浅析雷达桅的设计及优化

伍红窍　王成之

（广船国际技术中心）

浅析雷达桅的设计及优化

伍红窍王成之

（广船国际技术中心）

本文通过对各种雷达桅体形式的分析和对比，并通过计算，实现雷达桅结构型式设计的优化。

雷达桅 雷达 结构 优化

0　前言

在船舶航行过程中有时会出现桅体振动过大，影响船舶安全航行的问题。雷达桅的固化对于船舶设计愈发重要。振动问题大多数是由于结构型式自身的缺陷而引起，即使后期经过加强处理，其效果一般都不理想。本文通过对各种雷达桅体形式的分析和对比，并且通过计算，实现雷达桅结构型式设计的优化。

1　雷达桅上相关号灯的要求

⑴《1972年国际海上避碰规则》（1993年修订本）对后桅灯的安装要求如下：

① 当安装两盏桅灯时，在一切正常吃水差的情况下，当从距离船首1 000 m的海面上观看，应能看出后灯在前灯的上方并且分开；后桅灯最少高于前桅灯4.5 m；

② 后桅灯与前桅灯之间的水平距离应不小于船长的1/2,但不必大于100 m。

⑵ 《1972年国际海上避碰规则》（1993年修订本）对信号灯的安装要求如表1所示。

⑶ 船舶通过苏伊士运河时所需的信号灯，见图1。

⑷ 新加坡当局的要求：夜间航行船舶需要配备两个垂向的绿灯，在实际设计过程中，通常需要和苏伊士运河灯设计综合考虑布置。由于没有对安装高度有相关要求，在实际操作过程中，高度方向采用和苏伊士运河灯相同的要求：1 m间隔 (有时采采用 920 mm）。

表1　《1972年国际海上避碰规则》对信号灯的安装要求

图1　通过苏伊士运河船舶所需的信号灯

⑸ 危险品灯：用于运输或转运易燃、易爆、有毒或放谢性货物的船舶，除应有相应的系泊、锚泊、或航行灯外，应在最易见处显示一盏环照红灯，其水平能见距离至少为2海里

2　雷达系统的布置要求

雷达天线布置时，S 波段天线和X 波段天线波束不能相对，需要确认海事卫星天线、GPS 天线和AIS 天线等不得安装在雷达波束内，避免烟囱 、克林吊，桅杆造成的假回波影响。

S/X 雷达波束分开根据上述要求，平行布置的优点：雷达结构平台数量为1个，平台数量少，检修方便，缺点：雷达布置不在中心，在垂直角度内会一定干涉，平台的横向尺度大，平台尺寸大。垂向布置的优点：雷达布置靠中心线位置，反射效果好，平台尺寸稍小。缺点：雷达结构平台数量为2个，平台数量多，检修需要穿插在两层平台之间，纵向尺度大。

S/X 波段雷达安装时需满足AB 长度不大于500 m或不大于两倍的船长（IMO SN.1 Circ.271 Installation Guideline 规定）如图2所示。

图2　S/X 波段雷达安装要求

雷达天线前±112.5。区域可视没有任何盲区和遮挡物（如图2所示），后135。区域内总扇形盲区大小不得大于20。，雷达安全护栏离雷达基座至少500mm(如图3所示)（IMO SN.1 Circ.271 Installation Guideline规定）。

图3　135。区域内总扇形盲区

注意：雷达安全护栏、信号灯桅杆等都会对雷达产生影响，雷达波束内不得有物体进入，否则会对雷达产生影响形成盲区。S/X 波段雷达天线离VHF、MF/HF、AIS 发射天线距离5 m，不得进入雷达波束范围内。雷达2 m区域和距离雷达波束5 米内不能安装任何设备，如图4所示。

目前，船东一般对FBB 通讯要求是比较高的，为了满足船东要求安装FBB 站要尽可能安装在没有障碍物并且要避开雷达波束的干扰的位置，目前主流的安装位置就是雷达桅杆和罗经甲板。安装在雷达桅杆上，必须安装在避开雷达波束和海事卫星C 站干扰的位置，如图5所示。

图4　安装要求示意图

图5　C 站、FBB 站和Radar 布置示意图

3　几种传统形式雷达桅体的对比

⑴ 单柱集合式桅体主要优点：布置紧凑，号灯布置相对集中。缺点：由于号灯布置空间受桅体的布置制约，常造成号灯布置受限，如增大桅体，多造成头重脚轻出现。

针对该类型桅体，从高度方面设计常考虑一下因素：兼顾到苏伊士运河灯的要求，桅体高度底层至少为6 m，考虑加上失控灯布置要求至少为6 m。仅考虑上述两个方面，桅体高度已经至少为12 m。对于每层平台，考虑失控灯布置的水平尺寸要求和检修方面的影响，兼顾雷达及VHF的布置，故桅体雷达平台的宽度一般不小于6 m。该类设计，常造成桅体高度较大，重量较重。当桅体结构不够强时，会震动较大。

