極地航行船舶冰帶骨架系統(tǒng)規(guī)范設計研究

徐義剛 王燕舞 宋 揚 顧 俊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

極地航行船舶冰帶骨架系統(tǒng)規(guī)范設計研究

徐義剛 王燕舞 宋 揚 顧 俊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

基于IACS極地船級（Polar Class）規(guī)范環(huán)境，以中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）正在研發(fā)的一型滿足PC3級的萬噸級極地自破冰科學考察船為研究對象，通過實際算例分析，重點論述冰級、骨架型式及參數(shù)、首部形狀等對冰帶區(qū)域骨架系統(tǒng)規(guī)范設計的影響。基于研究船型，對冰帶舷側骨架系統(tǒng)進行多方案比較分析，證明在冰帶結構質量控制方面，橫骨架式布置方案有其優(yōu)勢。

極地航行船舶；極地船級；冰載荷；骨架系統(tǒng)

引 言

極地航行船舶營運過程中將遭遇各種海冰工況，對船體結構提出了較高要求。為確保船舶安全性，各主要船級社及國際組織制定了相應的極地航行船舶規(guī)范。國際船級社協(xié)會（IACS）制定的極地船級規(guī)范（Polar Class Rule）［1］將海冰冰況分為七個冰級（PC1～ PC7），對各冰級對應的海冰形態(tài)作了直觀描述，并且各冰級對應的冰載荷、冰帶加強區(qū)域、結構加強尺寸等已自成體系、較為完備，各主要船級社規(guī)范基本上予以完全引用。IACS極地船級規(guī)范把船體受浮冰碰撞作用作為確定抵抗冰載荷所要求尺度的設計情形。設計冰載荷是由均勻分布在一長方形載荷作用板（高度b和寬度w）上的平均壓力表征，稱為設計載荷板。極地船級規(guī)范基于設計冰載荷計算規(guī)范要求的冰帶區(qū)結構凈尺度，然后再增加腐蝕和磨損增量，得到規(guī)范要求的總尺度。規(guī)范考慮了冰帶區(qū)骨材的塑性特征，因此要求冰帶區(qū)骨材的實際凈塑性剖面模數(shù)不小于規(guī)范要求的凈塑性剖面模數(shù)。

本文以中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）正在研發(fā)的一型IACS PC3級極地自破冰科學考察船為研究對象，通過實際算例對比分析，重點討論了冰級、首部形狀、骨架型式和骨架參數(shù)等對冰帶區(qū)域骨架設計的影響，并在此基礎上，針對研究船型，對船舯區(qū)冰帶舷側骨架系統(tǒng)進行了多設計方案對比分析。

主要船型參數(shù)見表1。

表1 極地自破冰科學考察船主要船型參數(shù)

1 冰帶區(qū)域舷側骨架系統(tǒng)影響因素分析

1.1 冰級對設計冰載荷的影響

IACS極地船級將船體區(qū)域劃分為四個區(qū)域：首部區(qū)、首部過渡區(qū)、船舯區(qū)和尾部區(qū)，并針對每個區(qū)域分別規(guī)定了相應的冰載荷。其中船舯區(qū)、首部過渡區(qū)和尾部區(qū)的冰載荷主要與船舶排水量、冰級有并。

基于研究船型，本節(jié)根據(jù)IACS 極地船級規(guī)范計算了各船級對應的船舯冰帶區(qū)的設計冰載荷，如圖1和圖2所示。可知：當冰級由PC3升至PC1時，設計冰載荷急劇增加；由PC7升至PC3，設計冰載荷增加趨勢則相對較為平緩。

骨架系統(tǒng)的尺寸基本上和設計冰載荷成正比，因此骨架系統(tǒng)的尺寸與冰級的并系和設計冰載荷與冰級的并系相似。

1.2 首部形狀對設計冰載荷的影響

根據(jù)極地船級規(guī)范，首部區(qū)冰載荷除了和船舶排水量、冰級有并外，主要與首部形狀（水線角和肋骨角）密切相并，因此本節(jié)計算分析了首部形狀對首部冰載荷的影響。

