先进船型与船体结构设计技术综述

先进船型与船体结构设计技术

1 概述

1.1船型与船体结构设计技术的概念与内涵

船型，通常指船舶的类型，按不同的分类标准可以划分为许多种不同的船型。例如按载货方式可分为散货船、油船、集装箱船，其中散货船又有灵便型、巴拿马型、超巴拿马型、好望角型等系列；按航行姿态可分为排水量船、滑行艇、水翼船、气垫船、地效翼船等；按推进器型式可分为螺旋桨推进船、喷水推进船、明轮船等；按动力装置种类可分为柴油机推进船、电力推进船、燃气动力装置船、核动力装置船等。

船体结构设计是在满足船舶总体设计的要求下，解决船体结构的形式、构件的尺度与连接等设计问题，保证船体具有恰当的强度和良好的技术经济性能。船体结构设计应考虑以下几方面：1）安全性，结构设计应保证船舶在各种外力作用下，具有一定的强度和防振性能。2）适用性，结构的布置与构件尺度的选用应符合营运的要求。3）整体性，结构设计必须与船舶性能、轮机、没备、电气及通风等设计密切配合，确保船舶在各个方面都具有良好的工作性能。4）工艺性，结构形式与连接形式的选择应便于施工，选用结构材料应适当减少规格，根据船厂的设备情况和生产组织管理等特点，采用先进、高效、经济的工艺措施。5）经济性，考虑上述方面条件下，力求减少结构的重量，材料选用恰当，使船舶具有更好的经济性能。

1.2 重要性

在国防工业领域，采用新的结构形式、新材料、新型推进方式等新技术开发先进船型，是改善海军舰船总体性能、提高作战效率的重要手段。近十几年来，随着科技的进步，海军对舰船的航行性能、隐身性能、负载能力等要求不断提高；在对近海作战能力的不断重视下，舰船在浅水海域作战需要小吃水，为安装模块化装备需要宽大甲板面积，快速航渡需要高航速。常规单体船型虽然推进效率较高、超载能力强、船体结构简单、维修方便、造价低，但已较

难在耐波性、快速性方面作大幅度改进。应用新技术研究开发新船型，成为军事大国提高国防工业和海军作战水平的重要途径之一。

新的船型开发离不开先进的船体结构设计技术。船型研发周期长、成本高、舰船使用期长、环境和载荷恶劣，在其使用期内可能遭遇到多种随机事故或战斗伤害，损害一旦发生，将对结构产生不利影响，导致整个船体结构失去工作或战斗能力，也造成很大的经济损失。因此，要求船体结构设计技术不断进步、领先，船体线型最优化、构件尺寸合理，工况和承载能力计算和校核精确，以支撑先进可靠的船型开发。

2 国外研究现状

船型与船体结构设计技术在国防工业领域的研究和发展突出体现在海军舰艇的需求不断升级，促使一些先进船型的开发、试验和发展，对船舶设计技术的要求也不断提高。

多体船型主要有双体船、三体船、四体船和五体船等，同单体船相比，多体船具有更加优越的浮性和稳性、耐波性、机动性和隐身性，能够大量装载，抗打击能力强，在民用和军用领域得到了广泛的应用，其各船型也是各军事大国研究的热点。小水线面双体船(SWATH)、穿浪双体船是高性能船舶中发展较快、趋于成熟的船型。美国多年来一直大力开发小水线面双体船，在小水线面双体船的线型、流体、结构、耐波性、操纵性等基础理论与研究试验方面取得了一系列成果，并拥有相当的技术储备。自1973年到21世纪初，美国开发了“卡玛利诺”号、“海影”号、“胜利”号、“搜索”号、“海刀锋”号和“无瑕”号等6型小水线面双体船型的水声监听船、试验船等。2005年，法国研制出一种SWATH型近海巡逻舰，该舰排水量2000吨，采用全电力推进系统，航速12节时续航力达5000海里，并可在6级海况下正常作业。澳大利亚INCAT公司租借给美海军的Incat 050型“联合探险”号、Incat 060型“矛头”号，以及Incat 061型等穿浪双体高速船舶用于进行系列试验、评估及操作使用。英国海军2000年建成下水的“海神”号三体试验舰在美海军的资助下进行了耐波性、直升

机起降补给、结构、海上作战等试验。该船总长95米，水线长90米，船宽20米，吃水3米，排水量1035吨，柴油电力推进，最大航速20节。美国“濒海作战舰”中的LCS 2型“独立”号三体船于2009年7月开始海试，是世界上第一艘多体船型的战斗舰。“独立号“为铝质结构，长127米，排水量2784吨，航速43节，舰首尖细、舰身和舰尾宽阔。美国洛克希德·马丁公司设计的Slice四体船型的潜体采用球鼻艏和尖锥艉形，前双下体间距小于后双下体，又都采用短支柱，有利于高速航星和保持高耐波性；前后四下体的线型和重量分配均采用优化设计，使其避开兴波阻力曲线峰点，以减少兴波阻力，提高推进效率和航速、改善运动姿态。五体船作为20世纪90年代后期在英国诞生的一种船型概念，比三体船具有更小的高速力和更高的破舱稳性，目前其研发工作仍然仅局限于英国、挪威、西班牙等少数国家，英国BMT公司提出了五体护卫舰和五体海运船概念，挪威船舶设计研究所也对五体船模型进行过水池试验。

