黄汉标，吴梵，宋金明

(1:海军工程大学舰船工程系，武汉 430033;2:舟山监修室，浙江 舟山 316000)

基于不同规范的某船船体结构总纵强度评估对比

黄汉标1，吴梵1，宋金明2

(1:海军工程大学舰船工程系，武汉 430033;2:舟山监修室，浙江 舟山 316000)

基于《水面舰艇入级规范》《舰船通用规范》，对某船进行垂向波浪载荷计算、总纵屈服和极限强度评估，结果表明:《水面舰艇入级规范》对第二类舰艇中垂状态下的波浪载荷的计算可能对波浪的冲击作用考虑不足;总弯曲应力的计算未考虑纵向构件的失稳和局部载荷引起弯曲应力合成等影响，计算方法偏简单;极限状态下的对波浪的砰击作用可能考虑不够，给出的极限强度储备系数相对偏小。

入级规范;总纵强度;评估;对比

水面舰艇的技术状态评估一直备受关注，然而目前我国并没有成熟统一的标准。服役中的老龄舰艇的状态鉴定评估主要依据国军标、舰艇原有技术规格书。对于舰艇的技术状态评估，欧美发达国家相继开展军船入级工作并颁布了各自的规范［1］，把军舰设计标准和民船入级规范合并于船级社规范，既节省资源，降低成本，又使得舰船得到更加妥善的维护与保养［2-4］。

军船入级是实现在役水面舰艇技术状态监管的有效途径［5］。我国船级社于2011年颁布了《水面舰艇入级规范》［6］(以下简称《入级规范》)，填补了技术标准的空白，初步具备了军船入级的条件。但是《入级规范》对军船状态评估的适用性有待研究考证。本文基于《入级规范》与GJB4000-2000《舰船通用规范》［7］(以下简称《军规》)对某船进行船体结构强度评估研究，主要涉及船体梁波浪载荷计算、总纵屈服强度和极限强度评估等内容。

1 船体结构垂向波浪载荷计算

1．1 《入级规范》关于垂向波浪载荷的计算

引入相对航速将水面舰艇分为两类，分类情况如下。

式中:V——设计航速，kn;

▽——排水体积，m3。

1)第一类水面舰艇。

式中:MWVH，MWVS——中拱、中垂波浪弯矩;

FM——弯矩分布因子; Cb——方形系数; CW——波浪系数;

CA——计及航速和弗劳德数的系数。

波浪弯矩引起的垂向剪力QWV按式(3)计算

式中:FQ——正负剪力分布因子。

2)第二类水面舰艇。中垂和中拱状态下垂向总纵弯矩均按式(4)计算，最大剪力按式(5)计算。

式中:MV——总纵弯矩;

QV——最大剪力;

C1——系数，中拱C1=1，中垂C1=－1;

n——过载系数;

lx——船舯前后半体重心的纵向距离之半;

BS——冲击面积的宽度;

T——设计吃水;

△——排水量。

1．2 《军规》关于垂向波浪载荷的计算

取波长等于舰艇设计水线长，计算波高按式(6)确定。

式中:h——计算波高，m;

L——舰艇设计水线长，m。

船体任意剖面处的垂向波浪附加弯矩和剪力按式(7)和(8)计算。

式中:MX——坐标为X的剖面可能达到最大垂向波浪附加弯矩值;

X——自船舯沿船长方向至所校核截面的纵坐标;

MWX——波峰或波谷位于船舯时，X剖面中所得的波浪附加弯矩值;

QW——波浪附加剪力。

1．3 实船波浪载荷计算分析

以某船为例，计算正常排水量下的船体梁波浪载荷，该船主尺度见表1。

表1 某船的主尺度与排水量

则由表1得到:V/▽0．1667=8．35≥7．38，属于第二类舰艇。船体梁波浪载荷的计算结果对比见表2。

表2 船体梁波浪弯矩对比104(kN·m)

因第二类水面舰艇剪力值的规律与弯矩值规律相同，故表2中只列出弯矩计算值对比情况，《军规》的波浪弯矩值计及砰击弯矩。从表2中可以看出:第二类水面舰艇，中拱状态下两套规范的计算值相差很小;中垂状态下《入级规范》计算值偏小17.73%。中垂状态下的偏差较大，说明此状态下可能对船体的冲击作用考虑不足，应通过大量实船进一步验证。

2 船体结构总纵屈服强度评估

2．1 总纵弯曲应力计算

《入级规范》与《军规》均基于经典梁理论，把连续纵向构件构成的船体视为变断面的空心薄壁梁，总纵弯曲应力按式(9)和式(10)计算。

式中:M——校核剖面的总纵弯矩;

W——剖面模数;

QV——垂向剪力;

S——计算位置的上部或者下部的构件对

中和轴的静矩;

I——剖面惯性矩;

t——计算点板厚。

2．2 总弯曲应力校核衡准

总弯曲应力校核衡准方面，《入级规范》与《军规》的差别较大，《军规》计及局部载荷引起的应力合成给出不同类别构件的校核衡准，具体对比情况见表3。

表3 总纵弯曲应力校核衡准

2．3 实船总纵屈服强度评估分析

因船舯受最大总纵弯矩作用，故对船舯处的总弯曲正应力和最大剪力剖面处的总纵弯曲剪应力进行校核［8］。根据船体材料，σS=450 MPa，则k取值0.58。校核结果见表4。