船體水線角和肋骨角都在冰區(qū)高位水線處量取，水線角為船體冰區(qū)高位水線處水線切線與船體縱向中心線的夾角，肋骨角為冰區(qū)高位水線處肋骨切線與船體垂向中心線的夾角，如圖3所示。

極地航行船舶船首冰載荷的大小與海冰的失效模式緊密相并。對于極地海冰來說，其主要失效模式基本有兩種：彎曲失效（flexure）和壓潰失效（crushing），船首冰載荷取不大于這兩種失效模式下的較小值。

極地船級規(guī)范中的形狀系數(shù)fa反映了首部形狀對冰載荷的影響，形狀系數(shù)fa與冰載荷成正比。

形狀系數(shù)fa具體計算見式（1）～（4）：

式中：fa1表征海冰壓潰失效模式的形狀系數(shù)；fa2表征海冰彎曲失效模式的形狀系數(shù)；CFF和CFC分別為海冰彎曲失效船級因子和海冰壓潰失效船級因子，兩者僅和極地船級有并；D為船舶排水量，kt；α為冰區(qū)高位水線處水線角，°； β′為冰區(qū)高位水線處肋骨垂向角，°，β為冰區(qū)高位水線處肋骨角。

基于引言中所述研究船型，計算了不同水線角和肋骨角時，海冰彎曲失效模式和壓潰失效模式下船首的形狀系數(shù)（如圖4和圖5所示），可知海冰彎曲失效模式下的形狀系數(shù)fa2均大于fa3（即：0.6），海冰壓潰失效模式下的形狀系數(shù)fa1大部分情況下小于fa3。

因此，對研究船型（排水量為萬噸級、PC3 級）而言，其船首設計冰載荷系由海冰壓潰失效模式?jīng)Q定的。在首部線型設計時，從降低極地船級首部區(qū)設計冰載荷的角度出發(fā)，可基于海冰壓潰失效模式下的形狀系數(shù)fa1計算公式，即式（2），通過水線角與肋骨角的合理配合，以降低首部區(qū)設計冰載荷。

水線角和肋骨角對冰載荷的影響如圖6所示。可知，首部冰載荷的大小和水線角成正比，而和肋骨角成反比，與形狀系數(shù)fa1計算公式基本一致。

1.3 骨架系統(tǒng)參數(shù)對外板板厚的影響

本小節(jié)基于所研究船型對應的船舯冰帶區(qū)載荷，分析了骨架系統(tǒng)參數(shù)對外板厚度的影響，其結論同樣適用于首部區(qū)、首部過渡區(qū)和尾部區(qū)等其他船體區(qū)域。

IACS極地規(guī)范中影響橫骨架式外板板厚的主要因素是肋骨間距和設計載荷板高度，而影響縱骨架式外板板厚的主要因素是縱骨間距和強框間距，具體計算如式（5）和（6）。

橫骨架式外板凈厚度：

縱骨架式外板凈厚度：

式中：AF為船體區(qū)因子；PPFp為峰值壓力因子；Pavg為設計冰載荷，MPa；s為骨材間距，m；b為設計載荷板高度，m； l為縱骨架式強框間距，m。

根據(jù)公式（5）和式（6），不同骨材間距下的外板凈厚度如圖7所示，可知，相同骨材間距時，橫骨架式外板凈厚度小于縱骨架式外板凈厚度（縱骨架式強框間距分別為1.6m和2.4m）。當骨材間距為0.4m時，橫骨架式外板凈厚度比縱骨架式外板凈厚度小25%左右。因此，從減小規(guī)范要求的外板厚度方面看，橫骨架式舷側結構是較為合適的。

1.4 骨架系統(tǒng)參數(shù)對舷側骨材尺寸的影響

IACS PC規(guī)范中冰載荷是以設計載荷板的形式施加到結構上，在冰載荷不變的情況下，影響舷側骨材尺寸的主要因素是骨材的跨距、骨材間距和骨材的剪切面積裕度等。本小節(jié)基于所研究船型對應的船舯冰帶區(qū)載荷，分析了上述參數(shù)對舷側冰帶骨材尺寸的影響，其結論同樣適用于首部區(qū)、首部過渡區(qū)和尾部區(qū)等其他船體區(qū)域。

