樓偉鋒，董海波，胡嘉駿，劉俊杰

(1. 海軍裝備研究院，上海 200235；2. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

極地具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值，尤其是近年來，隨著全球氣候變暖、海冰加速融化，極地蘊(yùn)藏的豐富資源和極具價(jià)值的北極航道已進(jìn)一步將極地的潛在價(jià)值推到現(xiàn)實(shí)的高度。

北極問題實(shí)質(zhì)上是資源和航線問題，近年來，北半球的許多國家紛紛明確表示北極地區(qū)是該國戰(zhàn)略利益中至關(guān)重要的區(qū)域，并表示將采取一切必要手段來維護(hù)本國在這一地區(qū)的利益。對于中國來說，奉行防御型國策的前提下，無論從極地運(yùn)輸戰(zhàn)略角度考慮，還是從增強(qiáng)我國國際地位和發(fā)言權(quán)角度來考慮，設(shè)計(jì)并建造我國自己的極地水面艦船勢在必行。與此同時(shí)，為了保證極地水面艦船的安全，需要制定和實(shí)施相應(yīng)的極地水面艦船冰級規(guī)范。

為了確保民用極地船舶安全性，北極周邊國家紛紛制定和實(shí)施了相應(yīng)的冰級規(guī)范，根據(jù)不同冰級給出了冰載荷的大小、作用范圍和作用形式。冰級規(guī)范里面最重要的是芬蘭-瑞典冰級規(guī)范和國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范（IACS PC），世界上主要船級社（ABS，BV，DNV，LR，GL）也制定了各自冰級規(guī)范，中國船級社基于國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范，在《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中針對冰區(qū)船體加強(qiáng)給出了相應(yīng)規(guī)定。

本文基于國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范研究設(shè)計(jì)冰載荷計(jì)算的理論基礎(chǔ)，分析目前規(guī)范存在的不足，研究民用極地船舶規(guī)范對于極地水面艦船的適用性，分析開展極地水面艦船冰級規(guī)范研究的必要性，并指出其對應(yīng)的發(fā)展方向。

1 國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范

國際船級社協(xié)會(huì)發(fā)布了《IACS unified requirements for polar ships》，即極地冰級規(guī)范，對全球的海冰情況進(jìn)行了比較全面的描述，將船舶分為PC1-PC7七個(gè)冰級，并給出了詳細(xì)的計(jì)算冰載荷的公式[1]。

1.1 船體分區(qū)

劃分極地船舶的船體區(qū)域，以反映預(yù)期作用在這些區(qū)域上的載荷大小。在縱向上分為4個(gè)區(qū)域：首部區(qū)、首部過渡區(qū)、船中區(qū)和尾部區(qū)。首部過渡區(qū)、船中區(qū)和尾部區(qū)在垂向上進(jìn)一步分為底部區(qū)、下部區(qū)和冰帶區(qū)。

1.2 設(shè)計(jì)冰載

設(shè)計(jì)冰載由均勻分布在一長方形載荷作用板（高b和寬w）上的平均壓力Pavg表征。

所有極地船舶的首部區(qū)，以及極地船級PC6和PC7船舶的首部過渡區(qū)中的冰帶區(qū)范圍內(nèi)，冰載荷參數(shù)為實(shí)際首部形狀的函數(shù)。為確定冰載荷參數(shù)（Pavg，b和w），應(yīng)要求對首部區(qū)分區(qū)之中下列冰載荷特征參數(shù)：形狀參數(shù)fai，總的碰擦力Fi，線載荷Qi以及壓力Pi進(jìn)行計(jì)算。

式（1）–式（8）計(jì)算所得的設(shè)計(jì)冰作用力適用于首柱處縱剖面角為正值且小于80°，且首部過渡區(qū)中點(diǎn)處肋骨垂向角不大于10°的首部。

定義碰擦載荷特征的參數(shù)反映在船級因子之中，且列于表1。

表1 船級因子Tab. 1 Class factors

在首部區(qū)，與浮冰碰擦載荷情況有關(guān)的力F，線載荷Q，壓力P以及載荷板的長寬比AR是冰區(qū)高位水線處量得的船體角的函數(shù)。船體角的影響通過對首部形狀系數(shù)fa的計(jì)算得到，船體角的定義如圖1所示。

