李想，李紅霞，黃一

大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

0 引 言

隨著全球氣候變暖，北極海冰加速融化，夏季出現(xiàn)了可常規(guī)通航水域。在經(jīng)濟(jì)全球化、區(qū)域一體化不斷深入發(fā)展的背景下，北極在戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)、科研、環(huán)保、航道、資源等方面的價(jià)值不斷提升，北極航道和資源的開(kāi)發(fā)利用能夠?qū)χ袊?guó)的能源戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。冰區(qū)核電平臺(tái)作為極區(qū)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)和重要的能源供應(yīng)工程裝備，能提供充足穩(wěn)定的能源[1]，盡管核能可能存在潛在的安全隱患，但由于其是最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的可用能源之一，具有無(wú)法替代的特殊地位[2]，因此，提高核電平臺(tái)的安全性與可靠性意義非凡。核電平臺(tái)的應(yīng)用前景廣闊，其相關(guān)問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備意義重大。

海上核電平臺(tái)目前提出了駁船式、重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)式、下沉式和圓柱式4 種概念，前二者應(yīng)用于近岸淺水，后二者適用于100 m 的水深。在該方面，俄羅斯已走在世界前列，2007 年，其駁船式核電站“羅蒙諾索夫”號(hào)開(kāi)始建造，這是世界上首座海上核電站，預(yù)計(jì)2019 年年底開(kāi)始為俄遠(yuǎn)東地區(qū)供電。韓國(guó)開(kāi)發(fā)了重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)式核電站，法國(guó)研發(fā)了Flexblue 下沉式核電站[3]。美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了海上浮動(dòng)核電平臺(tái)（OFNP）概念，其通過(guò)系泊裝置固定在近岸，可避免地震與海嘯的影響[4]，同時(shí)還對(duì)其在相應(yīng)海洋環(huán)境下的安全性進(jìn)行了評(píng)估[5]。但以上內(nèi)容均未深入研究深水冰區(qū)核電平臺(tái)。

本文將針對(duì)一種可用于深海冰區(qū)的內(nèi)外分離式核電平臺(tái)[6]進(jìn)行型線、總布置及系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究?jī)?nèi)、外平臺(tái)之間連接機(jī)構(gòu)剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)的變化對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，然后據(jù)此選擇最優(yōu)方案，削弱環(huán)境承載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)核堆支撐平臺(tái)的沖擊。

1 基本理論

基于三維勢(shì)流理論及剛體動(dòng)力學(xué)理論，建立冰區(qū)核電平臺(tái)與彈簧阻尼連接機(jī)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境載荷作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的理論預(yù)報(bào)方法。核堆支撐平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)的方程為：

環(huán)境承載平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)的方程為：

式中：下標(biāo)1，2 分別表示內(nèi)、外平臺(tái)；M， δM分別為平臺(tái)的質(zhì)量和附加質(zhì)量矩陣；Fc(X˙,t)為阻尼系數(shù)矩陣；K為靜水回復(fù)剛度矩陣；KTL為內(nèi)部平臺(tái)張力腿系泊剛度矩陣，KTL=diag(0,0,kTL3,kTL4,kTL5,0)，僅提供水平面外（垂蕩、橫搖、縱搖）三自由度的剛度；FMOOR為外部平臺(tái)系泊力，F(xiàn)MOOR=(f1(X2,t),f2(X2,t),f3(X2,t),f4(X2,t),f5(X2,t),f6(X2,t))T，采用多點(diǎn)系泊方式，應(yīng)用集中質(zhì)量法，可計(jì)算得各自由度的復(fù)合纜系泊力；X，X˙ ，X¨，分別為兩平臺(tái)六自由度位移、速度與加速度；F為環(huán)境載荷作用力，包括波浪入射力與繞射力、風(fēng)力、流力及冰力，此處考慮外部平臺(tái)對(duì)內(nèi)部平臺(tái)的遮蔽效應(yīng)；Fk=(fk1,fk2,fk3,0,0,0)T，F(xiàn)c=(fc1,fc2,fc3,0,0,0)T，分別為兩平臺(tái)縱蕩、橫蕩、垂蕩自由度的彈簧力與阻尼力，此處考慮為不計(jì)彈簧阻尼力對(duì)橫搖、縱搖、艏搖自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

