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中国极地破冰船总体与结构设计技术现状与展望
作者: CSS海商通 文章来源: 来源:龙的船人 时间:2020-05-29 11:01:54 访问量:211
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摘要:本文基于近年来国内预研、设计或改造、建造的多型极地破冰船,提取总体和结构设计关键技术,简要介绍了适用于我国国情的不同等级极地破冰船的总体船型、推进系统、防寒系统设计及结构冰载荷模拟、冰带构件优化设计等方面研究内容。对我国此类船型研发的特点和难点作扼要说明,着重介绍了国内相关设计关键技术的研究现状及实船应用情况;探讨了此类船型国内后续研发方向,并对相应关键技术的研究方向作展望。


当前,我国南北两极科考深度扩展、北极航道逐步商业化、极地应急和管理事务愈发增多,军民融合协调发展的需求愈发迫切。为保障我国在极地水域从事船舶航行运输、极地科学考察的人员生命和财产安全,提升我国在极地水域的航道开辟及维护、两极旅游、资源开发及利用以及综合补给保障的能力,实现我国极地开发装备的战略需求,急需自主研制和建造一系列具有节能环保、安全可靠的极地船型。中国早在上世纪70年代就开始进行极地船舶方面的技术储备,近年来随着北极运输和南极科考活动的加剧,国内完成了多型极地船型的预研、设计、改造或建造。2019年7月,全球首艘具备双向破冰功能的极地科考破冰船“雪龙2”号顺利交付。该项目的实施对中国业界在极地船舶的设计、建造、规范应用和完善以及极地规则Polar Code在国内的有效实施方面发挥了重大推动作用,为我国未来自主发展破冰能力更强、能在南北两极长期存在的重型破冰船打下了坚实基础。


1、总体船型

功能需求和作业模式决定了破冰船的总体船型,破冰船的船型设计需紧紧围绕船舶的功能需求,进行相关线型、动力系统、总体布置的设计,最终达到船舶建造和使用的目的。破冰能力需求是破冰船设计中所有需求中的重中之重,它取决于船舶未来的航行区域、航行季节以及与冰碰撞的频率,它包含了冰强、冰厚、是否含雪、破冰速度、是持续破冰还是冲撞破冰等基本要素,忽略了任何一个要素,对于船型设计都是致命的。这里特别说明的是持续破冰的冰厚与极地规则中规定结构强度所能承受的冰厚不是一个概念,往往后者大于前者。

新的船型开发需要对冰阻力进行准确预报,芬兰人Gustav Lindqvist在1989年提出了一种直接预报方法,将冰阻力分为冰挤压产生的摩擦力Rc、冰弯曲破坏需要的阻力Rb、碎冰的浮力Rf 和摩擦力Rs,同时考虑船舶速度的因素,得出总阻力公式。通过敏感度分析发现在船型比较中破冰功率受线型纵剖角/水线角、船宽、航速以及冰的弯曲强度的影响较大;同时发现经验公式基于有限的试验数据和实船数据,在预报冰阻力时往往会与实际情况存在差异。国际上三大主力冰池(俄罗斯克雷诺夫研究院冰池、芬兰阿克北极冰池、德国汉堡冰池)在这方面的积累深厚。我国在破冰船需求方面有地理位置和航线不同的定制要求,需尽快开展专业冰池试验预报和实船测量应用体系的建设,为未来开发具有中国特色的极地破冰船提供基础保障。图1为各船级社PC等级对比表,图2为世界三大主力冰池。



