舰炮基座及其支撑结构强度的准静态分析

吴群明　陈亮亮　陈南华

摘 要：艦炮基座及其支撑结构的外载荷特性复杂，合理计算其载荷和结构强度评估对其设计、建造和使用都极为重要。本文采用规范法计算舰炮基座的设计载荷，采用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立局部结构模型，得到结构准静态响应分布特征，并与衡准值比较对该结构进行强度校核。本文方法可为类似的舰炮基座的强度分析提供参考。

关键词：舰炮基座；舰炮设计载荷；直接计算

中图分类号：U661.73 文献标识码：A

Abstract： The design loads of naval gun seat and its support structure are complex， the load calculation and structural strength evaluation are of great importance for the design and construction of naval gun seat and its support structure. The design loads are calculated by the rule method and the local structure model is established by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran， the detailed stress response is obtained and the strength is checked according to the critia.The method can provide reference for the similar gun seat and support struture.

Key words： Naval gun seat； Design load； Direct calculation

1 前言

舰炮基座是指用于固定炮身的刚性连接在船体上的结构 [1]；舰炮基座支撑结构系指与基座焊接、直接承受舰炮载荷的船体结构。准确计算舰炮基座及其支撑结构所承受的外载荷，正确建立基座及其支撑结构的有限元模型，对舰炮基座及其支撑结构的设计、建造与维护具有极其重要的作用。

本文首先探讨中国船级社《水面舰艇入级规范》中关于舰炮基座及其支撑结构遭受的外载荷的计算方法；建立相应的舰炮基座及其支撑结构的局部有限元模型，确定合适的网格尺寸划分方案和合理的边界条件[2]；将计算得到的载荷施加在有限元模型上，进行结构有限元准静态响应分析，与规范中的强度衡准比较，对基座及其支撑结构的强度进行准静态强度结构校核。

整个舰炮及其支撑结构强度校核的准静态计算流程，如图1所示。

3 舰炮计算载荷

3.1 舰炮计算载荷

中国船级社《水面舰艇入级规范》2.6.5.4（1），给出了基座及其支撑结构校核所需考虑的四种载荷及其计算方法：

（1）舰炮发射后座力F（沿舰炮轴线），按下式计算：

4 有限元计算模型

4.1 模型范围

有限元模型主要依据舰炮基座图、舰炮转运间图、舰炮其它支撑结构图建立，模型范围包括整个舰炮基座、转运间及与其相连的船体支撑结构。有限元模型见图2。

总体坐标系取右手直角坐标系，原点取在舰炮基座面板上平面中心（#97）处，x轴沿船长向首为正方向，y轴沿船宽向左舷为正方向，z轴沿型深向上为正方向。

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。

模型网格尺寸纵向以300 mm、横向、垂向以200 mm为基准进行划分；模型中共有4 296个节点、4431个板单元、3 297个梁单元；材料为船用普通钢，其屈服强度为235 MPa、弹性模量为2.06x105 MPa、泊松比为0.3、材料密度为7.85x10-9 t/mm3，重力加速度为9810 mm/s2。

4.2 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。

5 计算工况与许用应力

5.1 计算工况

根据中国船级社《水面舰艇入级规范》2.6.5.4（2）的规定，应考虑表1所示各种工况。

5.2 许用应力

根据中国船级社《水面舰艇入级规范》2.6.5.6的规定，许用相当应力[σ]和许用剪应力[τ]如下：

从表2及图3～图6可以看出，4种工况下的计算应力均小于许用应力，因此本舰炮基座及支撑结构强度满足中国船级社《水面舰艇入级规范》要求。同时也可以看出，四种工况下的计算应力比规范要求的许用应力小很多，具有较大的安全裕度。

7 结论与建议

通过对舰炮及其支撑结构的外载荷计算有限元准静态分析，得到舰炮及其支撑结构的应力响应结果，通过与中国船级社《水面舰艇入级规范》给出的许用应力衡准进行比较，对舰炮及其支撑结构进行了强度评估，满足要求。本文提出的方法可为类似结构的分析提供借鉴作用，也可以为舰炮及其支撑结构的设计、维护和使用提供参考。

在具有全船重量重心分布、船体型线和海况资料的前提下，可进一步开展波浪载荷直接计算，预报相应的加速度值，更加准确合理地计算侧向惯性力和垂向惯性力，从而更为合理地评估舰炮及其支撑结构的强度。鉴于准静态分析得到的响应应力远小于许用应力，还可以进一步开展舰炮及其支撑结构的动态响应特性研究，找出具体制约该种结构尺度和形式的决定因素。

参考文献

[1] 中国船级社.水面舰艇入级规范[S].人民交通出版社，2011.

[2] 刘兵山，黄聪.Patran从入门到精通[M].中国水利水电出版社，2003.

[3] 戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷[M].国防工业出版社，

2003.

[4] 陈超核，钟伟芳，等.集装箱船结构设计波浪载荷计算[J]. 华中科技

大学学报（自然科学版）.2008，36（10）.endprint