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摘 要：舰炮基座及其支撑结构作为舰炮武器系统的载体，是关键的受力部件。本文以某铝质高速巡逻艇为例，通过有限元计算的方法，研究不同形式的支撑结构对舰炮基座区域结构强度、刚度及固有频率的影响。研究结果，对后续铝合金舰炮基座支撑结构的设计具有一定的参考作用。
关键词：铝合金;舰炮基座;支撑结构;有限元计算
中图分类号：U663.7 文献标识码：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
艦炮基座及其支撑结构是连接舰炮装置与舰船本身的结构。它作为舰炮武器系统的载体，不但要承受舰炮装置的动静载荷，还要传递舰船所受载荷，受力情况比较复杂[1]。对于铝合金高速巡逻艇，由于铝合金的弹性模量及焊后屈服强度较小，而舰炮通常具有重量大、后座力大等特点，因此在设计过程中要重点关注舰炮基座支撑结构的设计[2]。舰炮基座支撑结构设计的重点，在于提高舰炮基座区域的整体强度和刚度，同时确保其固有频率要避开舰炮发射频率，以免产生共振。
本文根据某铝合金高速巡逻艇加装舰炮需求，对舰炮基座支撑结构形式进行研究。通过有限元计算的方法，研究无支撑结构、横舱壁支撑结构、纵舱壁支撑结构、纵横舱壁支撑结构、筒形支撑结构及支柱支撑结构等不同形式的支撑结构对舰炮基座区域结构强度、刚度及固有频率的影响，其对于后续铝合金舰炮基座支撑结构的设计具有一定的参考价值。
2 船舶概况
该高速巡逻艇船长32 m、型宽7 m、型深3.6 m，船体采用铝合金结构，板材牌号为5083-H321/H116，型材牌号为6082-T6。根据该船的武器系统加装要求，需要在船首FR23的船中位置处加装一座单管30 mm舰炮，舰炮基座及支撑结构采用铝合金结构。
3 舰炮基座支撑结构形式设计
根据该铝合金高速巡逻艇加装舰炮需求，设计了以下六种支撑结构形式：无支撑结构;横舱壁支撑结构;纵舱壁支撑结构;纵横舱壁支撑结构;筒形支撑结构及支柱支撑结构。不同支撑结构形式的有限元模型，分别如图1 a）～f）所示。六种支撑结构形式中，无支撑结构所用材料及所占空间最少，同时对舱内管线布置的影响最小，最便于建造施工;支柱支撑结构、筒形支撑结构、横舱壁支撑结构、纵舱壁支撑结构及纵横舱壁支撑结构所用材料依次增加，对于建造施工的难度也依次增加。
4 舰炮基座支撑结构强度及刚度计算分析
为了研究不同舰炮基座支撑结构形式对于舰炮基座区域结构强度及刚度的影响，本文采用大型商用有限元计算分析软件MSC.Patran/Nastran，对舰炮基座区域六种不同支撑结构进行有限元仿真计算分析。计算依据主要参照CCS《水面舰艇入级规范》（2019）（以下简称《规范》）[3]的相关要求，其计算过程如下：
4.1 有限元模型
（1）模型范围及坐标系
有限元模型以整个舰炮基座及其相连的支撑结构为计算目标。坐标系采用笛卡尔右手直角坐标系：x轴的正方向为沿船首的方向;y轴的正方向为的船宽沿左舷的方向;z轴的正方向为沿型深向上的方向。 （2）单元类型及网格尺寸
模型中采用板单元和梁单元来模拟结构构件。其中：结构板材和主要支撐构件的腹板采用板单元;主要支撑构件的面板、扶强材、纵骨及支柱等采用梁单元，并考虑各结构构件的实际截面和偏心;舰炮自身结构通过MPC单元与舰炮基座面板进行刚性连接;有限元模型的网格尺寸，以横向一个纵骨间距、纵向1/4肋距为基准进行划分。
（3）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，见图 2所示（以筒形支柱支撑结构形式为例）。
（4）材料属性及力学参数
舰炮基座及其支撑结构采用的材料为船用铝合金。其板材母材的屈服强度和焊后的屈服强度，分别为215 MPa、125 MPa;型材母材的屈服强度和焊后的屈服强度，分别为250 MPa、115 MPa;铝合金的弹性模量为69000 MPa、泊松比为0.33、材料密度为2 700 kg/m3。
（5）载荷及工况
① 舰炮发射载荷