2、推进系统

推进系统属于破冰船的核心分系统,破冰船的推进系统随着推进装置技术和动力能源供给技术的发展,也在发生着深刻变革。当今破冰船推进系统由常规机械推进向电力推进转变;推进器由常规桨独霸天下变成了吊舱全回转推进、齿轮全回转推进、常规轴桨推进以及吊舱轴桨混合推进的多种形式,尤其是使用中发现吊舱电力推进在冰中机动性和后向破冰方面展现出优势,推动破冰船产生了新的船型,如2007年交付的世界首艘具备双动船型(Double Acting:具备敞水航行的常规船首和冰中尾向航行的破冰船尾)的破冰油船“Vasily Dinkov”号和2019年交付的世界首艘具备双向破冰船型(Double Icebreaking:首部和尾部针对不同的冰情均能进行破冰航行)的极地科考船“雪龙2”号。无论是双动船型还是双向破冰船型,从船舶的机动性上看,传统轴系推进对于船舶航行方向的制约作用变得几乎不复存在,这些制约作用主要来自轴系桨正倒车效率等问题。此外,由于应用了全回转推进器,船舶航行中面对较厚的冰脊冰时有了很多的“强行艉向破冰”的实践。我们在冰池观测船模破冰效果中发现,这种艉向破冰的航行状态,对于破冰脊冰效果突出。我们认为这是由于全回转推进器在艉向航行的破冰部位,有强大灵活的水流有效地“松动”了冰脊冰。甚至于有些冰脊已经堆积至海底也能通过全回转推进器的“掏动”作用将冰脊冰“分化瓦解”。目前,国内高等级破冰全回转推进器包括吊舱的研制仍属于空白,这将严重制约我国未来高等级自破冰船型的船型选择和自主建造。


通常认为推进功率在1万马力(7.35MW)以上的破冰船才能独立在极地冰区航行。其中推进功率1万~2万马力(7.35 MW≤P≤14.7 MW)为轻型破冰船;2万 ~ 4.5万马力(14.7 MW ≤P ≤ 33 MW)为中型破冰船;大于4.5万马力( ≥ 33 MW)为重型破冰船。我们国内的“雪龙 2 ”推进功率为15 MW,属于中型破冰船,如果要破2.25 m及以上厚度的冰,就需要建造重型破冰船,推进功率要达到33 MW以上,这个时候推进系统就出现了3轴甚至4轴的方案,图5为世界上有重型破冰船的三个国家(俄罗斯、加拿大、美国)在其船体尾部所采用的推进轴系形式。经研究比较,后两者形式明显吸收了吊舱全回转推进的优点,可使得破冰功率适当降低,同时提高冰中机动性。



3、防寒系统

极地低温对船舶安全航行、船上各系统的操作、以及船员的工作条件和居住环境带来极大影响。极地破冰船的最低环境温度(CCS MAT)一般低于-30℃,设计服务温度(CCS DST)一般低于-20℃,在这样低温环境下运行的船舶均需考虑防寒设计并申请相关附加标志,如中国船级社的极地防寒标志ACC-POLAR(DST)和除冰防寒标志DE-ICE。对于暴露在空气中的船体钢板要求材料适应的温度往往比以上环境温度更低,因此有专门的船级附加标志,例如中国船级社的船体防寒标志H(DST)。针对更低的环境温度,船舶各系统以及居住舱室需要进行专门的防寒设计,尤其是在最低环境温度低于或等于-46℃情况下,如DST(-36℃)操作运行的重型破冰船,防寒设计需提升到核心关键系统的最高等级去加以设计、验证和实施。防寒设计主要包含三个方面的内容:船舶系统、露天设备和舱室环境。

(1)首先,为保证船舶的安全操作和航行,需进行防寒设计的船舶系统包括压载系统、消防系统、机舱通风系统、冷却水系统、疏排水系统等,布置在露天区域的管材、阀件和附件等也需要达到相应的等级和标准。防止结冰的手段一般采用加热,加热源形式可以选用蒸汽、热油、热水、电伴热、不冻液或其它介质伴行加热等。

(2)其次是露天设备的防寒,露天设备由于始终暴露在室外环境中,将经受严酷的环境考验。货物系统、甲板机械、拖曳设备、救生设备等露天设备系统的防寒设计对船舶在极地条件下航行和运行十分重要,同时液压油和润滑油的选择也应适用于环境温度。除了将其尽量布置在非露天环境外,通过增加专门的防寒设计,对露天设备自身及相关的液压管路等进行相应的防冰、除冰处理也是能起到防寒作用的措施。尤其是救生设备等这一类,是在正常状态下始终处于待使用状态、在紧急状态可立即正常使用的关键设备,必须确保其状态正常。此外,露天区域安全可靠的工作通道和逃生通道,是对船员工作时的人身安全和紧急情况下安全逃生的重要保证,这也是防寒设计的重点。

