极地航行船舶冰带骨架系统规范设计研究

徐义刚 王燕舞 宋 扬 顾 俊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

极地航行船舶冰带骨架系统规范设计研究

徐义刚 王燕舞 宋 扬 顾 俊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

基于IACS极地船级（Polar Class）规范环境，以中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）正在研发的一型满足PC3级的万吨级极地自破冰科学考察船为研究对象，通过实际算例分析，重点论述冰级、骨架型式及参数、首部形状等对冰带区域骨架系统规范设计的影响。基于研究船型，对冰带舷侧骨架系统进行多方案比较分析，证明在冰带结构质量控制方面，横骨架式布置方案有其优势。

极地航行船舶；极地船级；冰载荷；骨架系统

引 言

极地航行船舶营运过程中将遭遇各种海冰工况，对船体结构提出了较高要求。为确保船舶安全性，各主要船级社及国际组织制定了相应的极地航行船舶规范。国际船级社协会（IACS）制定的极地船级规范（Polar Class Rule）［1］将海冰冰况分为七个冰级（PC1～ PC7），对各冰级对应的海冰形态作了直观描述，并且各冰级对应的冰载荷、冰带加强区域、结构加强尺寸等已自成体系、较为完备，各主要船级社规范基本上予以完全引用。IACS极地船级规范把船体受浮冰碰撞作用作为确定抵抗冰载荷所要求尺度的设计情形。设计冰载荷是由均匀分布在一长方形载荷作用板（高度b和宽度w）上的平均压力表征，称为设计载荷板。极地船级规范基于设计冰载荷计算规范要求的冰带区结构净尺度，然后再增加腐蚀和磨损增量，得到规范要求的总尺度。规范考虑了冰带区骨材的塑性特征，因此要求冰带区骨材的实际净塑性剖面模数不小于规范要求的净塑性剖面模数。

本文以中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）正在研发的一型IACS PC3级极地自破冰科学考察船为研究对象，通过实际算例对比分析，重点讨论了冰级、首部形状、骨架型式和骨架参数等对冰带区域骨架设计的影响，并在此基础上，针对研究船型，对船舯区冰带舷侧骨架系统进行了多设计方案对比分析。

主要船型参数见表1。

表1 极地自破冰科学考察船主要船型参数

1 冰带区域舷侧骨架系统影响因素分析

1.1 冰级对设计冰载荷的影响

IACS极地船级将船体区域划分为四个区域：首部区、首部过渡区、船舯区和尾部区，并针对每个区域分别规定了相应的冰载荷。其中船舯区、首部过渡区和尾部区的冰载荷主要与船舶排水量、冰级有并。

基于研究船型，本节根据IACS 极地船级规范计算了各船级对应的船舯冰带区的设计冰载荷，如图1和图2所示。可知：当冰级由PC3升至PC1时，设计冰载荷急剧增加；由PC7升至PC3，设计冰载荷增加趋势则相对较为平缓。

骨架系统的尺寸基本上和设计冰载荷成正比，因此骨架系统的尺寸与冰级的并系和设计冰载荷与冰级的并系相似。

1.2 首部形状对设计冰载荷的影响

根据极地船级规范，首部区冰载荷除了和船舶排水量、冰级有并外，主要与首部形状（水线角和肋骨角）密切相并，因此本节计算分析了首部形状对首部冰载荷的影响。

船体水线角和肋骨角都在冰区高位水线处量取，水线角为船体冰区高位水线处水线切线与船体纵向中心线的夹角，肋骨角为冰区高位水线处肋骨切线与船体垂向中心线的夹角，如图3所示。

极地航行船舶船首冰载荷的大小与海冰的失效模式紧密相并。对于极地海冰来说，其主要失效模式基本有两种：弯曲失效（flexure）和压溃失效（crushing），船首冰载荷取不大于这两种失效模式下的较小值。

极地船级规范中的形状系数fa反映了首部形状对冰载荷的影响，形状系数fa与冰载荷成正比。

形状系数fa具体计算见式（1）～（4）：

式中：fa1表征海冰压溃失效模式的形状系数；fa2表征海冰弯曲失效模式的形状系数；CFF和CFC分别为海冰弯曲失效船级因子和海冰压溃失效船级因子，两者仅和极地船级有并；D为船舶排水量，kt；α为冰区高位水线处水线角，°； β′为冰区高位水线处肋骨垂向角，°，β为冰区高位水线处肋骨角。