表4 总弯曲应力校核

虽然按照《入级规范》和《军规》对某船总纵屈服强度评估均满足各自规范要求，但是对于总弯曲应力的计算，《军规》在计算过程中既考虑纵向构件的失稳折减又计及局部载荷作用引起的弯曲应力合成，相比于《入级规范》更加安全。在校核衡准方面，《入级规范》只给出1种标准，而《军规》中针对不同类别的构件给出了4种标准，对不同类别的构件分别进行校核，要求更为严格。

3 船体结构极限强度评估

3．1 船体梁极限弯矩计算

1)《入级规范》极限弯矩计算。基于逐步破坏原理，采用增量叠代的简化方法得到船体梁剖面的弯矩-曲率曲线M-κ，见图1，从而得到船体梁的极限弯矩MU。

图1 弯矩-曲率曲线M-κ

2)《军规》极限弯矩计算。采用直接计算法，假定极限弯矩作用下离中和轴最远的构件达到屈服应力或板架临界应力，其他构件应力按线性分布，对受压构件进行失稳折减计算折减剖面模数，船体梁的极限弯矩按照式(11)或(12)计算。

式中:Wyh，Wys——折减后的最小剖面模数;

σcr——构件的临界应力。

3．2 船体结构极限强度校核衡准

《入级规范》中只给出一个校核衡准，而《军规》中则给出了两个极限强度校核衡准，其所限制的船体强度有不同的侧重点，具体校核衡准见表5。

表5 极限强度校核衡准对比

3．3 实船极限强度评估分析

船舯处承受最大垂向弯矩，极限状态下最危险。又因中和轴位置偏船底一侧，中垂状态相对危险，故校核中垂状态下船舯附近处的极限强度［9-10］。按照《入级规范》计算，得到船舯处M-κ见图2。

图2 船舯处M-κ曲线

MU1=2.081×105kN·m，

MV=1.074×105kN·m。

按照《军规》计算得:

MU2=2.165×105kN·m，

MS+MW=6.422×104kN·m，

MS+MW+Md=1.506×105kN·m。校核情况见表6。

《入级规范》和《军规》依据不同的原理计算船体梁的极限弯矩值。前者基于逐步破坏原理能够较真实地反映船体梁的破坏形式;但是后者在计算的过程中考虑纵向构件失稳折减并进行多次近似计算，所以两者的极限弯矩计算值相差较小。《军规》计及砰击振动弯矩后的极限载荷比《入级规范》超出较多，同时给出的极限强度储备系数为2.6和1.5，对极限强度的要求相比于《入级规范》偏于保守。

表6 总纵极限强度校核

4 结论

1)《入级规范》在计算第二类水面舰艇的中垂状态下波浪载荷时采用与中拱状态相同的计算公式，可能对波浪冲击作用考虑不足，偏小较多。建议参照其他规范分别给出不同状态下的计算公式，并通过实船验证，合理选取相关修正系数。

2)总纵屈服强度评估，《入级规范》的校核方法相对简单，只给出1种校核衡准，可能不够全面。建议参照《军规》对船体纵向构件进行分类，并考虑纵向构件失稳和局部载荷引起弯曲应力合成，给出不同的校核衡准。

3)极限强度评估时，《军规》充分考虑极限状态下波浪的砰击作用，同时给出的极限强度储备系数较大，对船体梁极限强度的要求相比于《入级规范》更保守。建议《入级规范》考虑军船在高海情高航速下航行的特殊性，选择合理的极限强度储备系数。

4)《入级规范》在总纵强度和极限强度评估方面对我国军船的适用性，本文只进行了初步论证，还应通过大量不同船长、不同设计航速的实船评估作进一步验证。

［1］刘相春.军船入级的意义与展望［J］.中国造船，2007，48(4):112-118.

［2］齐晓丰.军船入级与现代海军发展［J］.中国船检，2012(5):67-68.

［3］赵川.军船入级天地宽［J］.中国船检，2012，12:54-55.

［4］唐坤.军辅船入级船体结构强度评估方法研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008.

［5］陈三桂，段宏.水面舰船波浪弯矩计算方法研究［J］.中国舰船研究，2007，2(5):6-9.

［6］中国船级社.水面舰艇入级规范［S］.北京:中国船级社，2011.

［7］中国人民解放军总装备部.舰船通用规范［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2000.

［8］肖红文，刘家新.江海直达货船总纵强度规范计算及研究［J］.船海工程，2011，40(6):35-39.

［9］王杰德，杨永谦.船体强度与结构设计［M］.北京:国防工业出社，1992.

［10］张波.集装箱船的总纵强度与允许承受的最大静水弯矩［J］.航海技术，2003，1:16-18.

Comparative Study on Longitudinal Strength Assessment of Ship Based on Different Specifications

HUANG Han-biao1，WU Fan1，SONG Jin-ming2
(1.Dept.of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China; 2.Supervisor Room of Zhoushan，Zhoushan Zhejiang 316000，China)

Taking a real ship as example，the vertical wave loads，as well as the assessment methods of longitudinal yield and ultimate strength of The Classification Rules for Surface Ship and The General Specification for Naval Ships are studied. Comparing between the results of the two specifications，it can be concluded that:for the second type of naval ship，the wave impact force in the wave load in sagging condition in the Classification Rules may be not considered enough;the total bending stress calculation is easy，but not considering the buckling of longitudinal member and the composing of bending stress caused by local load;the wave slamming effect under the ultimate state may be not considered enough，and the ultimate strength reservation coefficient is relatively small.

classification rules;longitudinal strength;assessment;comparison

U661.43

A

1671-7953(2015)02-0040-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.010

2014-10-15

修回日期:2014-10-27

黄汉标(1989-)，男，硕士生

研究方向:船舶结构力学

E-mail:357941216@qq.com