王燕舞，徐義剛，吳 俊，曾 佳，宋 揚(yáng)

(中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

0 引 言

由于受到俄羅斯北極地區(qū)油氣資源開采步伐的加快，以及氣候變化導(dǎo)致“北方航線”（Northern Sea route，NSR）通航可能性的增加等諸多利好因素影響，近年來，相關(guān)極地航行船舶包括高等級破冰船、破冰運(yùn)輸船等船型的研發(fā)、設(shè)計與建造正方興未艾，相應(yīng)地平臺供應(yīng)/守護(hù)船、極地科考船等特殊船型的需求也在持續(xù)增加。

與常規(guī)敞水航行船舶相比，極地航行船舶在總縱強(qiáng)度評估、外板及其附連內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計等有其特殊之處。目前國內(nèi)對此方面的研究尚處于起步階段，值得進(jìn)一步研究探討。

部分船級社冰區(qū)規(guī)范，除普遍引用芬蘭-瑞典冰級規(guī)則（Finnish Swedish Ice Class Rules）外，由于歷史沿革，還存有獨(dú)立發(fā)展、自成體系的冰區(qū)/極地船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范。如美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS），原挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV），英國勞氏船級社（Lloyd’s Register，LR），俄羅斯船級社（Russian Maritime Register of Shipping，RMRS）等。

而對于極地航行船舶的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，IACS 已形成有效決議，即UR I1～I(xiàn)3，合同建造日期在2008 年3 月及其后的船舶均需予以遵循。為方便船東起見，IACS POLAR CLASS 采用WMO 解釋，對各冰級（PC1～PC7）對應(yīng)的海冰形態(tài)作直觀描述。其與各冰級對應(yīng)的冰載荷確定、冰帶加強(qiáng)區(qū)域、具體加強(qiáng)要求等已自成體系、較為完備。目前，各主要船級社規(guī)范基本上予以完全引用，在部分船級符號形式（如破冰船）、個別具體條文上略有補(bǔ)充/區(qū)別。

除RMRS 規(guī)范兩者并行外，其余大部分船級社已將IACS PC 規(guī)范整合作為自身規(guī)范的一部分，并取代原有的極地冰級符號。如ABS，DNV-GL 等。

盡管如此，各船級社原有冰級規(guī)范體系完備、各具特色，從規(guī)范發(fā)展沿革與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的角度出發(fā)，還是具備較大的研究價值，值得進(jìn)行充分探討。因此，有必要比較不同規(guī)范環(huán)境下典型構(gòu)件尺度的差異，以確定構(gòu)件主要影響參數(shù)及敏感性。同時也可對船東在根據(jù)船舶服務(wù)航區(qū)選擇適宜的冰級時，提供結(jié)構(gòu)方面的參考。

根據(jù)上述背景，本文首先對上述幾類極地冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)規(guī)范的載荷定義、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)原則等作扼要介紹與評述。以中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院（Marine Design & Research Institute of China，MARIC）研發(fā)的某型PC3 冰級、排水量萬噸級極地科考船（以下簡稱“目標(biāo)船型”）為主要算例，結(jié)合國內(nèi)外類似極地船型相關(guān)數(shù)據(jù)，通過比較分析，就極地船型結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)性問題，如總縱強(qiáng)度評估、功率估算、低溫環(huán)境結(jié)構(gòu)選材設(shè)計等展開討論，闡明極地船型結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計要點(diǎn)，重點(diǎn)評估冰級（破冰厚度）、主要船型參數(shù)（排水量、船寬、肋距等）、腐蝕/磨蝕余量等因素對外板尺度的影響，供實(shí)船優(yōu)化設(shè)計參考。

1 各冰級規(guī)范載荷定義簡介

冰載荷的簡化定義是結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍確定、構(gòu)件尺寸計算的先決性條件。目前各主要極地冰區(qū)規(guī)范的設(shè)計冰載荷大致為基于彈塑性理論，結(jié)合各類模型試驗(yàn)與實(shí)船檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析得出的半經(jīng)驗(yàn)公式，在具體載荷類型、計算原理、載荷大小、載荷影響參數(shù)、施加范圍等方面各有不同。

