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船舶的桅杆

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分类:船舶制造 发布时间:2014-11-26 14:17:56 来源: 浏览: 收藏 正文点这评论:(0人参与)

  船上悬挂帆和旗帜、装设天线、支撑观测台的高的柱杆,木质的长圆竿或金属柱,通常从船的龙骨或中板上垂直竖起,可以支撑横桁帆下桁、吊杆或斜桁。

  轮船上的桅杆用处很多。比如用它装信号灯,挂旗帜、架电报天线等。此外,它还能支撑吊货杆,吊装和卸运货物。

  舰船桅杆源于帆船时代,在挂帆扬航的同时,也承担着舰船“耳目”的作用,正道是:“刁斗三更,风急旌旗乱”。随着社会进步和舰船技术发展,风帆时代的桅杆渐渐失去了动力源支柱的功能,演变为纯粹的舰船信息源载体,尤其是雷达的出现,但初期作为平台的高耸舰桥在后巨舰大炮时代不再受人青睐,相对低矮而流畅的舰桥显然无法满足“站得高、望得远”的要求。于是,此后桅杆结构形式的变换便与雷达技术的进步息息相关,由细而粗,由柱而塔,桅杆既成为舰船“列舰耸层楼”的标志性结构,也在不知不觉间完成了螺旋上升的变迁轨迹在现代舰船的桅杆结构形式上可以大致将桅杆区分为桁格桅、塔形桅和筒形桅。下面分别就这几种结构形式对两力六性的不同贡献作简要分析。

  现代舰船桅杆的最主要功能是提供雷达等探测设备的安装平台,因此从雷达的探测性能要求出发,桅杆自然是越高越好,但同时任何形式的桅杆都是一种结构体,有其自身固有的结构力学特性,桅杆的选用和设计都必须满足结构强度、振动、疲劳等力学指标,在相似载荷的前提下,几种结构形式的力学性能有较大差异。结构强度方面,塔形桅具有不可动摇的优势。塔形桅在结构上和上层建筑融为一体,本身也和船体结构一样设计有纵横骨架,壁板和骨架同时受力,都对强度作出贡献,因此相比较于依靠钢结构平衡受力的桁格桅(包括在桁格桅上敷上蒙皮的貌似塔形桅)和相对细长、横截面较小的筒形桅而言,塔形桅的结构强度最佳,承载能力也最强。当然,在大型舰载多功能相控阵雷达装舰之后,舰载雷达的数量有所减少,而且相控阵雷达融于舰桥结构之中,对桅杆的承载能力要求下降,出现了如美国 DDG51、日本16DDH上的轻型多面体桅杆,其设计要点显然和强度已经没有太大的关系。前苏联早早地在大型水面舰船上采用塔式桅,在结构方面就是看中其承载能力,这和前苏联舰载电子设备大而重的特性相匹配;即使雷达本身重量并不大,但为了“看得远”,舰艇也可能采用塔形桅在保证高度的前提下具有足够的强度。另外,较难衡量的是桅杆的动力性能,即振动、疲劳等方面的性能。在这方面,直接计算的理论和算法并没有发展到非常精确的程度,即使采用同一算法也有可能得出大相径庭的结果。前苏联在这方面依赖于其雄厚的基础科学研究能力和科技人员的丰富经验,往往在计算结果出来之前就已经能够作出比较准确地判断。在某出口艇的新型大倾角桁格桅的振动响应计算中,国内三家院校(海工、交大、哈船)的计算结果差异在一个数量级以上,对实际设计没有任何指导意义;而在提交俄罗斯专家后,在未经计算的情况下凭经验估摸了某个数量级的结果,此后的实艇测试证明了俄罗斯人的判断。近年来,由于有限元计算技术的发展,有限元动力计算软件日趋成熟,应该说在振动、疲劳等方面的计算结果已经能够满足工程实际的要求。