首部區(qū)的水線長度通常分成4個(gè)等長度的分區(qū)。應(yīng)對每個(gè)分區(qū)長度當(dāng)中位置處的力F、線載荷Q、壓力P以及載荷板的長寬比AR進(jìn)行計(jì)算（在計(jì)算冰載荷參數(shù)Pavg，b和w時(shí)，應(yīng)取F，Q和P的最大值）。

圖1 船體角的定義Fig. 1 Definition of hull angles

1）首部區(qū)載荷特征參數(shù)確定如下：

形狀系數(shù)

式中：

力

載荷板的長寬比

線載荷

壓力

2）船舶首部區(qū)，以及對于具有船級附加標(biāo)志為PC6和PC7船舶的首部過渡區(qū)的冰帶區(qū)，設(shè)計(jì)載荷板的寬度wBow以及高度bBow的尺寸如下：式中：FBow為首部區(qū)的最大力Fi，MN；QBow為首部區(qū)的最大線載荷Qi，MN/m；PBow為首部區(qū)的最大壓力Pi，MPa。

3）設(shè)計(jì)載荷板范圍內(nèi)的平均壓力Pavg按下式確定：

4）船體區(qū)因子

與各個(gè)船體區(qū)有關(guān)的區(qū)域因子反映了該區(qū)預(yù)期承受載荷的相對大小。各個(gè)船體區(qū)因子AF見表2，如果某一結(jié)構(gòu)件越過船體區(qū)的邊界，則應(yīng)使用最大的船體區(qū)因子確定構(gòu)件的尺寸。

表2 船體區(qū)因子Tab. 2 Hull area factors （AF）

2 理論模型研究

針對國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范，研究設(shè)計(jì)冰載荷計(jì)算、船級因子及船體區(qū)因子的理論基礎(chǔ)。

2.1 擠壓力分析

本文式（2）是基于快速碰撞的船冰作用工況得到的，其理論基礎(chǔ)為基于能量平衡原理的冰載荷理論模型[2]。

能量平衡方法認(rèn)為運(yùn)動(dòng)體的有效動(dòng)能耗散于浮冰的擠壓破碎和勢能。

其中：KEe為有效動(dòng)能；IE為浮冰擠壓能；PE為勢能。

浮冰擠壓能IE等于法向擠壓力Fn對法向擠壓位移δ所做的功，KEe與碰撞位置的有效質(zhì)量Me和法向速度Vn有關(guān)。勢能是耗散在可恢復(fù)過程中的能量，此處不考慮勢能，則有：

圖2 快速碰撞作用示意Fig. 2 Design scenario for the general glancing impact collision

其中：δ為浮冰法向擠壓位移；Fn為法向擠壓力；Me為有效質(zhì)量（Me=Mship/C0）；C0為質(zhì)量折減系數(shù)；Vn為法向速度（Vn=Vshipl）；l為方向余弦值。

針對快速碰撞的情況，給出簡化的碰撞接觸示意圖，如圖3所示。浮冰受擠壓后與船首接觸區(qū)域形狀近似為等腰三角形，定義該接觸區(qū)域的面積為A，該接觸區(qū)域的寬度W和高度H可以通過浮冰法向擠壓位移δ、法向剖面角β′和冰緣角φ等計(jì)算獲得：

根據(jù)冰壓力-面積關(guān)系[3]，平均壓力為：

圖3 接觸區(qū)域Fig. 3 Nominal contact geometry

擠壓力Fn為：

求得最大法向位移δm為：

簡化為：

用船的質(zhì)量Mship和船速Vship代替有效質(zhì)量Me和法向速度Vn則可以得到：

定義參數(shù)fa

擠壓力可以表示為：

考慮常數(shù)ex取值為–0.1，同時(shí)考慮接觸區(qū)域的形狀，取冰緣角φ=150°，則可以推導(dǎo)得到：

2.2 船級因子分析

本文表1的船級因子為計(jì)算設(shè)計(jì)冰載荷非常重要的參數(shù)。對比式（2）和式（21），可以得到：

同樣基于能量模型進(jìn)行推導(dǎo)分析，還可以得到：

式中：P0為冰的壓潰強(qiáng)度；σf為彎曲破壞強(qiáng)度。說明船級因子的值和冰的破碎強(qiáng)度、冰的彎曲強(qiáng)度、冰的厚度、船舶的載重量、撞擊速度等有關(guān)系。針對不同的冰級，船級因子是基于上述這些參數(shù)典型值計(jì)算得到，如表3所示[4]。

