某型护卫艇舰炮基座及其支撑结构设计

陈细兵

（中国人民解放军第四八零一工厂，广州510715）

1 引言

某型援外护卫艇作为沿海巡逻艇，主要承担沿海海域内的巡逻、警戒等任务。为满足其使命要求，艇首部甲板区域配有一门舰炮，该型舰炮重量和后座力均比较大，为了保证艇体结构的安全性及可靠性，本文参考中国船级社《水面舰艇入级规范》[1]，基于有限元法对舰炮基座及其支撑结构进行结构设计。

该型援外护卫艇采用单体船型、圆舭折角混合线型，单底、单层连续甲板、前倾首柱，主艇体为钢质焊接结构，甲板室为铝质焊接结构，采用四机、四桨、双舵推进。主船体采用满足CCS 要求的船用B 级钢（屈服强度为235 N/mm2），支柱采用20 号优质碳素钢。

该型护卫艇主要参数如下：

总 长Loa 45.83 m

水线长Lwl 43.50 m

型 宽B 6.40 m

型 深D 3.60 m

2 舰炮基座及其支撑结构设计

目前船舶结构设计方法主要有两类：第一类是规范设计法，即根据船舶主尺度及和结构形式，以及各种营运和施工要求，按照船级社制定的船体建造规范的相关规定确定构件的布置和尺度；第二类是直接计算法，即根据船型和构件布置的不同，按照各种构件的受力情况，直接进行强度计算。

舰炮基座是指用于固定炮身的刚性连接在船体上的结构；舰炮基座支撑结构是指与基座焊接、直接承受舰炮载荷的船体结构。舰炮基座及其支撑结构作为船体结构的一部分，通常规范对其构件尺寸计算方法并无相关说明，因此在舰炮基座及支撑结构设计中，直接计算法是通常采用的方法。《水面舰艇入级规范》对舰炮基座及支撑结构，要求采用直接计算法进行设计，并给出了设计原则、校核载荷、许用应力等要求。本文依据《水面舰艇入级规范》对该型援外护卫艇舰炮基座及其支撑结构进行设计，设计流程如图1 所示。

2.1 舰炮基座及其支撑结构结构设计原则

根据《水面舰艇入级规范》，舰炮基座及其支撑结构应满足以下要求：

（1）舰炮基座一般由带肘板和扶强材的圆形卷筒和卷筒上的基座面板组成；

（2）基座卷筒直径应根据舰炮底座固定螺栓的节圆直径和扬弹机的布置要求确定；卷筒高度在保证舰炮极限俯仰角、装弹及自由后座的条件下应尽量选择最小尺度；确定卷筒高度时，应考虑到甲板的梁拱与脊弧；卷筒壁板的厚度应不小于3 mm；

（3）基座面板厚度不应小于6 mm；

（4）舰炮支座应设于甲板板架的纵、横主要支撑构件交叉处的上方。如不设在舱壁上，主要支撑构件应不小于3 个；

（5）轻型舰炮基座支撑结构可仅为所在甲板的主要构件，重型舰炮基座支撑结构可适当延伸到所在甲板的下层甲板或平台。

2.2 舰炮基座及其支撑结构设计载荷

根据舰炮基座及其支撑结构的实际使用需求，其结构设计主要应针对舰炮发射过程中结构安全性及可靠性进行，即重点考虑基座及其支撑结构是否能够承受在舰炮发射过程中的后坐力、舰炮自身重力和其他外力这三种载荷共同作用下结构的强度和整体的稳定性。

舰炮基座及支撑结构在设计过程中应考虑三种载荷：静载荷、准静态载荷及瞬态冲击载荷。其中,静载荷主要包括舰炮及舰炮基座自身的重力；准静态载荷是指在较短的时间里可以认为是静态的载荷，它的大小或方向是随时间变化的。为了设计及计算过程的方便，虽然该载荷会在作用时间内发生变化，但可近似认为是准静态，它主要包括作用在舰炮基座结构因舰船横摇和纵摇产生的惯性力。瞬态冲击载荷指的是舰炮发射过程对基座结构产生的后坐力。本文为简化载荷计算过程，将准静态载荷及瞬态冲击载荷均等效为静载荷。

