穿浪双体船中间艏平首结构的工程应用研究

马 健 骆 伟 张再夫 王洪乙

中国舰船研究设计中心，湖北 武 汉 430064

穿浪双体船中间艏平首结构的工程应用研究

马 健 骆 伟 张再夫 王洪乙

中国舰船研究设计中心，湖北 武 汉 430064

穿浪双体船的中间艏采用平首结构，可以为驾驶员提供首部宽度参照，在航行或靠泊的操船过程中对水下片体进行保护。将常规双体船的平首结构应用到穿浪双体船中，形成一种国内特有的杂交穿浪双体船型，通过对穿浪双体船中间艏线型改型和模型的耐波性试验，结合平首结构的施工工艺设计和结构强度分析，解决了平首结构在穿浪双体船上的工程应用问题，为同类型穿浪船的研制提供了可借鉴的经验。

穿浪双体船；晕船率；横向强度；扭转强度

1 引 言

“海峡号”穿浪双体船的成功研制是我国高性能船自主研发领域的创新点，取得了很高的经济效益和社会效益，穿浪双体船（WPC）以其良好的快速性、耐波性及宽敞的甲板面积和充裕的装载空间，越来越成为沿海客运、车客联运、执法巡逻及高速攻击／支援军事行动的首选高性能船型［1］。虽然由于设计意图的差异，国内WPC的线型与国外有所区别，但由于WPC船型的限制，同样存在一些应用中需要解决的问题，如船体纵向和横向摇摆周期接近，波浪中容易产成横向与纵向摇摆的耦合；波浪中船体纵向运动较大；耐波性受使用海域波长影响等［2］，对这些问题的研究和探讨正在逐步深入中。

目前，国内外WPC均为尖首结构，如图1所示，首部中间体从最大船宽逐渐过渡到首部尖点，平首结构多用在常规双体船上，如图1所示。穿浪双体船的中间艏采用平首结构，可以为驾驶员提供首部宽度参照，在航行或靠泊的操船过程中对水下片体进行保护。本文将常规双体船的平首结构应用到穿浪双体船上，形成一种国内特有的杂交穿浪双体船型，通过对穿浪双体船中间艏线型改型和开展模型的耐波性试验，并结合平首结构的施工工艺设计和结构强度分析，解决了平首结构在穿浪双体船上的工程应用问题，为同类型穿浪船的研制提供了可借鉴的经验。

2 中间艏平首结构设计

尖首WPC在执法巡逻过程中与往来船只会航（尤其是在狭窄航道中），或者与船只、码头进行靠邦作业时，由于其船宽较大，驾驶员观察视线受限，无法看到水下片体，加之中间体船首没有参照物衡量船宽，经常出现片体首部与码头或往来船只碰撞的情况，片体结构严重受损。因此，在设计过程中将首部设计成平首结构，可以为驾驶员提供首部宽度的参照。

根据WPC的船型特点，采用平首部结构须适当缩短中间艏的长度，调整中间艏的线型，平首结构的应用相比尖首结构会带来如下问题，在设计和施工中需要引起重视：

1）平首结构对WPC耐波性能的影响；

2）中间艏的调整对首部储备浮力和底部抨击现象的影响；

3）首部区域存在扁平的结构空腔，施工条件受限，对焊接质量的影响；

4）扁平的空腔限制了该区域甲板构件尺寸，同时甲板面积较大，这些因素对船体结构的横向强度和扭转强度的影响。

确保平首结构在穿浪双体船上的工程应用，既要避免由于平首结构的应用对耐波性性能产生不利的影响，同时又要保证施工工艺可以实现，结构强度满足规范要求。

为实现上述目标，将WPC的中间艏设计成平首结构，进行首部线型改型［3］，适当缩短中间艏的外伸长度L，加大中间艏横剖面的外飘（即减小β角），以保证中间艏的储备浮力；进行模型的耐波性试验，与母型船的耐波性指标进行对比分析，验证平首结构的实际效果，避免出现WPC在航行时出现首部储备浮力不足和底部抨击加剧的现象；同时对首部结构进行工艺设计和结构强度进行分析，确保施工工艺可以实现，结构强度满足规范要求。