表3 典型參數(shù)和對應(yīng)的船級因子Tab. 3 Class parameters and factors

2.3 船體區(qū)因子分析

針對表2開展研究。

船體區(qū)因子反映了某船體區(qū)域預(yù)期承受載荷的相對大小，也一定意義上反映了區(qū)域要求的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)水平?；谠敿?xì)的船舶破損數(shù)據(jù)，加拿大和俄羅斯均對船體區(qū)因子開展了研究。

基于統(tǒng)計(jì)資料，可以確定在冰載荷作用下船舶首部、船中、尾部等不同位置區(qū)域發(fā)生破損事故的情況。同時(shí)根據(jù)一定的船舶尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定某一冰級條件下船體各個(gè)區(qū)域位置必需的板厚，將首部位置的板厚視作1，其他位置區(qū)域的板厚均除以首部區(qū)域的板厚轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例系數(shù)。船體區(qū)因子正是基于事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和計(jì)算得到比例系數(shù)來確定的。在船體區(qū)因子研究方面，首先加拿大提出了船體區(qū)因子的建議值（見表4），而后俄羅斯也提出了建議值（見表5）。

同時(shí)，加拿大和俄羅斯共同創(chuàng)建了研究性的團(tuán)體組織，針對船舶定義、船體分區(qū)、冰區(qū)航行規(guī)則等進(jìn)行討論以求達(dá)到一致的結(jié)果，盡管在一些方面獲得了統(tǒng)一的意見，但是并沒有獲得關(guān)于船體區(qū)因子的一致結(jié)果。對應(yīng)相同的冰級和相同的船體區(qū)域，兩者給出的值不完全相同。

1998年，加拿大和俄羅斯先后將各自提出的建議值提交IACS討論。1999年，在蒙特利爾會(huì)議上，IACS最終確定針對兩國提出的建議值若不相同則取平均值，同時(shí)要求所有的值為0.5的倍數(shù)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚玫奖?所示結(jié)果[7]。表6是確定表2對應(yīng)船體區(qū)因子的基礎(chǔ)。

表4 加拿大提出的船體區(qū)因子（＊＊表示不要加強(qiáng)）[5]Tab. 4 Canadian proposed hull area factors

表5 俄羅斯提出的船體區(qū)因子（＊＊表示不要加強(qiáng)）[6]Tab. 5 Russian proposed hull area factors

3 冰級規(guī)范不足分析

針對國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范，本文重點(diǎn)從設(shè)計(jì)冰載荷計(jì)算、船級因子和船體區(qū)因子3個(gè)方面分析了規(guī)范的理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究現(xiàn)有規(guī)范存在的不足。

1）船冰作用工況的局限性

國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范在研究冰載荷計(jì)算公式時(shí)主要針對船首部和船肩部的快速碰撞工況，對于其他船體區(qū)域的冰載荷（例如，船中部和船尾部），國際船級社協(xié)會(huì)IACS 極地冰級規(guī)范將其取為基于經(jīng)驗(yàn)和已有損壞測量數(shù)據(jù)的船首/肩部快速碰撞工況冰載荷的一定百分?jǐn)?shù)[1]。

表6 提出的船體區(qū)因子（＊＊表示不要加強(qiáng)）Tab. 6 Proposed hull area factors

實(shí)際上，除了快速碰撞外，船冰作用工況還主要有：船肩部發(fā)生反彈碰撞，船肩部發(fā)生楔形碰撞，船中部發(fā)生快速碰撞，船中部受到封閉擠壓，浮冰撞擊船中部產(chǎn)生壓力。不同的船舶與冰作用工況，船體受到的冰載荷可能不同。特別地，對于冰區(qū)雙向作業(yè)船舶來說，需要特別關(guān)注尾部破冰向前航行時(shí)遭受的冰載荷。