骨材的跨距（其他因素不變）對規(guī)范要求的凈塑性剖面模數(shù)和凈剪切面積的影響如圖8和圖9所示。可知，縱骨架式條件下，規(guī)范要求的凈塑性剖面模數(shù)與跨距的平方成正比，凈剪切面積與跨距成正比，近似于骨材受均布壓力下的情況。橫骨架式條件下，規(guī)范要求的凈塑性剖面模數(shù)并非與跨距的平方成正比，介于骨材受均布壓力和集中力的情況之間，規(guī)范要求的凈剪切面積隨跨距增加沒有變化，近似于骨材受集中力下的情況。

骨材間距（其他因素不變）對凈塑性剖面模數(shù)和剪切面積的影響如圖10和圖11所示。可知：橫骨架式下，規(guī)范要求的骨材凈塑性剖面模數(shù)和凈剪切面積近似和骨材間距成正比；縱骨架式下，當縱骨間距小于冰載荷高度的一半時，規(guī)范要求的骨材凈塑性剖面模數(shù)和凈剪切面積近似和骨材間距成正比，當縱骨間距大于冰載荷高度的一半時，規(guī)范要求的骨材凈塑性剖面模數(shù)和凈剪切面積幾乎不再隨骨材間距的增加而改變。

如圖8～11 中所示，在施加設計載荷板形式的冰載荷條件下，骨材跨距和間距對骨材尺寸的影響并不等同于其他常規(guī)載荷形式下骨架主要參數(shù)對骨材尺寸的影響，其有自身的特點。

此外，單從滿足骨材塑性剖面模數(shù)規(guī)范要求而言，縱骨架式布置更加有效；而單從滿足骨材凈剪切面積規(guī)范要求而言，橫骨架式布置更加有效。

剪切面積裕度（實際凈剪切面積/規(guī)范要求的凈剪切面積）對規(guī)范要求的凈塑性剖面模數(shù)也有一定的影響，特別是橫骨架式冰帶肋骨，如圖12所示。

因此在橫骨架式下冰帶骨材的塑性剖面模數(shù)較難滿足規(guī)范要求的情況下，可以考慮通過增加剪切面積裕度來滿足骨材塑性剖面模數(shù)要求，并且剪切裕度選取盡量取大于1.2為宜。

基于船舯冰帶區(qū)冰載荷，在舷側骨材普遍采用球扁鋼的情況下，計算比較了不同跨距和骨材間距下，同時滿足塑性剖面模數(shù)和剪切面積時，需要選用的球扁鋼規(guī)格，如表2和表3所示。可知同樣的跨距或骨材間距下，大部分情況下采用橫骨架式時，滿足規(guī)范要求的舷側骨材尺寸會比較小。

表2 不同跨距下滿足規(guī)范要求的舷側骨材尺寸

表3 不同骨材間距下滿足規(guī)范要求的舷側骨材尺寸

2 船舯冰帶區(qū)舷側骨架布置方案比較分析

為進一步綜合評估不同骨架布置方案對船舯冰帶區(qū)骨架系統(tǒng)結構質量的影響，選取研究船型的船舯冰帶區(qū)縱向長度6個強框間距范圍內，平臺甲板與中間甲板間的舷側結構為分析對象，設定三種合理可行的舷側骨架系統(tǒng)布置方案（包括橫骨架式和縱骨架式）進行計算對比。

舷側結構具體布置型式如下頁圖13所示。

方案A：橫骨架式，肋骨間距0.4m，平臺中間設一舷側縱桁，三個肋位設置一個橫向強框；

方案B：縱骨架式，縱骨間距0.4m，每兩個肋位設置一個橫向強框；

方案C： 縱骨架式，縱骨間距0.4m，每三個肋位設置一個橫向強框。

對于舷側縱桁、舷側強框等強構件尺寸，IACS極地船級規(guī)范中并未給出具體計算式，要求依據(jù)直接計算確定；在極地船級規(guī)范規(guī)定的設計冰載荷下，舷側縱桁和舷側強框在剪切和彎曲效應下的復合應力不得超出各船級社的衡準。