2.1 中间艏线型优化与模型耐波性试验

2.1.1 中间艏线型优化

该型WPC的线型改型是在保证水下片体线型不变的情况下仅对中间艏进行的局部调整，在设计排水量确定的情况下，线型的局部调整对快速性没有影响。根据以往的设计经验及WPC的船型特点［4－7］，线型优化主要是缩短中间艏的外伸长度L，以解决中间艏作为悬臂梁的结构强度问题；增加中间艏的外飘，可增加中间艏的排水体积，并以此弥补在埋首的情况下由于长度L的缩短带来的储备浮力损失和底部抨击加剧的问题。经过方案对比分析，改型后的线型如图3～图6所示，主尺度如表1所示。

2.1.2 模型耐波性试验

表1 改型后的主尺度

表3 耐波性指标对比

为验证本船中间艏采用平首结构的实际效果，将其耐温性指标与母型船的耐波性指标进行对比分析，以避免航行时出现首部储备浮力不足和底部抨击加剧的现象，进行了模型的耐波性试验。

表2所示为本船在迎浪不规则波中航行时的船艏、舯和艉部的加速度时均值，由模型试验换算得到。

表2 船艏、舯、艉部加速度时均值

表中，H1／3为有义波高；ωe为遭遇频率；aF1／3为艏部垂向加速度；aM1／3为舯部垂向加速度；aA1／3为艉部垂向加速度。

表3列举了尖首结构母型船与平首结构的本船在航速28 kn、有义波高2.0 m情况下的耐波性指标的对比，根据对比可以看出：平首结构与尖首结构在相同的条件下耐波性指标接近，中间艏平首结构的应用对穿浪双体船耐波性影响不大。同时，通过对模型试验的观察，优化调整后的中间艏平首结构可以提供足够的储备浮力，但应该引起注意的是，在有义波高3.0 m以上的不规则波试验中发现，平首结构的应用，由于增加了首部触水的面积，在埋首的情况下，底部抨击概率相比尖首结构略有增加，但对船体的耐波性指标影响不大，可在中间艏的结构设计中适当考虑。

2.2 中间艏平首结构设计分析

2.2.1 施工工艺性分析

和尖首线型相比，平首线型首部外伸缩短，折角线内侧线型抬升较快，而折角线外侧线型接近水平，这就在首端一定区域折角线外侧形成扁平的空腔，施工人员无法进行正常的焊接作业，焊接质量难以保证。为此，合理安排施工工艺，采取先焊接内部构件，再通过工艺垫板完成甲板板和甲板构件之间的塞焊方法，可较好地解决焊接困难的问题。

2.2.2 结构强度分析

由于首部甲板和折角线外侧的外板之间形成扁平的空腔，限制了此区域内的甲板构件和底部构件的尺寸，同时，由于采用平首线型，导致甲板面积较大，即甲板板架的范围较大，这些因素对确保船体结构的横向强度和扭转强度不利。为校核船体结构的横向强度和扭转强度，建立了全船三维有限元模型［9］，进行了11种工况下的强度校核，这些工况主要是由横向对开力Fy、总纵弯矩MB和扭矩Mt等载荷进行叠加。其中，船体只承受横向对开力Fy的作用和船体承受横向对开力与扭矩的联合作用 0.8Fy（向外） ＋ 0.6MP这两种工况是最典型的。其中，横向对开力Fy为：

式中，Mt为总横弯矩；Mt＝C1Δacgb； y为水线至连接桥结构剖面中和轴之距；d为吃水。

扭矩MP按下式计算：

式中，Δ为满载排水量；acg为重心处垂向加速度的百分之一最大值的平均值；L为船长。限于篇幅，本文仅列出了以上两种工况的计算结果，见图7、图8所示。

从图中可见，在第一种工况下，应力较大的区域主要集中在上层建筑侧壁，片体和中间首的连接区域应力也相对较大，中间首甲板的应力水平较低，最大应力为70.3 MPa，出现在上层建筑侧壁的窗户开口附近，小于规范的许用应力。在第二种工况下，应力分布和第一种工况相似，局部略有变化，中间首甲板的应力水平有所提高，可见扭矩对中间首甲板的应力产生了影响，最大应力也有所提高，达到81.5 MPa，位置同样出现在上层建筑侧壁的窗户开口附近，仍然小于规范的许用应力。以上分析表明，通过合理布置结构构件，选取合适的构件尺寸，平首结构设计可以满足施工工艺和规范强度要求。