可以看出，目前規(guī)范考慮的船冰作用工況較少，存在一定的局限性。

2）冰壓力與面積關(guān)系分析

式（13）表征了冰壓力和面積之間的關(guān)系。

Kujala和Arughadhoss[8]基于試驗(yàn)結(jié)果研究獲得了包絡(luò)曲線，反映了接觸面積和冰壓力之間的關(guān)系，公式中取P0=0.42，ex=–0.52，在DNV規(guī)范中取ex=–0.5，國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范中取ex=–0.1，不同取值對應(yīng)的曲線存在差異[9]，本文給出如圖4所示結(jié)果。

不同的ex取值，計(jì)算得到的壓力偏差較大。國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范，在分析冰載荷計(jì)算公式時(shí)，P0的取值取決于不同的冰級要求，與Kujala和Arughadhoss基于試驗(yàn)分析得到的結(jié)果有一定的不同。

同時(shí)在進(jìn)行擠壓力計(jì)算時(shí)，式（19）中的冰緣角假定為定值，取φ=150°，則式（19）可以簡化為：

圖4 壓力-面積關(guān)系Fig. 4 Pressure-area curves

可以發(fā)現(xiàn)式（25）和式（1）有較大差別，這是因?yàn)镃0在實(shí)際計(jì)算時(shí)相對較復(fù)雜，所以規(guī)范采用了簡化公式。

經(jīng)過分析，可以發(fā)現(xiàn)規(guī)范給出的設(shè)計(jì)冰載荷計(jì)算公式一定意義上反映了結(jié)構(gòu)承受的載荷特性，但是其中一些參數(shù)的取值尚需要進(jìn)一步研究，特別是需要在基于冰力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上獲得準(zhǔn)確的冰壓力-面積關(guān)系。

3）船級因子修正

船級因子主要通過式（22）～式（24）計(jì)算得到。計(jì)算時(shí)，針對不同的冰級，航速、海冰特征冰厚等取典型值，計(jì)算獲得的船級因子如表3所示。對比表3和規(guī)范中表1的船級因子，可以發(fā)現(xiàn)存在不同，說明規(guī)范是基于公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正得到。

考慮到極地環(huán)境的復(fù)雜性、冰載荷可能造成的船體嚴(yán)重破壞等因素，船級因子對于準(zhǔn)確計(jì)算冰載荷非常重要，所以需要進(jìn)一步開展研究，獲得準(zhǔn)確的計(jì)算船級因子的方法或者相應(yīng)的修正船級因子的數(shù)據(jù)資料。

4）船體區(qū)因子修正

本文2.3節(jié)對規(guī)范中船體區(qū)因子進(jìn)行研究分析。

將表2和表6對應(yīng)的船體區(qū)因子進(jìn)行對比分析。表2中*對應(yīng)的數(shù)值為1.00，表6實(shí)際得到的值為0.80，進(jìn)行數(shù)值的修正主要基于兩方面原因：1）進(jìn)一步考慮了船舶破損方面的歷史資料；2）所有極地船舶的首部區(qū)，以及極地船級PC6 和PC7 船舶的首部過渡區(qū)中的冰帶區(qū)范圍內(nèi)，冰載荷參數(shù)為實(shí)際首部形狀的函數(shù)，實(shí)際上在PC6 和PC7冰級下，船舶高速航行時(shí)，冰帶區(qū)承受較大的冰載荷沖擊。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，加拿大和俄羅斯提出的船體區(qū)因子主要是基于極地船舶的歷史破損數(shù)據(jù)資料，同時(shí)考慮了航行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)的極地航行規(guī)則及極地船舶加強(qiáng)要求。而國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范是在加拿大和俄羅斯提出的船體區(qū)因子基礎(chǔ)上進(jìn)行修正獲得的，船體區(qū)因子的研究需要不斷深化，以獲得準(zhǔn)確的確定船體區(qū)因子的方法或者相應(yīng)的修正方法。

4 極地水面艦船冰級規(guī)范研究方向

目前國際上BV船級社和LR船級社已經(jīng)形成了針對極地水面艦船的冰級規(guī)范。

1）差異性分析

基于BV船級社的民船規(guī)范《Rules for the classification of steel ships》[10]和軍船規(guī)范《Rules for the classification of military ships》[11]，開展規(guī)范的差異性分析。