(3)最后是舱室环境的防寒设计,通过对空调通风系统、保温隔热设计的再审视,对舱室环境进行专业化、系统化的防寒技术设计。具体有空调新风预热设计、非空调处所防冻方案设计、低温环境下舱室保温隔热设计、低温环境下露天舱面属具防冻技术设计等。

对于重型破冰船,应综合考虑整个全船温度场、热能规划和分配,通过一些关键技术的攻克,解决全船一体化防寒设计的难题。



4、冰载荷研究

与常规敞水区域航行船舶相比,极地船型工作环境恶劣,除常规风、浪、流等因素影响外,还将承受低气温环境下各类冰载荷的联合作用:包括冰区航行/作业工况下产生的艏部冲击冰载荷、船首冲滩力、局部冰压等,回转作业及狭窄水道通行对舷侧结构的挤压作用,浮冰冲撞及二次反射碰撞引起的意外伤害等。设计冰载荷是极地船型冰区结构设计的先决性条件。如何对各类典型破冰工况下的船-冰相互作用进行适度、有效地计算模拟,得出相对合理简化的船体设计冰载荷,是结构设计的重点与难点。在破冰船实际设计过程中,冰载荷和破冰能力的估算较多采用经验公式,即:基于大量冰池试验、实船应力监测数据进行回归分析,拟合得出统计意义上的函数式。因此,所采用数据库试验数据的样本空间、样本数量、准确度等直接决定了冰载经验公式的适用性及准确度。目前各主要冰区/极地船型规范的设计冰载荷计算大致采用通过试验-统计分析,结合解析分析方法得出的经验/半经验公式,在具体载荷形式、载荷影响参数、施加范围等方面各有侧重。

4.1  国内冰载荷模拟研究现状简述  

按其计算原理分类,冰载荷计算大致可分为解析方法、数值仿真分析方法、统计分析方法等几类。冰水池模型试验法是一种非常有效的冰阻力研究手段。而结构冰载荷试验技术是目前冰水池试验技术的研究热点,也是冰水池试验能力的重要体现。自20 世纪80年代,天津大学在国内率先开展了冰力学与冰工程学研究并着手筹建实验室,在1998年20m×5m×2m冰水池建成并投入平稳运行,可进行各类冰力学与冰工程学研究。国内冰水池建设及试验技术研究正方兴未艾,国内学者如黄焱、李志军等,在冰破坏机理研究及模型冰研发应用方面做了大量富有成效的工作。但应用于船体冰载荷预报方面,还存在成本高、准备时间长的劣势,且模型试验中冰材料的制作技术还有待进一步提升。

受限于冰池试验条件及实船应力监测数据的匮乏,国内冰载荷研究主要集中在理论解析计算,尤其是数值仿真分析方面。能量法是应用较为广泛的冰载荷简化计算方法,适用于在构件设计初期对冰载荷进行快速估算,相对偏保守。唐文勇等研究了碰撞过程中结构响应,对计算冰载荷的能量法进行修正,得到了计及结构变形能的冰载荷计算能量法。

针对各类船-冰作用工况的数值仿真分析是近年来国内冰载荷研究的重点与热点,即:基于船舶运动方程,采用非线性有限元、离散元、黏结单元等数值方法模拟船-冰动态作用过程,计算得出相应碰撞冰力及冰阻力。如:何菲菲对破冰船冲撞冰层过程进行数值仿真,研究碰撞过程中冰层破冰变形的过程,得到接触冰力时历曲线;李辉,任慧龙等基于破冰过程海冰失效模型的理想化假设,对连续模式的破冰过程进行简化模拟,得到了破冰船的破冰形状与冰力时历曲线;基于瞬态动力学分析法对破冰船冲撞式破冰过程进行数值仿真研究等。邹早建等采用非线性有限元方法构建层冰有限元数值模型,模拟破冰船在冰层中的连续破冰过程,并对破冰船的冰阻力进行了预报。季顺迎等建立海冰的离散单元模型,利用离散元法对船舶在平整冰中的航行过程进行数值模拟,计算航行过程中的局部冰压和冰阻力。此项工作的关键在于实现对海冰特性的有效模拟。就目前而言,国内相关研究工作大多以平整冰、碎冰区为主,且普遍简化为各向同性材料。因此,随着研究的深入,如何实现不同类型各向异性海冰,尤其是多年冰夹杂、冰脊堆积的分层模拟,是今后重要的研究发展方向。