各船級社在引用極地規(guī)范時大多給出了各自的應力衡準，如：CCS要求舷側強框和承受載荷的舷側縱桁的尺寸應確保剪切和彎曲的組合效應不得超出材料的屈服強度［2］；DNV-GL規(guī)定采用直接計算時，舷側強框和承受載荷的舷側縱桁的尺寸應確保剪切和彎曲的組合效應不得超出0.9倍的材料屈服應力［3］；按照BV規(guī)范，如果采用有限元細網(wǎng)格模型計算舷側強框和舷側縱桁的尺寸時，其Vonmises應力應不超過約0.93倍的材料屈服應力［4］。

本文采用有限元方法確定舷側強框和舷側縱桁的尺寸，為保守計算起見，根據(jù)DNV-GL規(guī)范，Vonmises應力衡準取為不超過約0.9倍的材料屈服應力。

三種方案的冰帶結構質量統(tǒng)計結果如表4所示。可知，三種方案中，橫骨架式舷側結構質量相對最輕。從控制冰帶結構質量方面來看，橫骨架式舷側結構是較為合適的。

表4 三種布置方案下舷側結構質量t

3 結 論

基于IACS極地船級（Polar Class）規(guī)范環(huán)境，本文以MARIC正在研發(fā)的一型極地自破冰科學考察船為對象，通過實際算例分析，重點討論了冰級、骨架型式和參數(shù)、首部形狀等對冰帶區(qū)域骨架系統(tǒng)設計的影響，得出以下結論：

（1）對于排水量為萬噸級、滿足PC3 的極地船舶，極地船舶首部區(qū)冰載荷是由海冰的壓潰失效模式?jīng)Q定的。因此在首部線型設計時，從降低規(guī)范規(guī)定的首部區(qū)冰載荷的角度出發(fā)，可基于海冰壓潰失效模式下形狀系數(shù)計算公式優(yōu)化船首線型。

（2）相同骨材間距時，橫骨架式外板凈厚度小于縱骨架式外板凈厚度，當骨材間距為0.4m時，橫骨架式外板凈厚度比縱骨架式外板凈厚度小25%左右。同樣的跨距或骨材間距下，同時滿足規(guī)范要求的塑性剖面模數(shù)和剪切面積時，大部分情況下采用橫骨架式時，滿足規(guī)范要求的舷側骨材尺寸會比較小。

（3）冰帶骨材剪切面積裕度對規(guī)范要求的凈塑性剖面模數(shù)有一定的影響，尤其是對橫骨架式冰帶舷側肋骨而言更為明顯。在橫骨架式舷側骨材的塑性剖面模數(shù)較難滿足規(guī)范要求的情況下，可以考慮適當增加剪切面積裕度來滿足骨材塑性剖面模數(shù)要求，且剪切裕度宜取為不小于1.2。

（4）本文綜合比較了三種舷側骨架布置方案下的冰帶結構質量，其中舷側縱桁和舷側強框的尺寸根據(jù)船級社的衡準采用直接計算方法確定，證明橫骨架式結構布置在冰帶結構質量控制方面有其優(yōu)勢。

［1］ IACS. Requirements Concerning Polar Class［S］. 2010.

［2］ 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范［S］. 2014.

［3］ DNV-GL. DNV GL rules for classification：ships［S］. 2015.

［4］ BV. Rules for the Classification of Polar Class and Icebreaker ships［S］. 2013.

On standard design of ice framing system of polar vessel

XU Yi-gang WANG Yan- wus ONG Yang GU Jun
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

A 10000 tonnage polar research ice-breaking vessel that has been developed by marine Design and Research Institute of China (MARIC)satisfies the level PC3. Based on the Polar Class Rule of IACS, this polar research ice-breaking vessel has been calculated and analyzed to mainly discuss the influence of ice class, framing types and parameters, as well as the bow shape on the standard design of the ice framing system. By comparison of several ice framing systems at shipboard, it is proved that the transverse frame has the advantage of the ice structure weight control.

polar vessel; polar class; ice load; framing system

U663

A

1001-9855（2017）05-0043-06

工信部高技術船舶科研計劃支持項目。

2017-03-10；

2017-04-15

徐義剛（1987-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計與研究。王燕舞（1979-），男，博士，高級工程師。研究方向：船舶結構設計與研究。宋 揚（1988-），男，工程師。研究方向：船舶結構設計與研究。顧 俊（1986-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計與研究。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.043