2種規(guī)范在冰級定義上相同，均使用IAS，IA，IB，IC，ID的冰級劃分；在計(jì)算推進(jìn)器輸出功率時(shí)，2種規(guī)范給出了不同的公式，軍船規(guī)范針對IB和IC冰級要求給出了計(jì)算最小許用功率的公式，同時(shí)針對IAS和IA的冰級要求給出了不同的計(jì)算最小許用功率的公式，而民船規(guī)范僅給出一種計(jì)算公式；計(jì)算設(shè)計(jì)冰壓力的公式相同，但是在具體參數(shù)的定義方面2種規(guī)范存在差異；2種規(guī)范在計(jì)算冰帶區(qū)內(nèi)舷側(cè)縱桁及冰帶外舷側(cè)縱桁對應(yīng)的剖面模數(shù)和截面面積時(shí)給出了不同的計(jì)算公式。

同時(shí)基于LR船級社的規(guī)范《Rules and regulations for the classification of ships》[12]和《Rules and regulations for the classification of naval ships》[13]開展規(guī)范的差異性分析。

軍船規(guī)范定義的冰級劃分為Ice Class 1AS，Ice Class 1A，Ice Class 1B，Ice Class 1C， 且該4種冰級均為當(dāng)年冰的冰況，在民船規(guī)范中給出了更詳細(xì)的劃分并定義冰級符號，針對非常輕微的冰況定義了Ice Class 1D和Ice Class 1E冰級，針對當(dāng)年冰的冰況考慮了一般功率輸出的情況和增強(qiáng)的功率輸出以提高破冰能力的情況，針對多年冰況，規(guī)范主要使用國際船級社協(xié)會(huì)冰級規(guī)范的公式來計(jì)算冰載荷；軍船規(guī)范和民船規(guī)范在船體區(qū)域劃分上存在不同，同時(shí)針對浮冰帶區(qū)域板厚、骨材剖面模數(shù)等的計(jì)算公式也存在不同。

2）極地軍船冰級規(guī)范發(fā)展分析

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)際用途和結(jié)構(gòu)布置方面等的差異，極地一般民用船舶和軍船在冰區(qū)加強(qiáng)要求、設(shè)計(jì)冰壓力、推進(jìn)器輸出功率等方面存在差異，所以在設(shè)計(jì)與建造極地水面艦船之前需要首先形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

雖然我國已建造完成了極地科考船，同時(shí)基于國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范，相應(yīng)地也形成了針對極地船舶的相關(guān)加強(qiáng)規(guī)定，但是到目前為止沒有形成針對極地水面艦船的冰級規(guī)范，需要在現(xiàn)有民船極地冰級規(guī)范基礎(chǔ)上，積極開展極地水面艦船冰級規(guī)范研究。具體到冰載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方面，主要考慮以下內(nèi)容：

1）基于極地水面艦船快速性、靈活性、極限承載能力、結(jié)構(gòu)破損后剩余強(qiáng)度要求及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的要求等，考慮極地海冰、低溫等環(huán)境因素，研究目前冰載荷規(guī)范理論對于極地艦船結(jié)構(gòu)的適用性；

2）通過本文分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的民船冰級規(guī)范在考慮船冰作用工況、擠壓力計(jì)算、船級因子及船體區(qū)因子等方面尚存在不足，在開展極地水面艦船冰級規(guī)范研究時(shí)，需要在這些方面繼續(xù)不斷深化研究；

3）極地雙向作業(yè)是很重要的發(fā)展方向，通過開展冰載荷計(jì)算、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、船體結(jié)構(gòu)分區(qū)等研究，形成針對極地雙向作業(yè)水面艦船的規(guī)范。

5 結(jié) 語

本文重點(diǎn)對現(xiàn)有的國際船級社協(xié)會(huì)極地冰級規(guī)范進(jìn)行研究，分析了目前規(guī)范的不足之處，同時(shí)研究了民船規(guī)范和軍船規(guī)范之間存在的差異，考慮到目前我國沒有形成完整的針對極地水面艦船的冰級規(guī)范，現(xiàn)有的民船規(guī)范仍然有非常重要的借鑒意義，在開展極地水面艦船冰級規(guī)范研究時(shí)，首先針對性地解決現(xiàn)有民船極地冰級規(guī)范存在的問題，在充分研究極地環(huán)境條件、水面艦船作戰(zhàn)要求及水面艦船航行性能基礎(chǔ)上，研究獲得針對極地水面艦船的冰級規(guī)范。