基于引言中所述研究船型，计算了不同水线角和肋骨角时，海冰弯曲失效模式和压溃失效模式下船首的形状系数（如图4和图5所示），可知海冰弯曲失效模式下的形状系数fa2均大于fa3（即：0.6），海冰压溃失效模式下的形状系数fa1大部分情况下小于fa3。

因此，对研究船型（排水量为万吨级、PC3 级）而言，其船首设计冰载荷系由海冰压溃失效模式决定的。在首部线型设计时，从降低极地船级首部区设计冰载荷的角度出发，可基于海冰压溃失效模式下的形状系数fa1计算公式，即式（2），通过水线角与肋骨角的合理配合，以降低首部区设计冰载荷。

水线角和肋骨角对冰载荷的影响如图6所示。可知，首部冰载荷的大小和水线角成正比，而和肋骨角成反比，与形状系数fa1计算公式基本一致。

1.3 骨架系统参数对外板板厚的影响

本小节基于所研究船型对应的船舯冰带区载荷，分析了骨架系统参数对外板厚度的影响，其结论同样适用于首部区、首部过渡区和尾部区等其他船体区域。

IACS极地规范中影响横骨架式外板板厚的主要因素是肋骨间距和设计载荷板高度，而影响纵骨架式外板板厚的主要因素是纵骨间距和强框间距，具体计算如式（5）和（6）。

横骨架式外板净厚度：

纵骨架式外板净厚度：

式中：AF为船体区因子；PPFp为峰值压力因子；Pavg为设计冰载荷，MPa；s为骨材间距，m；b为设计载荷板高度，m； l为纵骨架式强框间距，m。

根据公式（5）和式（6），不同骨材间距下的外板净厚度如图7所示，可知，相同骨材间距时，横骨架式外板净厚度小于纵骨架式外板净厚度（纵骨架式强框间距分别为1.6m和2.4m）。当骨材间距为0.4m时，横骨架式外板净厚度比纵骨架式外板净厚度小25%左右。因此，从减小规范要求的外板厚度方面看，横骨架式舷侧结构是较为合适的。

1.4 骨架系统参数对舷侧骨材尺寸的影响

IACS PC规范中冰载荷是以设计载荷板的形式施加到结构上，在冰载荷不变的情况下，影响舷侧骨材尺寸的主要因素是骨材的跨距、骨材间距和骨材的剪切面积裕度等。本小节基于所研究船型对应的船舯冰带区载荷，分析了上述参数对舷侧冰带骨材尺寸的影响，其结论同样适用于首部区、首部过渡区和尾部区等其他船体区域。

骨材的跨距（其他因素不变）对规范要求的净塑性剖面模数和净剪切面积的影响如图8和图9所示。可知，纵骨架式条件下，规范要求的净塑性剖面模数与跨距的平方成正比，净剪切面积与跨距成正比，近似于骨材受均布压力下的情况。横骨架式条件下，规范要求的净塑性剖面模数并非与跨距的平方成正比，介于骨材受均布压力和集中力的情况之间，规范要求的净剪切面积随跨距增加没有变化，近似于骨材受集中力下的情况。

骨材间距（其他因素不变）对净塑性剖面模数和剪切面积的影响如图10和图11所示。可知：横骨架式下，规范要求的骨材净塑性剖面模数和净剪切面积近似和骨材间距成正比；纵骨架式下，当纵骨间距小于冰载荷高度的一半时，规范要求的骨材净塑性剖面模数和净剪切面积近似和骨材间距成正比，当纵骨间距大于冰载荷高度的一半时，规范要求的骨材净塑性剖面模数和净剪切面积几乎不再随骨材间距的增加而改变。

如图8～11 中所示，在施加设计载荷板形式的冰载荷条件下，骨材跨距和间距对骨材尺寸的影响并不等同于其他常规载荷形式下骨架主要参数对骨材尺寸的影响，其有自身的特点。

此外，单从满足骨材塑性剖面模数规范要求而言，纵骨架式布置更加有效；而单从满足骨材净剪切面积规范要求而言，横骨架式布置更加有效。

剪切面积裕度（实际净剪切面积/规范要求的净剪切面积）对规范要求的净塑性剖面模数也有一定的影响，特别是横骨架式冰带肋骨，如图12所示。

因此在横骨架式下冰带骨材的塑性剖面模数较难满足规范要求的情况下，可以考虑通过增加剪切面积裕度来满足骨材塑性剖面模数要求，并且剪切裕度选取尽量取大于1.2为宜。

基于船舯冰带区冰载荷，在舷侧骨材普遍采用球扁钢的情况下，计算比较了不同跨距和骨材间距下，同时满足塑性剖面模数和剪切面积时，需要选用的球扁钢规格，如表2和表3所示。可知同样的跨距或骨材间距下，大部分情况下采用横骨架式时，满足规范要求的舷侧骨材尺寸会比较小。

