某鋁質高速巡邏艇艦炮基座支撐結構形式研究

鄧建通 鐘旭燕 付敬杰

摘? ? 要：艦炮基座及其支撐結構作為艦炮武器系統的載體，是關鍵的受力部件。本文以某鋁質高速巡邏艇為例，通過有限元計算的方法，研究不同形式的支撐結構對艦炮基座區域結構強度、剛度及固有頻率的影響。研究結果，對后續鋁合金艦炮基座支撐結構的設計具有一定的參考作用。

關鍵詞：鋁合金;艦炮基座;支撐結構;有限元計算

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Supporting Structure Design of Naval Gun Seat of Aluminum

High-speed Patrol Boat

DENG Jiantong1，? ZHONG Xuyan1，? FU Jingjie2

（ 1. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;

2. Ningbo Aids to Navigation Department， East China Sea Navigation Support Center， Ministry of Transport， Ningbo 315000 ）

Abstract： As the carrier of naval gun weapon system， naval gun seat and its supporting structure are the key bearing components. In this paper， an aluminum high-speed patrol boat is taken as an example to study the effects of different supporting structures on the structure strength， stiffness and natural frequency of naval gun seat area by using finite element method. The research results have a certain enlightening effect on the design of the supporting structure of the follow-up aluminum alloy naval gun seat.

Key words： Aluminum alloy; Naval gun seat; Supporting structure; Finite element calculation

1? ? ?前言

艦炮基座及其支撐結構是連接艦炮裝置與艦船本身的結構。它作為艦炮武器系統的載體，不但要承受艦炮裝置的動靜載荷，還要傳遞艦船所受載荷，受力情況比較復雜[1]。對于鋁合金高速巡邏艇，由于鋁合金的彈性模量及焊后屈服強度較小，而艦炮通常具有重量大、后座力大等特點，因此在設計過程中要重點關注艦炮基座支撐結構的設計[2]。艦炮基座支撐結構設計的重點，在于提高艦炮基座區域的整體強度和剛度，同時確保其固有頻率要避開艦炮發射頻率，以免產生共振。

本文根據某鋁合金高速巡邏艇加裝艦炮需求，對艦炮基座支撐結構形式進行研究。通過有限元計算的方法，研究無支撐結構、橫艙壁支撐結構、縱艙壁支撐結構、縱橫艙壁支撐結構、筒形支撐結構及支柱支撐結構等不同形式的支撐結構對艦炮基座區域結構強度、剛度及固有頻率的影響，其對于后續鋁合金艦炮基座支撐結構的設計具有一定的參考價值。

2? ? 船舶概況

該高速巡邏艇船長32 m、型寬7 m、型深3.6 m，船體采用鋁合金結構，板材牌號為5083-H321/H116，型材牌號為6082-T6。根據該船的武器系統加裝要求，需要在船首FR23的船中位置處加裝一座單管30 mm艦炮，艦炮基座及支撐結構采用鋁合金結構。

3? ? 艦炮基座支撐結構形式設計

根據該鋁合金高速巡邏艇加裝艦炮需求，設計了以下六種支撐結構形式：無支撐結構;橫艙壁支撐結構;縱艙壁支撐結構;縱橫艙壁支撐結構;筒形支撐結構及支柱支撐結構。不同支撐結構形式的有限元模型，分別如圖1 a）～f）所示。六種支撐結構形式中，無支撐結構所用材料及所占空間最少，同時對艙內管線布置的影響最小，最便于建造施工;支柱支撐結構、筒形支撐結構、橫艙壁支撐結構、縱艙壁支撐結構及縱橫艙壁支撐結構所用材料依次增加，對于建造施工的難度也依次增加。

4? ? ?艦炮基座支撐結構強度及剛度計算分析

為了研究不同艦炮基座支撐結構形式對于艦炮基座區域結構強度及剛度的影響，本文采用大型商用有限元計算分析軟件MSC.Patran/Nastran，對艦炮基座區域六種不同支撐結構進行有限元仿真計算分析。計算依據主要參照CCS《水面艦艇入級規范》（2019）（以下簡稱《規范》）[3]的相關要求，其計算過程如下：

4.1? ? 有限元模型

（1）模型范圍及坐標系

有限元模型以整個艦炮基座及其相連的支撐結構為計算目標。坐標系采用笛卡爾右手直角坐標系：x軸的正方向為沿船首的方向;y軸的正方向為的船寬沿左舷的方向;z軸的正方向為沿型深向上的方向。

（2）單元類型及網格尺寸

模型中采用板單元和梁單元來模擬結構構件。其中：結構板材和主要支撐構件的腹板采用板單元;主要支撐構件的面板、扶強材、縱骨及支柱等采用梁單元，并考慮各結構構件的實際截面和偏心;艦炮自身結構通過MPC單元與艦炮基座面板進行剛性連接;有限元模型的網格尺寸，以橫向一個縱骨間距、縱向1/4肋距為基準進行劃分。

（3）邊界條件

模型的甲板邊界及支柱下端采用簡支邊界條件，即δx=δy=δz=0，見圖 2所示（以筒形支柱支撐結構形式為例）。

（4）材料屬性及力學參數

艦炮基座及其支撐結構采用的材料為船用鋁合金。其板材母材的屈服強度和焊后的屈服強度，分別為215 MPa、125 MPa;型材母材的屈服強度和焊后的屈服強度，分別為250 MPa、115 MPa;鋁合金的彈性模量為69000 MPa、泊松比為0.33、材料密度為2 700 kg/m3。