1.1 IACS 極地船級（Polar Class）

IACS URI2 將船體在縱向上劃分為兩大部分：首部區(qū)與非首部區(qū)（含首部過渡區(qū)、船中區(qū)、尾部區(qū)，而各區(qū)在垂向上進(jìn)一步細(xì)分為冰帶區(qū)、下部區(qū)、底部區(qū)）。如圖1 所示。

其設(shè)計冰載由一假想的矩形設(shè)計冰載荷板（b×w）上的均布壓力Pavg表示。其中，非首部區(qū)設(shè)計載荷板長寬比（w/b）設(shè)定為3.6，通過計算各分區(qū)集中力FNonBow、線載荷QNonBow，以決定載荷板參數(shù)。艏部區(qū)則應(yīng)按水線長度進(jìn)一步劃分為4 個子區(qū)，通過分別計算各子區(qū)中心處集中力F、線載荷Q、面壓力P 及受載板長寬比AR，以確定設(shè)計載荷板參數(shù)b，w，Pavg。

該規(guī)范重視船首受浮冰擦碰的作用影響，將其作為主要結(jié)構(gòu)設(shè)計工況。在計及船長、排水量、船體外形（水線角、縱剖面角、肋骨角、肋骨垂向角等）等影響的同時，引入反映浮冰擦碰特性的船級因子進(jìn)行計算。

圖 1 極地船級船體區(qū)域劃分示意圖[1]Fig. 1 Hull area extents for POLAR CLASS ships[1]

而該船級因子為與各冰級（PC1～PC7）相對的常數(shù)，包含壓潰失效（CFC）、撓曲失效（CFF）、載荷板尺寸（CFD）、排水量（CFDIS）、總縱強(qiáng)度因子（CFL）等多個分項。

除局部強(qiáng)度外，對總縱強(qiáng)度的考慮則通過計算首部垂向設(shè)計冰作用力確定垂向設(shè)計冰作用彎矩和剪力。該作用力同樣與船首型式、船級因子等有關(guān)。

1.2 ABS 原破冰船規(guī)范

ABS 根據(jù)船舶類型（破冰船、非破冰船），所服務(wù)航區(qū)的冰情、進(jìn)入時限的不同，是否需高于自身等級的破冰船輔助作業(yè)等，將船舶冰級劃分為Ice Class A1～A5，A0～D0等9 個等級，其中Ice Class A2～A5專用于極地水域、多年冰破冰船[2]。

將設(shè)計冰載荷簡化為面壓力P，與IACS URI2 類似，同樣按作用區(qū)域劃分為船首區(qū)和其余冰帶區(qū)，具體劃分及位置參數(shù)略。

首部區(qū)載荷與其冰級、首部外形（水線角、縱剖面角等）、排水量、推進(jìn)功率、海冰參數(shù)等相關(guān)。其余冰帶區(qū)載荷則在此首部載荷基礎(chǔ)上根據(jù)其位置、冰級的不同，乘以相應(yīng)的折減系數(shù)。

1.3 原DNV Polar&Ice 船級

DNV 針對極地水域航行及執(zhí)行破冰服務(wù)船舶同樣有其完備的高等級冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范。該規(guī)范通過名義海冰強(qiáng)度σice、名義層冰厚度hice雙參數(shù)定義冰級，而對專用破冰船還進(jìn)一步設(shè)定了其最小設(shè)計沖撞破冰速度。其中Ice 船級適用于含冰脊冬季當(dāng)年冰，Polar船級對應(yīng)于含冰脊及多年冰夾雜的冬季冰[3]。

相比而言，DNV Polar 與Ice 系列船級更關(guān)注目標(biāo)航區(qū)海冰的理化性能，將其視為冰級定義的依據(jù)，并作為載荷計算、結(jié)構(gòu)尺寸計算的直接輸入?yún)?shù)。

重點(diǎn)考察破冰任務(wù)實(shí)際工作狀態(tài)，在劃分冰帶載荷作用區(qū)域的同時，按其作用類型不同，將載荷劃分為首部沖擊垂向載荷PZR及其產(chǎn)生的垂向加速度av、首部區(qū)斜向撞擊力POI、船首沖灘力PZB、船中區(qū)擠壓線性載荷q、局部冰壓Po等。

而實(shí)際計算載荷相關(guān)系數(shù)又與各自的冰級、撞擊破冰動能、水線角、縱剖面角、肋骨角、水線面面積、型寬、船長、排水量、海冰強(qiáng)度等因素相關(guān)。