根据《规范》2.6.5.4（1）的规定，应考虑如下载荷：沿舰炮轴线的炮发射计算后座力F=68.67 kN，加载在舰炮重心;船体运动引起的舰炮侧向惯性力FY=3.40 kN，加载在舰炮重心;船体运动引起的舰炮垂向惯性力FZ=33.11 kN，加载在舰炮重心。
炮身与基座结构的自重：炮身重量W=1500 kg;基座结构自重及支撑结构自重以Inertial Load形式施加（基座及支撑结构自重考虑10%余量）。
舰炮发射计算工况，如表 1所示。
② 刚度计算载荷
该巡逻艇的舰炮安装技术条件中要求：舰炮安装座的刚度不小于105 N/mm（水平、垂直）;在舰炮基座上方舰炮质心位置，分别施加1 N的垂向力和水平力（纵向、横向）。
根据计算所得的垂向和水平位移量，从而求得基座的垂向刚度和水平刚度。
4.2 许用应力及计算结果
（1）许用应力
按照《规范》中2.6.5.6的规定，通过计算可得出：铝合金板单元许用相当应力[σ] =90.4 MPa;许用剪应力[τ] =45.2 MPa。
（2）计算结果
根据六种不同支撑结构形式，在舰炮发射四种工况下的数值模拟结果及不同方向的刚度计算结果，如表2所示。
由表2可以看出，对于无支撑结构形式，在四种舰炮发射工况下，基座区域内单元的最大相当应力和最大剪切应力均满足规范许用应力要求;加了支撑结构后，在四种舰炮发射工况下，基座区域内的最大相当应力和剪切应力值都相应减小，最大变形量也随之减小。
根据刚度计算结果可以看出：无支撑结构形式的纵向刚度与垂向刚度不满足舰炮安装座的刚度要求（不小于105 N/mm），其横向刚度恰好满足要求，储备非常小;增加横舱壁支撑结构形式后，基座的纵向刚度基本上没有变化，虽然横向刚度和垂向刚度显著增大，但依然不能满足舰炮安装座的刚度要求;增加纵舱壁支撑结构形式后，基座的横向刚度基本上没有变化，纵向刚度和垂向刚度则显著增大，基本上能满足舰炮安装座的刚度要求;而分别增加纵横舱壁支撑结构、筒形支撑结构及支柱支撑结构三种形式后，基座的三个方向的刚度都显著增大，且同种支撑结构形式的纵向与横向刚度差别较小，都能满足舰炮安装座的刚度要求，且具有一定的储备。
综合对比以上不同支撑结构形式的强度和刚度计算结果，可以发现：增加横舱壁支撑结构、纵舱壁支撑结构只可以减小个别工况下的应力应变，除了都可以增加垂向刚度外，横向刚度和纵向刚度只能增加其中之一，突显出了单个方向支撑加强结构形式的弊端;由于舰炮发射不仅沿横向也沿纵向发射，舰炮基座在舰炮各种发射工况下的强度及各个方向的刚度都应满足要求，且保证一定的储备。因此，舰炮基座需要增加横纵两个方向或者环向的支撑结构，才能较好地达到加强的效果。从计算结果可知，纵横舱壁支撑结构、筒形支撑结构及支柱支撑结构三种形式不管在强度还是刚度上都可以满足要求，且具有一定的储备，其中以筒形支撑结构形式的效果最好。
（3）应力云图
以上不同支撑结构形式，在工况1下的相当应力云图，如图3所示。
5 舰炮基座结构固有频率计算
通过上述的有限元分析软件对舰炮基座结构固有频率进行计算，得出不同支撑结构形式的1阶最小固有频率，如表3所示。
本舰炮最高射速为320发/min，即射击频率为5.33 Hz。从计算结果可知，所有支撑结构形式下的舰炮基座固有频率都可以避开舰炮的最高射击频率，满足要求。其中无支撑结构形式的1阶最小固有频率与射击频率最接近，而筒形支撑结构形式的一阶最小固有频率值与射击频率的差距最大，这与上文不同支撑结构形式在强度及刚度的表现基本相吻合。
无支撑结构形式及筒形支撑结构形式下的1阶最小固有频率及振型图，如图4、图5所示。
6 结论
（1）本文通过对目标船舰炮基座在不同支撑结构形式下的结构强度、刚度及固有频率等方面进行计算分析，可知本船的舰炮基座在筒形支撑结构形式下的效果最佳，不但满足各种要求，还具有一定的储备。
（2）虽然本船的舰炮基座在筒形支撑结构形式下的效果最佳，但对于其它船的舰炮基座支撑结构形式设计，还需要与船的实际布置相配合，通过综合比较分析，设计出适合的支撑结构方案。
（3）本文的舰炮基座支撑结构形式设计及计算方法，可为从事相关工程的设计人员提供一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 祝传超.某舰船发射装置基座结构强度计算方法研究[D].南京理工大学，2016.