地效翼船、气垫船及其他新概念船型等高性能舰船也为各军事大国海军研究所关注。2012年1月，俄罗斯联邦边防局称其正在北部城市彼得罗扎沃茨克建立一个地效翼船生产中心，生产猎户座-20地效翼船，以更好保卫其领海。德国也研制了X系列、乔格系列、TAⅧ系列、HW20等地效翼船，发展方向更趋向于民用化、小型化和实用化。伊朗国防部2010年9月公开信念2型地效翼船的照片，称该型地效翼船对雷达具有隐身能力。2012年2月，韩国地效翼船重工建造的韩国首艘50客位地效翼WSH-500进行了首次离水试验并获得成功。军用气垫船的研究、使用上领先进的国家主要有美国、俄罗斯、英国等军事强国。如美军的LCAC 全垫升气垫登陆船,舰船设计科学，通用性、经济性和可维修性强，装载容量大，有效载重比率高。LCAC载重60吨，满载时速度超过40节,续航距离可达300英里，能越过四呎以下的障碍物。前苏联早在20世纪70年代初期开始用气垫船装备其部队，经过长时间的研发，前苏联先后成功研制了“欧洲野牛”级、“鹞”级、“鹅”级、“鹳”级和“暴风”级等不少

颇具特色的气垫船。其较为典型的“欧洲野牛”级总重量高达3700吨，最高航速60节，最大运载负荷130吨，是迄今为止世界上最大的全垫升气垫登陆艇。英国国防部投资800万英镑与奎奈蒂克公司开发PACSCAT（局部气垫支撑双体船）的创新方案示范艇，该艇于2008年在英国皇家海军两栖试验训练基地下水并进行一系列的试验。该艇在载重55吨，在0~2级海况下航速25节，3~4级海况下航速14节。德国的IMAA公司联合德国战舰设计署共同设计出一艘长为110米，航速可达50节的局部气垫双体船濒海战斗舰。美国海军试验艇“短剑”号采用了双M船型。M船型由M船舶公司开发，包括中央主船体和两侧围壁三部分，主船体与侧体之间为空气通道。高速航行时，通道中流动的空气可产生升力，将船体抬升，减少舰艇尾迹，实现快速平稳航行；船体采用碳纤维复合材料建造，外形经过优化，舰艇的雷达波、红外和磁信号特征很低。

各种船型的开发离不开先进的船舶设计技术，CAX、CFD技术、虚拟仿真技术和数字控制加工技术等“数字化船舶设计”技术是现代造船技术的核心和基础。美国“海狼”号攻击型核潜艇是世界上第一艘运用数字化技术全部采用模块化设计和建造的核潜艇。2003年4月，美国Intergraph公司宣布完成了LPD-17两栖船坞运输舰计划综合产品数据环境的开发。日本三菱重工在引进Tribon公司船舶自动化设计系统的同时，又引进并开发了MATES系统。IHI联合造船开发了名为“紫阳花”的设计信息自动化系统。三井造船开发了MACISS设计自动化系统。川崎造船在Tribon系统的基础上，开发了新的智能化的K-KARDS自动化设计系统，该系统充分利用知识库，建立Inference Engine系统，几乎全部设计结果都能以立体图形显示，信息变换更快更直觉。

2 先进船型和船体结构设计的发展趋势

近年来世界经济高速发展，整体上船舶正大型化、高速化、自动化和专用化的方向发展，而在国防工业领域，关注更多、发展更快的则是高性能船舶，其发展趋势呈现如下特点：

（1）单体船变形化，植入一些新的船型特征及新技术成果以改善单体船的性能成为未来军用单体船发展的趋势。例如美国海军“自由”号近海战斗舰采用“海刃”半滑行单体船型，通用动力公司为近海战斗舰开发的反潜无人艇采用了空压隧道式单体船型（ETM），荷兰达门公司开发了“斧刃”船首单体船，法国DCNS公司在2010年欧洲海军展上推出Advansea全电力单体舰等。

（2）多体船及其复合船型是当前开发的重点。科研实践说明多体船在波性、快速性、甲板面积、舱室容积、隐蔽性等方面较单体船型有优势，但多体船型尚需在结构稳定性、使用可靠方便性、经济合理性、材料选用等方面不断改进，才能真正在军用舰艇中发挥理想效用。

（3）地效翼船、气垫船、水翼艇等非排水量船型关键技术亟待突破。因其气动布局、结构等设计、材料选取中需要综合考虑水、气两方面的环境因素，以确保其气/水两相流环境的适应性；波浪的喷溅、撞击，使船体的姿态和运动要素受到影响，结构强度及防腐要求较高；此外，动力选择也是一项不容忽视的关键技术难点。未来发展和应用与这些技术的发展进步息息相关。

（4）复合材料在船型开发中应用日趋广泛。随着船艇功能要求提高，传统的建造材料已经无法满足功能和线型要求。相比之下，复合材料无论从强度上、重量上、耐腐蚀上、隔音防振上等方面均占有优势，未来船型开发和船体结构设计中，新型复合材料的应用将发挥重要作用。

（5）船型和船体结构设计过程趋于数字化、信息化、模块化、绿色化。随现代信息技术已渗透到船舶企业的经营、开发、设计、制造、管理的各个方面和领域，各项先进技术的发展已与数字化、网络化、智能化技术密不可分，随着对环境保护意识的不断加强，船舶设计和制造过程也将趋于模块化、绿色化，以达到节约能源、环境友好的需求。