（1）静载荷

静载荷主要包括舰炮自身重力和舰炮基座及其支撑结构自身重力。

（2）准静态载荷

准静态载荷主要包括因舰船运动产生的侧向惯性力和垂向惯性力。

① 侧向惯性力 FY

侧向惯性力 FY（位于舰炮重心处），按下式计算：

式中： θ 为横摇角单幅值，由下式得出：

式中： TR为横摇周期，s 由下式得出：

式中： Kr为正常排水量时舰艇的横摇回转半径，可取kr = 0.39 B，m；

GM 为正常排水量时的初横稳性高度，当 GM 未知时可取GM=0.07 B，m；

Kb为系数，有舭龙骨时取 Kb=1.0、无舭龙骨时取Kb=1.2、有主动式减摇鳍时取 Kb=0.8；

② 垂向惯性力 FZ

垂向惯性力 FZ（位于舰炮重心处），按下式计算：

式中：aV为垂向加速度，由垂荡加速度、纵摇加速度和横摇加速度垂向分量合成；

Ka为垂向加速度分布系数；

acg 为全船重心处垂向加速度：

式中： g 为重力加速度；

H1/3为设计有义波高，m。

瞬态冲击载荷为舰炮发射时产生的后座力。

（沿舰炮轴线），按下式计算：

式中： FB为舰炮制动器额定制动力，一般由设计任务书给出，kN。

2.3 舰炮基座及其支撑结构设计

根据舰炮基座及支撑结构设计方案，通过有限元法对结构方案进行结构强度分析，若强度不满足要求则修改设计方案，继续通过有限元法进行结构强度计算，直至满足要求为止。

综合该护卫艇的总体性能要求，提出舰炮基座及其支撑结构方案[2]如下：舰炮基座为6 mm 厚圆形卷筒与20 mm 厚基座面板焊接而成，基座肘板为6 mm厚直角梯形板。舰炮区域甲板板加厚为6 mm，舰炮基座下方设置3 mm 厚横舱壁，在基座下方增设焊接T 型材加强，舱壁两侧均设置垂直桁。具体结构设计方案，如图2 所示：

3 舰炮基座及其支撑结构强度分析

3.1 有限元模型

模型范围包括整个舰炮基座与其相连的支撑结构[3]，有限元模型见图3。

总体坐标系取右手直角坐标系，原点取在舰炮基座回转中心与基线交点处（#50），x 轴沿船长方向首为正方向，y 轴沿船宽方向左舷为正方向，z 轴沿型深向上为正方向。

“名词儿化后转化成另一个名词，常见的是一个多义词儿化后由一个义项衍生出另一个或几个义项，不同的义项之间尽管存在着渊源上的关系，但所表达的概念是不同的，宽泛一点说，这也相当于由一个词转化为另一个词。”

结构中的板材和主要支撑构件的腹板用板单元模拟；扶强材、纵骨、主要支撑构件的面板、支柱等用梁单元模拟，并考虑各构件的实际截面和偏心；炮身结构通过MPC 单元与舰炮基座面板刚性连接。

模型网格尺寸以横向1/2 纵骨间距、纵向1/4 肋距为基准进行划分。模型中共有3 483 节点、3 516 个板单元、1 405 个梁单元。

3.2 材料属性

材料为船用普通钢，其屈服强度为235 x 106N/m2、弹性模量为2.06 x 1 011N/m2、泊松比为0.3、材料密度为7 850 kg/m3。

3.3 边界条件

模型的甲板边界及支柱下端采用简支边界条件，即δx=δy=δz=0。

3.4 工况分析

为确保结构安全可靠，计算工况应尽涵盖所有较危险的工况。根据中国船级社《水面舰艇入级规范》2.6.5.4（2）的规定，计算工况如表1。

表1 计算工况

基座结构自重及支撑结构自重以Inertial Load 形式施加，由于肘板等小构件未能在有限元模型中得以表述，基座及支撑结构自重考虑10%余量，以确保强度分析结果偏于安全可靠[4]。

各工况加载情况，如图4 ～图7 所示。

3.5 衡准要求

根据《水面舰艇入级规范》的规定，许用相当应力[σ]和许用剪应力[τ]如下：

式中：k 为材料系数，根据《水面舰艇入级规范》取k=1.0。

3.6 计算结果及衡准

4 种工况的计算应力结果汇总见表2，变形及应力云图如图8 ～图15 所示。

表2 应力结果汇总（N/mm2）

从表2可以看出，4种工况下的计算应力均小于《水面舰艇入级规范》要求许用应力。因此，可认为该舰炮基座及支撑结构设计方案能满足《水面舰艇入级规范》要求。

4 结论

（1）某型护卫艇主尺度较小，艇首部甲板安装的xx 型舰炮重量、后座力较大，有必要进行舰炮基座及其支撑结构设计研究；

（2）根据基座及其支撑结构设计方案，通过有限元法对舰炮基座及其支撑结构进行强度分析，与中国船级社《水面舰艇入级规范》给出的许用应力衡准进行比较，得出该舰炮基座及其支撑结构设计方案结构强度满足要求；

（3）本文采用的方法可为类似舰船舰炮基座及其支撑结构的设计、维护和使用提供参考。