[2] 吴群明，陈亮亮，陈南华.舰炮基座及其支撑结构强度的准静态分析 [J].广东造船 2017（6）：22-24.
[3] 中国船级社（CCS）. 水面舰艇入级规范（2019）[S].
关键词：铝合金;舰炮基座;支撑结构;有限元计算
中图分类号：U663.7 文献标识码：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
艦炮基座及其支撑结构是连接舰炮装置与舰船本身的结构。它作为舰炮武器系统的载体，不但要承受舰炮装置的动静载荷，还要传递舰船所受载荷，受力情况比较复杂[1]。对于铝合金高速巡逻艇，由于铝合金的弹性模量及焊后屈服强度较小，而舰炮通常具有重量大、后座力大等特点，因此在设计过程中要重点关注舰炮基座支撑结构的设计[2]。舰炮基座支撑结构设计的重点，在于提高舰炮基座区域的整体强度和刚度，同时确保其固有频率要避开舰炮发射频率，以免产生共振。
本文根据某铝合金高速巡逻艇加装舰炮需求，对舰炮基座支撑结构形式进行研究。通过有限元计算的方法，研究无支撑结构、横舱壁支撑结构、纵舱壁支撑结构、纵横舱壁支撑结构、筒形支撑结构及支柱支撑结构等不同形式的支撑结构对舰炮基座区域结构强度、刚度及固有频率的影响，其对于后续铝合金舰炮基座支撑结构的设计具有一定的参考价值。
2 船舶概况
该高速巡逻艇船长32 m、型宽7 m、型深3.6 m，船体采用铝合金结构，板材牌号为5083-H321/H116，型材牌号为6082-T6。根据该船的武器系统加装要求，需要在船首FR23的船中位置处加装一座单管30 mm舰炮，舰炮基座及支撑结构采用铝合金结构。
3 舰炮基座支撑结构形式设计
根据该铝合金高速巡逻艇加装舰炮需求，设计了以下六种支撑结构形式：无支撑结构;横舱壁支撑结构;纵舱壁支撑结构;纵横舱壁支撑结构;筒形支撑结构及支柱支撑结构。不同支撑结构形式的有限元模型，分别如图1 a）～f）所示。六种支撑结构形式中，无支撑结构所用材料及所占空间最少，同时对舱内管线布置的影响最小，最便于建造施工;支柱支撑结构、筒形支撑结构、横舱壁支撑结构、纵舱壁支撑结构及纵横舱壁支撑结构所用材料依次增加，对于建造施工的难度也依次增加。
4 舰炮基座支撑结构强度及刚度计算分析
为了研究不同舰炮基座支撑结构形式对于舰炮基座区域结构强度及刚度的影响，本文采用大型商用有限元计算分析软件MSC.Patran/Nastran，对舰炮基座区域六种不同支撑结构进行有限元仿真计算分析。计算依据主要参照CCS《水面舰艇入级规范》（2019）（以下简称《规范》）[3]的相关要求，其计算过程如下：
4.1 有限元模型
（1）模型范围及坐标系
有限元模型以整个舰炮基座及其相连的支撑结构为计算目标。坐标系采用笛卡尔右手直角坐标系：x轴的正方向为沿船首的方向;y轴的正方向为的船宽沿左舷的方向;z轴的正方向为沿型深向上的方向。 （2）单元类型及网格尺寸
模型中采用板单元和梁单元来模拟结构构件。其中：结构板材和主要支撐构件的腹板采用板单元;主要支撑构件的面板、扶强材、纵骨及支柱等采用梁单元，并考虑各结构构件的实际截面和偏心;舰炮自身结构通过MPC单元与舰炮基座面板进行刚性连接;有限元模型的网格尺寸，以横向一个纵骨间距、纵向1/4肋距为基准进行划分。
（3）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，见图 2所示（以筒形支柱支撑结构形式为例）。
（4）材料属性及力学参数
舰炮基座及其支撑结构采用的材料为船用铝合金。其板材母材的屈服强度和焊后的屈服强度，分别为215 MPa、125 MPa;型材母材的屈服强度和焊后的屈服强度，分别为250 MPa、115 MPa;铝合金的弹性模量为69000 MPa、泊松比为0.33、材料密度为2 700 kg/m3。
（5）载荷及工况
① 舰炮发射载荷
根据《规范》2.6.5.4（1）的规定，应考虑如下载荷：沿舰炮轴线的炮发射计算后座力F=68.67 kN，加载在舰炮重心;船体运动引起的舰炮侧向惯性力FY=3.40 kN，加载在舰炮重心;船体运动引起的舰炮垂向惯性力FZ=33.11 kN，加载在舰炮重心。