1.4 RMRS Ice&Arc，Icebreaker 船級

RMRS 規(guī)范對各冰級船型在有無破冰船輔助情況下，具體可進(jìn)入海域、通航季節(jié)做出了詳盡規(guī)定。針對各船型線型參數(shù)，特別是對破冰船而言，就首柱角、肋骨角范圍等，按冰級、船體縱向位置不同，提出了較為具體的規(guī)定，并在設(shè)計冰載荷的計算上予以體現(xiàn)[4]。

其船體區(qū)域劃分思路、設(shè)計冰載荷形式與IACS PC 相近，但具體區(qū)域劃分定位點(diǎn)與線型特征結(jié)合更為緊密。而垂向范圍更進(jìn)一步細(xì)分為：冰帶區(qū)I、過渡區(qū)II、舭部區(qū)III、平底區(qū)IV。各縱向區(qū)域冰帶區(qū)載荷大致與排水量因子（）成正比，但計算式側(cè)重點(diǎn)各不相同，其中首部/首部過渡區(qū)域均布載荷計算引入船型因子υm（由計算位置處水線角α 及肋骨角β 確定）。

上述規(guī)范在冰級定義形式與具體參數(shù)、冰載荷計算原理與簡化處理方式、冰帶范圍劃分等方面都存在著一定的差異，各具特色。

其中，IACS PC 船級重視船首受浮冰擦碰作用影響，引入船級因子概念，各子區(qū)帶劃分較為嚴(yán)密。將冰載荷簡化為矩形設(shè)計載荷板上的均布力，載荷參數(shù)較為簡化（b，w，Pavg）。但由于這些參數(shù)設(shè)定為船級因子與船體外形的函數(shù)，其實(shí)際計算過程，尤其是首部各子區(qū)的計算較為繁雜；ABS 相對而言略為簡化，冰載荷直接簡化為均布力；將首部區(qū)載荷作為基準(zhǔn)載，其余各區(qū)載荷在此基礎(chǔ)上一定折減；DNV 將載荷形式與實(shí)際破冰工況相結(jié)合，物理意義明晰，理解與使用上較為直觀。而RMRS 則對各冰級可進(jìn)入海區(qū)/季節(jié)作了詳盡規(guī)定，明確限制各船體區(qū)域線型角度范圍，更便于船東冰級選擇及設(shè)計參數(shù)選取。

2 極地船型結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)性問題討論

本節(jié)以MARIC 研發(fā)的某型PC3 冰級、萬噸級排水量極地科考破冰船（以下簡稱“目標(biāo)船”）為例，重點(diǎn)對極地船型結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)性問題，即總縱強(qiáng)度評估、功率需求、低溫環(huán)境下構(gòu)件材料選型原則等方面展開討論，總結(jié)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)注點(diǎn)。

2.1 總縱強(qiáng)度計算考慮

與常規(guī)敞水航行船舶相比，極地船型總縱強(qiáng)度評估特殊之處源于兩個方面，即船型主尺度與破冰工況的特殊性。前者可能要求波浪載荷采用直接計算方法，與常規(guī)按規(guī)范計算值有所區(qū)別，這在科考船/破冰船等船型設(shè)計中尤為明顯；后者需核算垂向設(shè)計冰作用彎矩/剪力數(shù)值對總縱強(qiáng)度影響。

2.1.1 特殊船型對波浪載荷計算的影響

綜合性科考船因其科考任務(wù)剖面復(fù)雜，要求較大的甲板作業(yè)面積及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室/住艙面積，長寬比（L/B）一般較小。同時，破冰船的冰區(qū)回轉(zhuǎn)性能指標(biāo)對長寬比也有類似限制。因此，具備一定破冰能力的極地科考船L/B 大致在4～5 之間，已超出波浪載荷規(guī)范計算公式的適用范圍。表1 為部分國內(nèi)外極地科考船統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表 1 部分國內(nèi)外極地科考破冰船L/B 參數(shù)對比Tab. 1 L/B comparison list of several polar research vessels

因此，此類船型的波浪載荷一般應(yīng)由直接計算確定。其大致分析流程為：首先建立船體的三維濕表面模型和質(zhì)量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計算作用在船體上的流體動力，獲得波浪誘導(dǎo)的船體剖面剪力和彎矩載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)。進(jìn)而，對船體波浪剪力和彎矩載荷進(jìn)行預(yù)報。而長期海況，對于無限航區(qū)船舶，一般取為北大西洋波浪散布圖，概率水平取為10–8。

