,受风面积每增加1%,无因次化极限抗风能力指标下降约0.003。

图2 受风面积与抗风能力的影响关系

3) 受风面积形心对抗风稳性的近似影响关系

假定受风面积不变,仅改变受风面积形心高度,可得受风面积形心高度对抗风稳性的近似影响关系如下。

计算条件:假定受风面积一定,受风面积形心高度/型深(ZS/D)的变化范围1.125～1.175,计算间隔0.005;计算结果如图3,由图可知,随着受风面积形心高度的增加,极限风速基本呈线性下降。一般,受风面积形心高度每增加0.001,无因次化极限抗风能力指标下降约0.01。

图3 受风面积形心与抗风能力的影响关系

因排水量变化引起舰体重量分布的改变,其对总强度的影响建议通过有限元计算进行确定。重量分布的变化建议参照方法二进行确定。如无条件做倾斜试验确定,可类比同类型、相似吨位的舰船进行。

4 服役期增重的减重措施

鉴于服役期增重对舰船稳性和强度的不利影响。应尽可能想办法去除服役期增重,减轻对总体资源的消耗。主要措施与建议如下:

1) 定期清查超标备品备件,清查临时加装、超配设备及超标个人物品等,清理下舰。

2) 拆除一般舱室的过度装饰材料,拆除废旧电缆、废旧设备等。

3) 在舰艇使用过程中应加强状态控制,强化重量控制意识。从源头上减少服役期增重。

在服役期增重无法全部去除的情况下,为保证舰船的排水量不超标,各项性能满足规范要求,应考虑从布置调整、设备重量优化、轻质材料替换等多方面采取措施最大限度地减轻或化解服役期增重的影响,保证舰船安全。

5 结语

服役期增重是目前世界海军服役期难以杜绝的问题,对舰船稳性和强度均存在不利影响,需引起足够重视。本文从增重来源分析,增重影响分析,减重措施分析等角度深入浅出地阐述了控制服役期增重的重要性,依托一简易船舶计算了服役期增重引起的重心高度上升、受风面积变化及受风面积形心变化对舰船抗风稳性的影响关系,给出了一般的规律性总结。

当然,在考虑如何减重的同时,应从根源上,继续加强舰船设备的可靠性设计,提供设备自动化、信息化水平;提高舰员各项素质,强化大局意识。

[1] 内部资料.美国海军CG47级宙斯盾巡洋舰大幅减轻重量的经验[M].武汉:701所,2005:35-45.

[2] 辛力,袁仲.美国海军水面舰船重量和稳性使用期裕度评论[J].国外舰船工程,1997,1:1-10.

[3] 杜子荣,曲延涛,窦星慧,等.海洋结构物的重量控制[J].中国造船,2009,50(A11):102-106.

[4] 陈捷捷,李炎,吴波.基于CADDS5和VB的三维船体结构重量重心及材料估计计算系统[J].中国舰船研究,2007(2):51-55.

[5] 王凯.高速钢质客船的重量控制[J].江苏船舶,2003,20(1):4-6.

[6] 胡日强.船体建造精度控制关键技术研究[D].大连:大连理工大学,2006:40-46.

[7] 金伟.高速船设计中的重量及振动噪声的控制[J].船舶设计技术交流,2006(1):11-13.

[8] 张芳,雷丽,王海.小水线面双体船结构设计的重量控制[J].造船技术,2009(4):11-13.

[9] 周巍,张维俊.水面舰船研制过程中重量重心控制方法[J].中国舰船研究,2012(4):1-5.

[10] 海军规范所.GJB 4000-2000舰船通用规范[S].北京:总装备部军标出版社,2000.

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,硕士,工程师,研究方向:舰船总体与结构设计。吴东伟,男,硕士,工程师,研究方向:舰船总体设计。

U661.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.001