3 其他设计特点

在本型WPC的研制过程中，由于主要设备的选型与特种装置的应用，存在与以往WPC不同的设计特点：

1）由于HM811喷泵的特殊要求，艉部喷泵安装区域的船底线型必须纵向调成水平，即底部龙骨的纵向斜升角为0，以免出现结构凸台，影响进水流道线型的光顺性，带来不必要的安装困难与性能损失；

2）HM811喷水推进装置的安装形式决定其受力直接传递给船底部，艉封板处受力很小，与采用MJP喷泵有所不同，尾部结构设计要有针对性的采取加强措施；

3）自主研制的可调艉拦截器在WPC实船上首次应用，该装置根据实船试航状态可以灵活调整拦截器的深度，确保该型WPC船以最佳航态航行。

4 结束语

本文是针对穿浪双体船中间艏平首结构实际工程应用的研究，研究结果表明，穿浪双体船平首结构的应用对耐波性能的影响不大，通过首部线型改型，可以避免平首结构应用可能出现的首部储备浮力不足和底部抨击加剧的现象；同时通过合理布置结构构件，选取合适的构件尺寸，平首结构设计可以满足施工工艺和规范强度要求，穿浪双体船中间艏采用平首结构在实际工程应用中确实可行。

［1］赵连恩，韩端锋.高性能船舶水动力原理与设计［M］.第一版.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

［2］FALTINSEN O M.海上高速船水动力学［M］.第一版.崔维成，刘应中，葛春花，等，译.北京：国防工业出版社，2007.

［3］应业炬，赵连恩.穿浪双体船船型优化设计方法［J］.浙江海洋学院学报（自然科学版），2003，22（2）：137-142.

［4］马健，陆文理.穿浪双体船片体间距优化［J］.中国舰船研究，2008，3（2）：4-7，20.

［5］赵连恩，杜振煌，应业炬.基于兴波理论与阻力图谱资料的高速双体船阻力预报方法 ［J］.船舶力学，2006，10（5）：17-23.

［6］汪诚仪.排水量长度系数和片体间距比对高速双体船阻力的影响［J］.中国造船，1990（5）：11-22.

［7］应业炬，赵连恩.500客位穿浪双体船阻力与船型优化试验研究［J］.船舶，2004（5）：10－13.

［8］邓爱民，马骏.穿浪双体船耐波性能预报方法研究［J］.中国舰船研究，2006，1（1）：77－80.

［9］郑毫，郭列.双体穿浪船船体振动特性分析［J］.中国造船，2006，47（1）：90－93.

Application of the Flat Fore Hull Structure to the Mid－bow of Wave Piercing Catamaran

Ma Jian Luo WeiZhang Zai－fu Wang Hong－yi
China Ship Development and Design Center

Applying the flat fore hull structure to the mid－bow of Wave Piercing Catamaran （WPC） can provide reference object for the boat driver and protect the demi－hulls on the conditions of shipping and docking.In this paper the flat fore hull form of ordinary catamaran is used for WPC， coming into a hybrid WPC line plan.After optimizing of the mid－bow of WPC， model seakeeping test， structural process designing and strength analyzsis， this practical application of flat fore hull structure to the mid－bow of WPC is found to be feasible.It can be used as reference for the design of similar WPC.

WPC；seasickness ratio； transverse strength；torsional strength

U662.3，U663.5

A

1673－3185（2010）02－55－04

2009－03-21

双体穿浪巡逻船项目（KH0703193）

马 健（1979－ ） ，男，硕士，工程师。 研究方向：船舶性能。 E-mail：csddc＿kt＠ 126.com