2.1.2 冰區(qū)作業(yè)工況下的總縱強(qiáng)度影響評估

基于其破冰工作原理及首部特殊線型設(shè)計，破冰船實(shí)際破冰進(jìn)程中船首區(qū)域?qū)⒉糠殖鏊M(jìn)至冰面之上，利用重力壓潰冰層。設(shè)計過程中，除應(yīng)考慮該狀態(tài)下船體騎冰狀態(tài)穩(wěn)性外，船體結(jié)構(gòu)的安全性同樣應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

一方面，應(yīng)通過加厚首柱板、密集設(shè)置內(nèi)部支撐構(gòu)件等手段保證船體撞擊/上灘區(qū)域的局部強(qiáng)度安全；另一方面，該工況實(shí)際在船體首部施加了一垂向首部上灘力（Beaching force），對總縱強(qiáng)度的影響亦不可忽略。

冰區(qū)作業(yè)工況下總縱強(qiáng)度校核，應(yīng)以垂向設(shè)計冰致彎矩/剪力替代波浪彎矩/剪力，與靜水載荷疊加/組合，與船長范圍內(nèi)相應(yīng)位置的許用彎矩/剪力作比較。

垂向設(shè)計冰致彎矩/剪力數(shù)值大小與冰級、首部線型特征等密切相關(guān)。圖2（a）為基于目標(biāo)船型，DNV Polar10（上灘、沖撞工況）、IACS PC2/PC3、中垂工況波浪彎矩沿船長方向分布情況對比，圖2（b）為剪力分布情況對比。

圖 2 各規(guī)范環(huán)境垂向設(shè)計冰載荷與波浪載荷對比Fig. 2 The contrast of design vertical ice bending moment and design vertical ice shear force for various class requirements

就目標(biāo)船冰級（PC3）、船型尺度而言，垂向冰致彎距量級與波浪彎距基本相當(dāng)，但沿船長分布情況應(yīng)適度留意；加之目標(biāo)船在0.7 L 左右（首部過渡區(qū)）設(shè)有一大開口貨艙，因此，實(shí)際設(shè)計過程中，該處首樓甲板開口區(qū)域構(gòu)件需進(jìn)行適度補(bǔ)強(qiáng)。

而對PC2 級及以上重型破冰船而言，冰致彎距/剪力遠(yuǎn)超波浪彎距/剪力，已成為最上層連續(xù)甲板、內(nèi)殼縱艙壁頂板等縱向強(qiáng)力構(gòu)件的主要控制因素之一。

2.2 破冰功率影響因素討論

破冰功率需求是極地船型載荷計算與結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計的關(guān)鍵性影響因素，其中ABS 極地破冰船規(guī)范更是通過破冰功率及肋距2 個變量直接決定船中區(qū)外板計算厚度。

以LR，ABS，DNV 相關(guān)規(guī)范環(huán)境為例，各規(guī)范要求破冰功率的計算方法、參數(shù)等不盡相同，但總體而言，在破冰等級相近的情況下，各公式計算得出的數(shù)值基本一致。其中，LR 原AC 船級適用于擬在北極或南極冰區(qū)中相當(dāng)于具有1.0～3.0 m 厚度的未破冰層中航行的船舶。

通過實(shí)例對比計算可知，冰級（冰層厚度）與船寬是破冰功率計算的主要影響因素，相比較而言，船長、吃水、排水量等因素的權(quán)重較輕。

圖3 和圖4 分別列出了上述規(guī)范環(huán)境下，基于所討論船型，破冰功率隨冰級（層冰厚度）、船寬的變化趨勢。其中，DNV Ice&Polar，ABS A2～A5船級功率需求隨船寬變化趨勢相對較緩，為船型設(shè)計帶來相對較大的靈活性。

圖 3 破冰功率隨冰級（冰厚）變化趨勢Fig. 3 Trend line of engine output with ice class

圖 4 破冰功率隨船寬變化趨勢Fig. 4 Trend line of engine output with breadth

2.3 低氣溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)選材設(shè)計

低氣溫是極地環(huán)境重要特征，極地船型結(jié)構(gòu)選材設(shè)計應(yīng)對此予以充分考慮。所應(yīng)遵循的相關(guān)規(guī)范條文大致如下：