对于不通过苏伊士运河的船舶，其雷达桅的布置仅考虑失控灯布置、雷达布置及桅体强度。型式相对简单，考虑实用及维修方面的影响，桅体结构应采用单柱型设计。

常见设计对比如下图6和图7所示：

图6　有苏伊士运河灯布置

图7　无苏伊士运河灯布置

⑵ 独立灯桅的雷达桅体设计：布置分散，号灯布置容易。桅体设计一般相对简单。

由于兼顾到苏伊士运河灯的要求，故桅体高度底层至少为9 m。考虑号型的布置，故桅体平台的宽度一般不小于6 m。

考虑失控灯布置的水平尺寸要求，故独立灯桅体高度一般为6m。常见设计如图8所示。

⑶ 连体雷达桅有布置分散，号灯布置容易，使用方便的优点，但设计复杂且结构重量较大。

由于兼顾到苏伊士运河灯的要求，故桅体总高度至少为9m。考虑号灯的布置，通道平台高度为3 m左右。考虑失控灯布置的水平尺寸要求，故灯桅体高度一般为6 m。常见设计如图9所示。

4　桅体的设计

主桅体的截面选择，主要考虑到结构强度和振动响应。

（目前只有俄罗斯船级社提供计算公式，所以通常根据此计算公式进行计算）

按照一般震动的要求，不在常见船体振频4HZ的范围内，基本要求：

·H尽量不在4000～4900，要求主桅体高度不超过H/2。

·在一般设计中，当桅体下方长度为2 m时，桅体高度不超过10 m。

由于后桅灯的高度限制要求，一般选择船舶压载到港和满载出港两种装载吃水状态设计计算。

图8　独立灯桅体常见设计

图9　连体桅体常见设计

雷达桅结构布置如进入磁罗经中心4 m半径球形磁性范围内，须用非磁性材料（一般采用不锈钢）制成，故最好能避开此范围布置雷达桅或其附属结构。

布置号灯时，前后桅灯、左右舷灯、艉灯、前后锚灯、失控灯一般为双层灯，须将上层灯后倾才得以换下层灯灯泡,故其灯座、桅结构应有足够空间，满足上层灯更换需求。雷达布置按照要求，一般可以分上下两层独立布置或同一平台分开布置，不同的布置选择在很大程度上决定了雷达桅的设计形式特点。同时，桅设计应设有供维修人员攀爬、登踏结构平台（可以为简易平台），以进行号灯维修。

图10　顶甲板的综合布置

综合考虑电气设备布置，一般顶甲板的综合布置如下：

一般情况主桅体型值要求，纵向高宽比（H/L）≤5，顶部纵向长度尺寸≥桅体宽度B+100。对于桅体高度大10 m的桅体设计，采用底部与上部变宽度设计。桅体尺寸的选择：一般根据船舶的肋位尺寸，桅体下尺寸应为整档尺寸，充分利用结构自身强结构，尽量避免采用单独加强的形式。

如果桅体和底部纵向尺寸型值太过接近；桅体顶部重量太重，会造成振动过大。通过将上部失控灯从桅体的顶部移出设置单独的灯桅，顶部等重量降低和增大底面尺寸降低固有振动频率。经修改后，振动特性可以有效减弱。

船舶的主桅体形式优化的对比如图11和图12所示。

图11　优化前

图12　优化后

如仍旧按照整体桅设计，亦可按照将主桅体延伸至上一层平台，加大底部桅体尺寸（纵向增加一档）的形式，强结构桅体应到达第二层失控灯安装位置，这就要求在号灯设计时需要设置两侧号灯。优化对比如图13和图14所示。

图13　修改前

图14　优化后

对于结构平台支撑肘板多采取板式结构（L/H不大于4），为增加平台肘板的剖面模数，一般需要按照带折边的形式进行设计，如图15所示。

图15　平台肘板典型节点图

对于桁架平台支撑数量建议采用4立柱布置，考虑到稳定性，建议采用“前窄后宽”的结构形式。一般采用尾部立柱水平间距比首部立柱水平间距大300 mm，形成一个虚拟铰点，增加平台支撑自身的抗扭刚度。

桁架平台支撑竖向结构对于上部桁架

。结构，应竖直角度不小于5进行设计，充分增加平台的整体刚度。

对于卫通顶层平台为降低其重量、减少平台的迎风面积，平台设计按照桁架结构进行规划，所有构件尽量采用管结构，实现降低平台振动可能性。

对于莫氏灯座支架，一般考虑到检修方便，在结构设计选型时，按照使用习惯，高度选择不超过4 m。

5　结束语

本文通过对雷达桅相关的号灯的位置安装要求对桅体设计的影响，并深入分析其他规则规范的要求及雷达布置相关要求，将相关规则规范的文字性要求转化为实船设计指导。在号灯布置、雷达布置、号型布置方面进行了多种形式的对比，分析各种布置之间的优缺点，探讨不同配置要求对桅体形式的影响，同时在雷达桅相关布置和节点设计方面进行分析，优化了相关布置，基本解决了振动方面的问题。

[1] 《1972年国际海上避碰规则》（1993年修订本）

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.03.003

伍红窍（1984--），女，工程师，船舶设计。王成之（1985--），男，助理工程师，船舶设计。

2016-5-13)