水面艦船破損后的安全性分析

2012-01-22 12:51:28，，

船海工程 2012年4期

，，

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

水面艦船被武器命中后，船體結構會發生破損。基于安全性的原因，需要保證艦船不但能夠生存下來，而且還應具有一定的戰斗能力。評估艦船船體在破損情況下的剩余承載能力，需要考慮艦船自身的結構特點、船體破損位置及程度、海況環境等一系列復雜的因素[1-5]。采用合適的方法分析艦船破損后在不同海浪環境下的安全狀況，可為艦船結構設計和破損后的救助工作提供參考依據。

1 破損艦船的評估條件

1.1 艦船破損狀態的確定

水面艦船被武器擊中船體結構出現破損后，艙室進水，其浮態會發生變化。由于船體破損的位置不同，引起艦船浮態和外載荷的變化也有差異。根據不沉性原理，按照不同裝載狀態和破損范圍下眾多不同的破艙組合，確定浮力損失最大的破損區域，找出最危險的破損狀態。根據快速性原理和破損狀態確定艦船破損后的計算航速。根據艦船遭受攻擊武器種類的不同，船體結構有多種破壞形式，考慮到破口越大，艦船損失的承載能力越多，采用最危險的橫向破口形式進行結構分析。

1.2 艦船破損后的強度衡準

我國艦船規范對船體破損后的強度校核，目前還沒有相關的規定，但是對未破損艦船要求按照極限彎矩校核總縱強度。

(1)

(2)

式中：Mu——極限彎矩；

Ms——靜水彎矩；

MW1，MW2——波浪彎矩；

MD——砰擊彎矩；

k——大于1的系數。

目前國內還沒有適用于水面艦船破損后的結構強度校核準則，本文仍采用船體等值梁方法計算艦船破損后的剩余強度。規范中規定校核極限強度時極限彎矩大于1.5倍的合成彎矩，艦船的極限強度滿足要求。考慮艦船在破損后還應具備一定的戰斗力，并具有一定的航速，即船體梁還有一定的儲備能力。據此，艦船船體在破損以后，極限強度儲備系數仍取為1.5。

2 艦船破損后外載荷計算

2.1 靜水載荷

準確地分析和計算破損艦船的外載荷，是對艦船剩余強度進行合理評估的關鍵。采用傳統的靜置法計算艦船破損后的靜水載荷，計算過程中波形取為坦谷波。在計算船體的破損參數時，采用重力增加法，即艦船船體破損后，進入船體艙內的液體重量成為整船重量的一部分，重心位置發生變化，浮力按照船體破損后的實際吃水計算。載荷的計算與船體的破損位置相關，假定浮心和漂心的縱向位置不變。

設進入艙內的液體體積為V，則艦船增加的重量p為

p=ρV

(3)

式中：ρ——海水密度。

平均吃水增加量ΔT約為

(4)

式中：A——水線面面積。

艦船破損后新的吃水為

(5)

(6)

式中：Tf0,Ta0——艦船未破損前的艏艉吃水；

xf0,xb0——艦船的漂心和浮心距船舯的縱向距離；

R——縱穩心半徑。

根據破損后的艏艉吃水以及邦氏曲線，可計算各橫剖面的浸水面積，對其進行積分得到艦船的浮力分布曲線b(x)。結合重量分布曲線p(x)，可得到破損艦船的靜水剪力和彎矩為

(7)

(8)

2.2 波浪載荷

2.2.1 按照規范方法計算波浪載荷

根據規范方法采用公式(9)計算破損艦船的垂向波浪彎矩和砰擊彎矩。

1)波浪彎矩Mw。

Mw=0.5h·KB·A1·A2·BL2×10-2

(9)

式中：h——計算波高；

KB——計及線型影響的系數；

A1——計及航速和靜水彎矩影響的系數；

A2——動壓力修正系數；

B——船寬；

L——船長。

2)砰擊彎矩Md。

Md=0.5h·C·B2·L×10-2

(10)