1）各船級社入級規(guī)范原有針對暴露于低氣溫下的船體結(jié)構(gòu)用鋼的要求，大致出于IACS URS6（Use of steel grades for various hull members）相關(guān)條文，如CCS《鋼規(guī)》第2 篇1.3.4 節(jié)低溫下材料要求等。

2）Polar Code 含針對冰區(qū)加強(qiáng)原則性意見，無明確的對應(yīng)溫度設(shè)計要求。但極地航行船舶需滿足IACS URI 相關(guān)規(guī)定。

3）全球范圍內(nèi)極地/寒區(qū)營運(yùn)船舶的需求呈明顯增加趨勢，各主要船級社也相繼推出了低氣溫環(huán)境下的附加標(biāo)志，其中結(jié)構(gòu)部分設(shè)立船體獨(dú)立/附加標(biāo)志，規(guī)定了對應(yīng)溫度定義下的不同類型構(gòu)件的選材要求，如LR Winterization H（T）、CCS 船體防寒標(biāo)志H（DST）等。

此外，設(shè)計中還應(yīng)計及船東額外要求以及預(yù)計營運(yùn)/通行海域的某些特殊要求，如美國海岸警備隊相關(guān)要求等。

各類規(guī)范之間互為補(bǔ)充，相互涵蓋，但在設(shè)計溫度定義（見圖5）、樣本觀測周期、適用范圍、具體鋼級選定等方面，各規(guī)范條文范圍有所區(qū)別，又有所重疊。因此，有必要深入剖析其內(nèi)在涵義，分析異同，以建立安全可行的選材設(shè)計實(shí)施方案。在實(shí)際選材過程中，應(yīng)綜合考慮構(gòu)件類型、板材厚度、設(shè)計服務(wù)溫度等確定構(gòu)件材質(zhì)，如圖6 所示。

表2 為CCS，LR 防寒附加標(biāo)志及Polar Code（IACS UR I）材料相關(guān)規(guī)范條文對比。以材料等級III 為例，在各規(guī)范體系要求設(shè)計溫度定義下，其具體鋼級選取要求對比如表3 所示。

圖 5 溫度定義示意[5]Fig. 5 The definition graphic of air temperature[5]

圖 6 低氣溫環(huán)境規(guī)范要求與選材設(shè)計示意Fig. 6 Cold requirements and material selection diagram under low temperature environment

表 2 極地船冰區(qū)和防寒特殊要求整理對比表Tab. 2 Comparison list of various class requirements for ice and cold operations

可知，船體防寒附加標(biāo)志系單獨(dú)針對船體結(jié)構(gòu)，不涉及設(shè)備等因素。因所針對溫度定義不同，同一設(shè)計在不同規(guī)范環(huán)境下取得的船體附加標(biāo)志的溫度數(shù)值是不同的，如CCS H（–33 ℃）與LR Winterisation（–40 ℃）材料要求是基本一致的。

除極個別板厚范圍需升檔外，PC1～PC3 級材料要求與CCS 防寒附加標(biāo)志設(shè)計溫度–39°C～–48°C 材料要求是基本相適應(yīng)的。因此，在基本不額外增加鋼材成本的情況下，PC1～PC3 級船型可進(jìn)一步申請對應(yīng)寒區(qū)附加標(biāo)志，如CCS H（–48 ℃），LR Winterisation H（–55 ℃）等。

3 冰區(qū)加強(qiáng)構(gòu)件尺度影響因素分析

由于在冰級定義、冰載荷簡化、冰區(qū)加強(qiáng)范圍劃分等方面的差異，各規(guī)范環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體影響因素及權(quán)重也有所差異。有必要通過實(shí)例計算進(jìn)行比較分析，以定性確定其主要影響因素，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

以目標(biāo)船型主尺度、關(guān)鍵性能/船型參數(shù)為參考，適當(dāng)變換目標(biāo)參數(shù)，如破冰厚度、肋距、船寬等，考察各規(guī)范環(huán)境下其相應(yīng)影響程度。有關(guān)船型參數(shù)見表4。