表2 不同跨距下满足规范要求的舷侧骨材尺寸

表3 不同骨材间距下满足规范要求的舷侧骨材尺寸

2 船舯冰带区舷侧骨架布置方案比较分析

为进一步综合评估不同骨架布置方案对船舯冰带区骨架系统结构质量的影响，选取研究船型的船舯冰带区纵向长度6个强框间距范围内，平台甲板与中间甲板间的舷侧结构为分析对象，设定三种合理可行的舷侧骨架系统布置方案（包括横骨架式和纵骨架式）进行计算对比。

舷侧结构具体布置型式如下页图13所示。

方案A：横骨架式，肋骨间距0.4m，平台中间设一舷侧纵桁，三个肋位设置一个横向强框；

方案B：纵骨架式，纵骨间距0.4m，每两个肋位设置一个横向强框；

方案C： 纵骨架式，纵骨间距0.4m，每三个肋位设置一个横向强框。

对于舷侧纵桁、舷侧强框等强构件尺寸，IACS极地船级规范中并未给出具体计算式，要求依据直接计算确定；在极地船级规范规定的设计冰载荷下，舷侧纵桁和舷侧强框在剪切和弯曲效应下的复合应力不得超出各船级社的衡准。

各船级社在引用极地规范时大多给出了各自的应力衡准，如：CCS要求舷侧强框和承受载荷的舷侧纵桁的尺寸应确保剪切和弯曲的组合效应不得超出材料的屈服强度［2］；DNV-GL规定采用直接计算时，舷侧强框和承受载荷的舷侧纵桁的尺寸应确保剪切和弯曲的组合效应不得超出0.9倍的材料屈服应力［3］；按照BV规范，如果采用有限元细网格模型计算舷侧强框和舷侧纵桁的尺寸时，其Vonmises应力应不超过约0.93倍的材料屈服应力［4］。

本文采用有限元方法确定舷侧强框和舷侧纵桁的尺寸，为保守计算起见，根据DNV-GL规范，Vonmises应力衡准取为不超过约0.9倍的材料屈服应力。

三种方案的冰带结构质量统计结果如表4所示。可知，三种方案中，横骨架式舷侧结构质量相对最轻。从控制冰带结构质量方面来看，横骨架式舷侧结构是较为合适的。

表4 三种布置方案下舷侧结构质量t

3 结 论

基于IACS极地船级（Polar Class）规范环境，本文以MARIC正在研发的一型极地自破冰科学考察船为对象，通过实际算例分析，重点讨论了冰级、骨架型式和参数、首部形状等对冰带区域骨架系统设计的影响，得出以下结论：

（1）对于排水量为万吨级、满足PC3 的极地船舶，极地船舶首部区冰载荷是由海冰的压溃失效模式决定的。因此在首部线型设计时，从降低规范规定的首部区冰载荷的角度出发，可基于海冰压溃失效模式下形状系数计算公式优化船首线型。

（2）相同骨材间距时，横骨架式外板净厚度小于纵骨架式外板净厚度，当骨材间距为0.4m时，横骨架式外板净厚度比纵骨架式外板净厚度小25%左右。同样的跨距或骨材间距下，同时满足规范要求的塑性剖面模数和剪切面积时，大部分情况下采用横骨架式时，满足规范要求的舷侧骨材尺寸会比较小。

（3）冰带骨材剪切面积裕度对规范要求的净塑性剖面模数有一定的影响，尤其是对横骨架式冰带舷侧肋骨而言更为明显。在横骨架式舷侧骨材的塑性剖面模数较难满足规范要求的情况下，可以考虑适当增加剪切面积裕度来满足骨材塑性剖面模数要求，且剪切裕度宜取为不小于1.2。

（4）本文综合比较了三种舷侧骨架布置方案下的冰带结构质量，其中舷侧纵桁和舷侧强框的尺寸根据船级社的衡准采用直接计算方法确定，证明横骨架式结构布置在冰带结构质量控制方面有其优势。

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

［2］ 中国船级社.钢质海船入级规范［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

工信部高技术船舶科研计划支持项目。

2017-03-10；

2017-04-15

徐义刚（1987-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计与研究。王燕舞（1979-），男，博士，高级工程师。研究方向：船舶结构设计与研究。宋 扬（1988-），男，工程师。研究方向：船舶结构设计与研究。顾 俊（1986-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计与研究。

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