式中：C——與船型相關的系數。

2.2.2 不同海況下艦船破損后的波浪載荷

考慮艦船受損后迎浪航行。假設艦船破損后引起的浮態變化僅造成縱傾，破損后的進水以及壓載消除了橫傾。采用非線性切片理論計算艦船破損后的波浪載荷和砰擊載荷。本方法基于船波相對運動假設，對經典的線性切片理論進行擴展，考慮船體瞬時濕表面的變化，求解艦船的波浪彎矩和砰擊彎矩。

設艦船以一恒定的航速U頂浪航行。設在沿船長方向x剖面處的垂向外力總和為f(x,t)。以靜浮狀態作為載荷零線，則各剖面處的垂向波浪誘導剪力Q(x,t)為

(11)

式中：l(x)——剖面x前方的船體部分；

m(x)——x剖面處單位長度的船體質量。

x剖面處的垂向波浪誘導彎矩M(x,t)為

(12)

2.3 極限彎矩

按照規范的方法計算艦船破損后的極限彎矩。假設需要計算極限彎矩的橫剖面位于艦船的破損區域，按照艦船破口的橫向尺寸，去掉破口范圍內的船體結構，根據該橫剖面內剩余結構確定參加總縱強度的構件。艦船的極限彎矩是指船體橫剖面內離中和軸最遠點構件中的應力達到結構材料的屈服極限(在受拉伸時)或構件的臨界應力(在受壓縮時)的總縱彎曲力矩，即

Mu=σs·Wyh或Mu=σcr·Wys

(13)

式中：σs——構件材料的屈服極限；

Wyh——中和軸最遠點的拉應力等于材料屈服極限時的船體橫剖面最小剖面模數；

σcr——距中和軸最遠點構件的臨界應力；

Wys——距中和軸最遠點構件的壓應力，等于其臨界應力時的船體橫剖面最小剖面模數。

3 數值計算結果

對某型艦船進行實例計算，艦船水線以下結構被魚雷擊中，底部結構發生破壞。選取船舯剖面作為危險剖面進行校核，橫剖面圖見圖1。選取兩種危險的破損狀態，破損信息見表1。

圖1 艦船橫剖面示意

表1 艦船底部破損信息

為了便于比較分析，將波浪載荷進行無因次化處理。彎矩為M/△gL;剪力為N/△g。

其中：△為艦船完整狀態下的排水量；L為船長；g為重力加速度。

完整艦船和破損后的靜水彎矩和剪力沿船長的分布趨勢見圖2、圖3。

圖2 靜水彎矩沿船長的分布比較

圖3 靜水剪力沿船長的分布比較

艦船破損后彎矩的分布形式與完整狀態下彎矩的分布形式相比發生了較大的變化，彎矩的最大值有向船艏移動的趨勢；破損后的剪力最大值較完整狀態的最大值有所增加。由于破損狀態1的靜水彎矩和剪力的最大值均比破損狀態2的值大，故確定破損狀態1為較危險的狀態。

在規范計算方法中，艦船的波浪載荷按兩種工況計算：工況1計算波高較高，不計及艦船所受的砰擊彎矩；工況2計算波高較低，計及艦船的砰擊彎矩。規范計算結果見圖4。

圖4 完整狀態和破損后的波浪彎矩沿船長的分布比較

艦船破損后的波浪彎矩值與完整狀態下的對應值相比大0.17%～2.83%，兩者十分接近。根據規范中波浪彎矩的計算公式可知，船舯靜水彎矩值是引起艦船破損后和完整狀態下波浪彎矩值差異的主要原因。根據圖2可知,艦船破損后和完整狀態下在船舯處的靜水彎矩最大值僅相差1.87%，故兩種狀態下的波浪彎矩值也相差不大。

采用非線性切片理論計算艦船破損后的波浪載荷和砰擊載荷。按不同海況校核破損艦船的剩余強度。計算海況為：有義波高Hs=2.5 m，波浪周期Ts=8 s(4級海況)；Hs=4 m，Ts=9 s(5級海況)；Hs=6 m，Ts=10 s(6級海況)。艦船破損后在不同海況下的波浪彎矩和砰擊彎矩沿船長的分布趨勢見圖5和圖6。可以發現，波浪彎矩數值與海況呈現非線性關系；隨著波高的增加，中垂彎矩值比中拱彎矩值增加的速度快。砰擊彎矩與波浪彎矩的數量級相同。