  如果排除实际设计的影响,单从结构形式本身来判断,由于塔形桅和船体以连续结构连接,因此性能较好;而桁格桅和上层建筑的连接属于点状连接,在结构上形成应力集中,一般需要对根部特殊加强才能满足动力性能要求;筒形桅在结构连续性上和塔形桅相似,但接触面较小使其动力性能稍逊于塔形桅;轻型多面体桅杆本身重量较轻,承载较弱,受风面积也较小,而且有些可以做成“〉”型实心横截面,因此在振动、疲劳方面的性能将不亚于塔形桅。总体上看,塔形桅在承载能力、结构强度、抗振动疲劳等方面的性能都较好,具有结构上的综合优势;轻型多面体桅杆在考虑到实际使用后,应该承认在满足承载要求的同时,结构性能方面和塔形桅处于同一水平线上;筒形桅结构上可以视作塔形桅和轻型桅的中间体,性能上略逊一筹;桁格桅无论在承载能力、强度方面,还是在振动疲劳方面都和前三者有一定的差距

  既然桁格桅在结构方面有众多的弱项,为什么还是有不少的舰艇要采用桁格桅?究其原因,应该是舰艇总体设计平衡协调的结果。桁格桅在以下方面具有优势:本身重量较轻,在占据舰艇最高位置的同时,对船体稳性影响较小;受风面积最小,使船体受横风影响减弱,有利于侧倾稳性;可以采用非金属材料制造,隐身性能较好(但在使用金属材料时,由于绕射等反射方式的存在,其隐身性能甚至比塔形桅要差);工艺性较好,和民用钢结构有共通之处。如果从这些方面考察另三种桅杆,能与之相类比的仅有轻型多面体桅杆,而且在同样采用金属材料时,轻型桅的隐身能力强于桁格桅。而塔形桅的自身重量、较大的受风面积、较大的雷达反射面积等缺点则暴露无遗。前苏联肯达级巡洋舰所为人诟病的稳性问题既有干舷较低的因素,庞大的塔形桅也是诱因之一,但在承载能力要求较高的场所塔形桅仍是不二选择。美国在70年代末80年代初的主战舰船设计中,除了核动力巡洋舰采用塔形桅之外,其余大中型驱护舰以及常规动力巡洋舰均采用桁格桅,从中可以看出,在舰船总体设计中,解决桅杆的结构性能问题时其他性能牺牲的代价要低于总体性能问题,毕竟结构力学所牵涉的平衡范围和难度要远小于稳性、隐身性,从舰船设计局部服从总体的原则出发,在这些舰船上选用桁格桅应该说是水到渠成。

  至于筒形桅,应用场合并不多,由于外形细长,并不适于作为舰船的主桅安置于舰桥之上,往往直接安装于舯部甲板或甲板室上,在设计上往往更多地是考虑到实用性。除了能够分散雷达等电子设备的分布从而改善整体的电磁兼容性之外,如果本舰动力为CODOG形式且桅杆位置合适,则可用于容纳巡航用柴油机组和发电用柴油机组的排气管;在综合通信系统中,筒形桅还能兼作宽带桅杆天线的发射体(如英国ICS-3系统);从美学角度,筒形桅和主桅一起能起到平衡视觉焦点的作用。另外,筒形桅和塔形桅都具有足够的封闭空间以形成全天候的维护平台,可维性较好;而且,封闭空间也有利于高频电缆等雷达附属设施的保护,不必受风吹雨打和各种海洋腐蚀的影响。 

  综上,塔形桅的承载能力最强,结构强度较高,可维性较好,在选取合适的壁板倾角和涂敷吸波材料后隐身性能尚可,但自重、迎风面积较大,结构复杂;桁格桅承载能力一般,结构强度在优化设计后可以满足使用要求,设备完全露天安装,但自重、迎风面积小,结构简单;轻型多面体桅杆除了承载能力最小外,其余性能指标均较优,是目前新兴的一种桅杆结构形式。但随着雷达技术的进一步发展,和舰桥围壁共形的多波段雷达天线的研制成功将颠覆传统桅杆的样式,甚至导致桅杆的消失,正所谓:“长剑几时天外倚,真是崆峒”。如果桅杆上有人就危险了,所以千万不要爬上桅杆!




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