此外,由于实船观测数据的匮乏、冰池模拟试验手段的滞后,数值仿真分析结果的验证存在较大困难。其计算成果的有效性、准确性评估问题已成为该领域研究成果进入工程应用范畴的主要阻碍。

4.2  国内冰载荷实测分析研究

目前国内关于实船冰载荷实测分析研究尚处于起步阶段。哈工程刘瀛昊等基于“S.A. AgulhasⅡ” 号极地科考补给船(PC5)南极海域航行测量数据,利用影响系数矩阵法和反演法对船体艉肩部的冰载荷进行分析,并利用Tikhonov 正则化求解反演方程,得到外板的冰载荷分布。大连理工季顺迎团队在2017年“雪龙”号第33次南极科考期间,在艏部试验性地布设了少量局部应力测点,取得了相应测点布设经验及部分原始数据。

而近日成功完成试航并交船的我国“雪龙2”号极地科考破冰船已成功配备了国内自主研发的全船应力监测系统,其中艏、舯、艉冰带区域布设局部强度测点60组。特别是在艏肩部线型过渡区域,设有冰载荷反演测点阵列(8×11)。该项工程的实施,填补了国内极地船型冰载荷监测系统的空白。随着“雪龙2”船的交付使用,今后将在南/北极冰区科考与航渡过程中取得大量船-冰作用实测数据,可为数值模拟的验证提供必要的数据支撑,必然对国内外相关冰载荷研究工作起到巨大的检验和促进作用。


5、冰区结构设计

与常规敞水航行船舶相比,极地破冰船结构设计在其总纵强度评估、冰区结构优化设计及节点设计、冰载作用局部强度评估、低气温构件选材设计等方面均有其特殊之处。

5.1 总纵强度

极地破冰船总纵强度评估特殊之处源于船型主尺度的特殊性与破冰工况的特殊性。具备较强破冰能力的极地破冰船长宽比(L/B)一般在4 ~ 5之间,其波浪载荷一般应由直接计算确定。

而基于其破冰工作原理及艏部特殊线型设计,破冰船在实际破冰进程中船首区域将部分出水,进至冰面之上,利用重力压溃冰层。设计过程中,除应考虑该状态下船体骑冰状态稳性外,船体结构的安全性同样应重点关注。

一方面,应通过加厚艏柱板、密集设置内部支撑构件等手段保证船体撞击/上滩区域的局部强度安全,另一方面,该工况实际在船体艏部施加了一垂向艏部上滩力(beaching force),对总纵强度的影响亦须重点关注。

垂向设计冰作用弯矩/剪力数值大小与冰级、艏部线型特征等密切相关。图7为基于708所研发的某船长百米、万吨级(PC3)破冰科考船型(以下简称“目标船型”),在各规范环境下波浪弯矩/剪力沿船长方向分布情况对比。


就该船冰级(PC3)、尺度而言,垂向冰致弯矩量级与波浪弯矩基本相当。但对PC2级及以上重型破冰船而言,冰致弯矩/剪力远超波浪弯矩/剪力,已成为最上层连续甲板、内壳纵舱壁顶板等纵向强力构件的主要控制因素之一。

5.2 冰区结构优化设计

由于在冰级定义、冰载荷简化、冰区加强范围划分等方面的差异,各规范环境下结构设计的具体影响因素及权重也有所差异。以目标船型主尺度、关键性能/船型参数为基准,适当变换目标参数,如破冰厚度、肋距、船宽等,考察各规范环境下其相应影响程度。

基于目标船型,就冰区外板设计而言,冰级与肋距(骨材间距)是影响外板板厚的主要因素,而排水量因子影响权重相对较小(见图8和图 9);IACS PC规范计算构件尺度对肋距变化敏感度相对略低,允许的肋距选取样本空间可适当放宽,对结构重量优化设计相对较为有利。


基于目标船型,徐义刚等通过实际算例对比分析,重点讨论了冰级、艏部形状、骨架型式和骨架参数等对冰带区域骨架设计的影响;在此基础上,对船中区冰带骨架系统进行了多方案对比研究,得出结论:就目标船型尺度而言,横骨架式冰带结构布置不仅在安全性上优于纵骨架式,在冰带结构重量控制方面亦有其优势。