炮身与基座结构的自重：炮身重量W=1500 kg;基座结构自重及支撑结构自重以Inertial Load形式施加（基座及支撑结构自重考虑10%余量）。
舰炮发射计算工况，如表 1所示。
② 刚度计算载荷
该巡逻艇的舰炮安装技术条件中要求：舰炮安装座的刚度不小于105 N/mm（水平、垂直）;在舰炮基座上方舰炮质心位置，分别施加1 N的垂向力和水平力（纵向、横向）。
根据计算所得的垂向和水平位移量，从而求得基座的垂向刚度和水平刚度。
4.2 许用应力及计算结果
（1）许用应力
按照《规范》中2.6.5.6的规定，通过计算可得出：铝合金板单元许用相当应力[σ] =90.4 MPa;许用剪应力[τ] =45.2 MPa。
（2）计算结果
根据六种不同支撑结构形式，在舰炮发射四种工况下的数值模拟结果及不同方向的刚度计算结果，如表2所示。
由表2可以看出，对于无支撑结构形式，在四种舰炮发射工况下，基座区域内单元的最大相当应力和最大剪切应力均满足规范许用应力要求;加了支撑结构后，在四种舰炮发射工况下，基座区域内的最大相当应力和剪切应力值都相应减小，最大变形量也随之减小。
根据刚度计算结果可以看出：无支撑结构形式的纵向刚度与垂向刚度不满足舰炮安装座的刚度要求（不小于105 N/mm），其横向刚度恰好满足要求，储备非常小;增加横舱壁支撑结构形式后，基座的纵向刚度基本上没有变化，虽然横向刚度和垂向刚度显著增大，但依然不能满足舰炮安装座的刚度要求;增加纵舱壁支撑结构形式后，基座的横向刚度基本上没有变化，纵向刚度和垂向刚度则显著增大，基本上能满足舰炮安装座的刚度要求;而分别增加纵横舱壁支撑结构、筒形支撑结构及支柱支撑结构三种形式后，基座的三个方向的刚度都显著增大，且同种支撑结构形式的纵向与横向刚度差别较小，都能满足舰炮安装座的刚度要求，且具有一定的储备。
综合对比以上不同支撑结构形式的强度和刚度计算结果，可以发现：增加横舱壁支撑结构、纵舱壁支撑结构只可以减小个别工况下的应力应变，除了都可以增加垂向刚度外，横向刚度和纵向刚度只能增加其中之一，突显出了单个方向支撑加强结构形式的弊端;由于舰炮发射不仅沿横向也沿纵向发射，舰炮基座在舰炮各种发射工况下的强度及各个方向的刚度都应满足要求，且保证一定的储备。因此，舰炮基座需要增加横纵两个方向或者环向的支撑结构，才能较好地达到加强的效果。从计算结果可知，纵横舱壁支撑结构、筒形支撑结构及支柱支撑结构三种形式不管在强度还是刚度上都可以满足要求，且具有一定的储备，其中以筒形支撑结构形式的效果最好。
（3）应力云图
以上不同支撑结构形式，在工况1下的相当应力云图，如图3所示。
5 舰炮基座结构固有频率计算
通过上述的有限元分析软件对舰炮基座结构固有频率进行计算，得出不同支撑结构形式的1阶最小固有频率，如表3所示。
本舰炮最高射速为320发/min，即射击频率为5.33 Hz。从计算结果可知，所有支撑结构形式下的舰炮基座固有频率都可以避开舰炮的最高射击频率，满足要求。其中无支撑结构形式的1阶最小固有频率与射击频率最接近，而筒形支撑结构形式的一阶最小固有频率值与射击频率的差距最大，这与上文不同支撑结构形式在强度及刚度的表现基本相吻合。
无支撑结构形式及筒形支撑结构形式下的1阶最小固有频率及振型图，如图4、图5所示。
6 结论
（1）本文通过对目标船舰炮基座在不同支撑结构形式下的结构强度、刚度及固有频率等方面进行计算分析，可知本船的舰炮基座在筒形支撑结构形式下的效果最佳，不但满足各种要求，还具有一定的储备。
（2）虽然本船的舰炮基座在筒形支撑结构形式下的效果最佳，但对于其它船的舰炮基座支撑结构形式设计，还需要与船的实际布置相配合，通过综合比较分析，设计出适合的支撑结构方案。
（3）本文的舰炮基座支撑结构形式设计及计算方法，可为从事相关工程的设计人员提供一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 祝传超.某舰船发射装置基座结构强度计算方法研究[D].南京理工大学，2016.
[2] 吴群明，陈亮亮，陈南华.舰炮基座及其支撑结构强度的准静态分析 [J].广东造船 2017（6）：22-24.
[3] 中国船级社（CCS）. 水面舰艇入级规范（2019）[S].