3.1 冰級影響

以船中區(qū)冰帶外板厚度計算為例，該處外板承受船中及壓力（線載荷），厚度由局部強(qiáng)度決定，基本上由肋距、載荷、腐蝕余量決定。

表 3 目標(biāo)船型材料選擇適用規(guī)范條文對比表（以材料級別III 為例）Tab. 3 Comparison list of the applicable code for material selection（Material Class III）

表 4 目標(biāo)船船型參數(shù)Tab. 4 Hull parameters of the object vessel

圖7 分別列出了前述船型尺度下，船級依次取為IACS PC1～PC7，ABS A2～A5，DNV ICE-05～I(xiàn)CE-15，Polar-10～Polar- 30 時，相應(yīng)的船舯區(qū)外板計算厚度以及IACS PC 船艏區(qū)外板計算厚度對比。具體計算式及參數(shù)見文獻(xiàn)[1–3]。

可知，冰級是船體冰區(qū)加強(qiáng)要求制訂與實(shí)施的先決性條件，直接決定了載荷的范圍，進(jìn)而對船舶結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)尺寸、功率需求等產(chǎn)生決定性影響。隨著破冰等級的升高，相應(yīng)的功率需求、構(gòu)件尺寸也隨之呈指數(shù)性增長趨勢。

圖 7 各船級冰區(qū)外板厚度對比Fig. 7 Shell plate thickness in midship for various class requirements

3.2 肋距（骨材間距）影響

而關(guān)于肋距（骨材間距）的影響，無疑，隨著肋距的增大，在同等冰載荷作用下，相應(yīng)板厚需求也將大幅升高。

圖 8 各船級船中區(qū)外板厚度隨肋距變化趨勢Fig. 8 Midship shell thickness versus frame spacing

圖 9 各船級船首外板厚度隨肋距變化趨勢[6]Fig. 9 Bow shell thickness versus frame spacing[6]

圖8 和圖9 顯示了在肋距自0.25 m 逐步增大，ABS A2&A3 船級、DNV Polar-10 船級、IACS PC2～PC4 船級船中冰帶處外板厚度變化趨勢。

與ABS A2～A5 及DNV Polar 船級的近似指數(shù)型增加趨勢相比，IACS PC 船級所要求的船中區(qū)冰帶外板厚度對肋距變化的敏感度較低。這就為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計中肋距的選擇與調(diào)整提供了相對更大的空間。

與John A. Springer III 等得出的IACS PC5 級5000 噸級平臺供應(yīng)船船首板厚[6]與肋距關(guān)系曲線（見圖9）相比，其趨勢、結(jié)論是基本一致的。

3.3 排水量因素影響

基于前述算例，取肋距0.4 m，近似等效冰級IACS PC3 船中區(qū)與首部區(qū)，ABS A2船中區(qū)外板板厚隨排水量增加變化趨勢如圖10 所示。

圖 10 各船級外板厚度隨排水量增加變化趨勢Fig. 10 Shell thickness versus displacement

可知，基于IACS PC 和ABS 相關(guān)規(guī)范，排水量因素對構(gòu)件尺度的影響雖相對較小，但亦不可忽略。與船中區(qū)域外板相比，排水量增大對首部區(qū)外板板厚影響相對較為明顯。

而DNV 冰區(qū)規(guī)范冰載荷與構(gòu)件尺度不涉及排水量大小的影響，這是其與IACS PC 和ABS 規(guī)范之間的較大差異。

3.4 外板磨蝕/腐蝕裕量影響

此外，由于船舶冰區(qū)航行作業(yè)時，冰帶外板腐蝕/磨蝕裕量的選取同樣對冰帶外板厚度產(chǎn)生較大影響。圖11 為波羅的海區(qū)域冰區(qū)船舶檢測相關(guān)照片[7]。

圖 11 受浮冰擠壓/擦碰作用船中區(qū)外板[7]Fig. 11 Bilge Shell plate under collision and friction[7]