吴俊等基于708所研发某20 000 t级PC5级极地多用途运输船,针对冰载作用下舯部舷侧冰带骨架系统进行分级优化设计。通过采用多岛遗传算法(MIGA)分别对四型骨架系统布置方案进行优化,综合评估得出相对最优方案,其结论及优化思路、解决途径可进一步扩展应用至高等级极地船型冰带构件优化设计。但从简化问题考虑,优化工作的主要约束条件系基于弹性准则、规范冰载荷条件下冰带结构局部强度。

5.3  冰区构件局部强度校核

关于船体冰区加强结构校核及承载能力分析,国内外已有较多学者开展了研究。Kwon等基于弹性理论研究在冰船冰相互作用工况下LNG船的结构强度;WANG等研究了冰载荷作用下舷侧外板和肋骨的塑性变形以及舷侧纵桁的屈曲强度;Dolny等分析了不同骨架型式船舶在冰压下的结构强度;齐奎利等对某艘北极油轮纵骨架式外板与舷侧纵骨的极限强度进行了研究。

在极地破冰船实际设计过程中,依据规范要求,其强肋骨、冰带纵桁等强构件尺寸应基于有限元计算确定。所施加载荷为规范载荷(虚拟冰载荷),施加位置为剪切和弯曲组合效应下结构承载能力最薄弱的位置处,如图10所示。





6、结论

国内近年来已完成多冰级(PC5~PC3)、多类型(多用途船、甲板驳、油船、破冰船等)极地船型的研发、设计及制造,已基本具备中高冰级下的极地船型研发的能力。极地重型破冰船是下一阶段船型研发工作的重点。极地重型破冰船可在冬/春季高纬度冰区维持常年运营,其重点作业海域冰情以多年冰为主。鉴于其运营环境、任务剖面的特殊性,工程项目的重要性,与重型破冰船船型开发配套的关键技术研究也发生了一定的升级变化,应成为国内相关领域研究下一步的工作重点。

(1)关于破冰船型研究高等级破冰船型(PC2及以上)线型参数、推进器推力和破冰功率的关系,形成可靠的功率预报方法。重点研究轴桨和全回转推进装置相互混合的新型推进组合在敞水航行和破冰航行的不同任务状况下对船体布置、尾部伴流、破冰推力和回转性能、振动噪声等方面的影响(尤其是对于在重冰状况下螺旋桨、轴系与大块冰的碰撞问题)。

(2)关于船体冰载荷区别于夏季破冰航行所面临的当年水平冰,针对南北极秋冬季多年冰的特点,利用非线性弹簧和流固耦合方法建立破冰船-海冰-海水相耦合的动力分析计算模型,海冰构造突出多年冰特色是后续研究的重要方向。其中,冲撞破冰工况下的冰载荷研究尤应重点关注。

通过模型试验或实船应力监测数据进行分析和反演,完善数值模拟中运动方程的准确性。我国自主研发“雪龙2”号应力监测系统的成功配备,使国内首次具备了破冰船极区冰载实时监测能力。后续观测年份的实测数据积累及相关冰载荷反演分析,必将对船-冰-水耦合数值模拟工作起到极好的检验和指导作用,推动相关技术成果向工程实用化方向进展,也必然成为下一阶段冰载荷研究工作的重中之重。

(3)关于冰区构件局部强度校核及对应优化设计就高等级破冰船型(PC2及以上)而言,单纯采用结构规范设计方法无法准确考虑结构在局部载荷下的塑性响应及载荷再分配、重复冲击冰载荷引起的结构塑性和疲劳损伤等问题。基于当前极地船级规范,尽管业界已认可在一定程度上适当利用结构塑性承载能力,然而,相关设计衡准并不明确。因此,基于非线性直接计算方法,考虑不同载荷工况条件,对破冰船撞击区域结构进行许用极限冰载荷分析,明确其极限承载力以及损伤后剩余强度是高冰级船型开发亟需解决的关键问题,也是当下国际研究的热点之一。



来源:《中国造船》   作者:中国船舶工业集团公司第708研究所 吴刚等 海洋油气网整理发布


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