（5）載荷及工況

① 艦炮發射載荷

根據《規范》2.6.5.4（1）的規定，應考慮如下載荷：沿艦炮軸線的炮發射計算后座力F=68.67 kN，加載在艦炮重心;船體運動引起的艦炮側向慣性力FY=3.40 kN，加載在艦炮重心;船體運動引起的艦炮垂向慣性力FZ=33.11 kN，加載在艦炮重心。

炮身與基座結構的自重：炮身重量W=1500 kg;基座結構自重及支撐結構自重以Inertial Load形式施加（基座及支撐結構自重考慮10%余量）。

艦炮發射計算工況，如表 1所示。

② 剛度計算載荷

該巡邏艇的艦炮安裝技術條件中要求：艦炮安裝座的剛度不小于105 N/mm（水平、垂直）;在艦炮基座上方艦炮質心位置，分別施加1 N的垂向力和水平力（縱向、橫向）。

根據計算所得的垂向和水平位移量，從而求得基座的垂向剛度和水平剛度。

4.2? ?許用應力及計算結果

（1）許用應力

按照《規范》中2.6.5.6的規定，通過計算可得出：鋁合金板單元許用相當應力[σ] =90.4 MPa;許用剪應力[τ] =45.2 MPa。

（2）計算結果

根據六種不同支撐結構形式，在艦炮發射四種工況下的數值模擬結果及不同方向的剛度計算結果，如表2所示。

由表2可以看出，對于無支撐結構形式，在四種艦炮發射工況下，基座區域內單元的最大相當應力和最大剪切應力均滿足規范許用應力要求;加了支撐結構后，在四種艦炮發射工況下，基座區域內的最大相當應力和剪切應力值都相應減小，最大變形量也隨之減小。

根據剛度計算結果可以看出：無支撐結構形式的縱向剛度與垂向剛度不滿足艦炮安裝座的剛度要求（不小于105 N/mm），其橫向剛度恰好滿足要求，儲備非常小;增加橫艙壁支撐結構形式后，基座的縱向剛度基本上沒有變化，雖然橫向剛度和垂向剛度顯著增大，但依然不能滿足艦炮安裝座的剛度要求;增加縱艙壁支撐結構形式后，基座的橫向剛度基本上沒有變化，縱向剛度和垂向剛度則顯著增大，基本上能滿足艦炮安裝座的剛度要求;而分別增加縱橫艙壁支撐結構、筒形支撐結構及支柱支撐結構三種形式后，基座的三個方向的剛度都顯著增大，且同種支撐結構形式的縱向與橫向剛度差別較小，都能滿足艦炮安裝座的剛度要求，且具有一定的儲備。

綜合對比以上不同支撐結構形式的強度和剛度計算結果，可以發現：增加橫艙壁支撐結構、縱艙壁支撐結構只可以減小個別工況下的應力應變，除了都可以增加垂向剛度外，橫向剛度和縱向剛度只能增加其中之一，突顯出了單個方向支撐加強結構形式的弊端;由于艦炮發射不僅沿橫向也沿縱向發射，艦炮基座在艦炮各種發射工況下的強度及各個方向的剛度都應滿足要求，且保證一定的儲備。因此，艦炮基座需要增加橫縱兩個方向或者環向的支撐結構，才能較好地達到加強的效果。從計算結果可知，縱橫艙壁支撐結構、筒形支撐結構及支柱支撐結構三種形式不管在強度還是剛度上都可以滿足要求，且具有一定的儲備，其中以筒形支撐結構形式的效果最好。

（3）應力云圖

以上不同支撐結構形式，在工況1下的相當應力云圖，如圖3所示。

5? ? 艦炮基座結構固有頻率計算

通過上述的有限元分析軟件對艦炮基座結構固有頻率進行計算，得出不同支撐結構形式的1階最小固有頻率，如表3所示。

本艦炮最高射速為320發/min，即射擊頻率為5.33 Hz。從計算結果可知，所有支撐結構形式下的艦炮基座固有頻率都可以避開艦炮的最高射擊頻率，滿足要求。其中無支撐結構形式的1階最小固有頻率與射擊頻率最接近，而筒形支撐結構形式的一階最小固有頻率值與射擊頻率的差距最大，這與上文不同支撐結構形式在強度及剛度的表現基本相吻合。

無支撐結構形式及筒形支撐結構形式下的1階最小固有頻率及振型圖，如圖4、圖5所示。

6? ? ?結論

（1）本文通過對目標船艦炮基座在不同支撐結構形式下的結構強度、剛度及固有頻率等方面進行計算分析，可知本船的艦炮基座在筒形支撐結構形式下的效果最佳，不但滿足各種要求，還具有一定的儲備。

（2）雖然本船的艦炮基座在筒形支撐結構形式下的效果最佳，但對于其它船的艦炮基座支撐結構形式設計，還需要與船的實際布置相配合，通過綜合比較分析，設計出適合的支撐結構方案。

（3）本文的艦炮基座支撐結構形式設計及計算方法，可為從事相關工程的設計人員提供一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] 祝傳超.某艦船發射裝置基座結構強度計算方法研究[D].南京理工大學，2016.

[2] 吳群明，陳亮亮，陳南華.艦炮基座及其支撐結構強度的準靜態分析?[J].廣東造船 2017（6）：22-24.

[3] 中國船級社（CCS）. 水面艦艇入級規范（2019）[S].