充分考慮到浮冰擦碰引起的外板損傷，IACS URI2與ABS 規(guī)范對冰區(qū)船舶的外板腐蝕/磨蝕裕量都做出了具體規(guī)定，該裕量數(shù)值大小與船舶冰級、位置、腐蝕防護(hù)程度等有關(guān)，其數(shù)值大小也遠(yuǎn)大于非冰區(qū)船舶腐蝕裕量。如IACS PC1～PC3 級首部外板在未采取有效保護(hù)措施的情況下，腐蝕/磨蝕裕量取為7 smm；ABS A3～A5級冰帶處外板不論有無有效防護(hù)措施，均取6 mm 裕量。具體參見相關(guān)規(guī)范條文。而DNV 相關(guān)規(guī)范則略有不同，其并未對冰區(qū)船舶外板腐蝕作特殊規(guī)定，而是在外板計算公式中適當(dāng)予以考慮，以體現(xiàn)冰帶外板惡劣環(huán)境特點(diǎn)。

3.5 骨材設(shè)計影響因素

基于目標(biāo)船型，文獻(xiàn)[8]通過實(shí)際算例對比分析，重點(diǎn)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(shè)計的影響。在此基礎(chǔ)上，展開船中區(qū)冰帶骨架系統(tǒng)進(jìn)行多方案對比研究，并得出：橫骨架式布置在冰帶結(jié)構(gòu)重量控制方面有其優(yōu)勢的結(jié)論。

3.6 強(qiáng)構(gòu)件尺寸的確定

關(guān)于船體冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)校核及承載能力分析，已有較多國內(nèi)外學(xué)者展開了研究。Kwon 等[9]基于彈性理論研究在冰船冰相互作用工況下LNG 船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；WANG 等[10]基于FSICR 研究了冰載荷作用下冰帶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，重點(diǎn)研究舷側(cè)外板和肋骨的塑性變形以及舷側(cè)縱桁的屈曲強(qiáng)度；Dolny 等[11]分析了不同骨架型式船舶在冰壓下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；ABS 冰級指南根據(jù)FSICR，對大型縱骨架式船舶在冰載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了研究[12]；齊奎利等[13]對某艘北極油輪縱骨架式外板與舷側(cè)縱骨的極限強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

在極地船型實(shí)際設(shè)計過程中，依據(jù)規(guī)范要求，極地船型強(qiáng)肋骨、冰帶縱桁等強(qiáng)構(gòu)件尺寸應(yīng)基于有限元計算確定。所施加載荷為規(guī)范荷載（虛擬冰載荷板），施加位置為剪切和彎曲組合效應(yīng)下結(jié)構(gòu)承載能力最薄弱的位置處，如圖12 所示。

4 結(jié) 語

本文在對幾類極地船冰區(qū)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)規(guī)范的載荷定義、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)原則等進(jìn)行了扼要述評之后，基于MARIC研發(fā)的某型PC3 冰級、排水量萬噸級極地科考船，通過實(shí)船算例對比分析，對總縱強(qiáng)度評估、功率估算、低溫環(huán)境結(jié)構(gòu)選材等設(shè)計基礎(chǔ)問題進(jìn)行討論，重點(diǎn)評估了冰級、主要船型參數(shù)（排水量、船寬、肋距等）、腐蝕/磨蝕余量等因素對外板尺度的影響。并得出如下相關(guān)結(jié)論：

圖 12 某PC3 級極地科考船冰帶局部強(qiáng)度計算模型與加載、變形示意Fig. 12 The FEM model and local deformation under design ice loads of a PC 3 research vessel

1）極地船型總縱強(qiáng)度評估應(yīng)注意冰致彎距影響。就目標(biāo)船冰級（PC3）、尺度而言，垂向冰致彎距/建立量級與波浪彎距基本相當(dāng)，但沿船長分布情況應(yīng)適度留意。對PC2 級及以上重型破冰船而言，冰致彎距/剪力系最上層連續(xù)甲板、內(nèi)殼縱艙壁頂板等縱向強(qiáng)力構(gòu)件的主要控制因素。

2）低氣溫環(huán)境選材設(shè)計應(yīng)特別關(guān)注不同船級符號體系下溫度定義的區(qū)別，在鋼料成本基本不變的前提下，PC 船型可考慮進(jìn)一步申請對應(yīng)寒區(qū)附加標(biāo)志。

3）冰級與船寬是影響破冰功率需求的關(guān)鍵參數(shù)。冰級與肋距（骨材間距）是影響外板板厚的主要因素，而排水量因子影響權(quán)重相對較?。籌ACS PC 規(guī)范計算構(gòu)件尺度對肋距變化敏感度相對略低，允許的肋距選取樣本空間可適當(dāng)放寬，對結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化設(shè)計較為有利。