核電平臺(tái)的約束條件為核堆加速度的限制，浮式核堆較陸基核堆的加速度限制更加寬泛，參照西屋公司陸基小型模塊化反應(yīng)堆（Westinghouse SMR），核堆加速度限制為0.25g[3]，條件更為苛刻。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 核電平臺(tái)設(shè)計(jì)

分離式冰區(qū)核電平臺(tái)由核堆支撐平臺(tái)與環(huán)境承載平臺(tái)組成。環(huán)境承載平臺(tái)型線設(shè)計(jì)為沙漏型結(jié)構(gòu)，下部錐體斜面能較好地抵抗冰載荷，當(dāng)大面積冰原移動(dòng)時(shí)，平臺(tái)周圍的冰層向上爬升，并在爬升過(guò)程中發(fā)生破損，有很好的破冰效果；上部設(shè)計(jì)可有效增大甲板面積，滿足使用需求。在有冰期，可有效減少海冰攀爬現(xiàn)象，在無(wú)冰期，可減少甲板上浪現(xiàn)象。核堆支撐平臺(tái)漂浮在海面上，海水可以作為天然的巨大散熱器，還可對(duì)輻射起到屏障作用。核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)位于水線以下，如發(fā)生緊急情況，可迅速淹沒(méi)核堆，使危害與損失最小化。

平臺(tái)的總布置采用模塊化組裝方式，環(huán)形劃分艙室如圖1 所示。主要功能區(qū)有核反應(yīng)區(qū)、鍋爐區(qū)、渦輪機(jī)區(qū)、安全屋、乏燃料池、中控室、保安室、生活區(qū)、維修大廳、儲(chǔ)藏區(qū)和停機(jī)坪等，使用者可根據(jù)需要定期更換模塊，以保證能源的持續(xù)供應(yīng)與模塊的循環(huán)利用。

圖 1 冰區(qū)核電平臺(tái)總布置Fig. 1 The general layout of ice region nuclear power platform

核電平臺(tái)作業(yè)于1 000 m 水深的冰區(qū)，內(nèi)部平臺(tái)采用張力腿方式系泊，主要限制其水平面外三自由度（垂蕩、橫搖、縱搖）的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在平臺(tái)底部對(duì)稱安裝4 根張力腿，平臺(tái)浮力將遠(yuǎn)大于自身重力，這使得平臺(tái)水平面外的運(yùn)動(dòng)較小，近似于剛性。外部平臺(tái)選用半張緊式四點(diǎn)系泊系統(tǒng)，約束其水平面內(nèi)三自由度（縱蕩、橫蕩、艏搖）的運(yùn)動(dòng)。半張緊式系泊選取4 組12 根三段式復(fù)合纜，組間夾角90°，纜間夾角5°，導(dǎo)纜孔位于平臺(tái)下緣，系泊半徑為1 850 m，預(yù)張力為1 980 kN，預(yù)張力傾角42.9°，具體的系泊纜參數(shù)如表1 所示。表中，E為材料的彈性模量，A為纜索截面積。

表 1 系泊纜參數(shù)表Table 1 The parameters of mooring cable

2.2 連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為4 組彈簧與阻尼器，對(duì)稱安裝在內(nèi)外平臺(tái)中部位置（圖2）。彈簧長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為7 m，材料選用彈簧用不銹鋼絲，剪切模量為73×103MPa，彈性模量為195×103MPa，使用溫度范圍為?200～290 ℃。該材料性能強(qiáng)、溫度范圍廣，以此設(shè)計(jì)的彈簧能滿足的剛度范圍很廣。彈簧兩端以墊圈固定連接于內(nèi)外平臺(tái)，墊圈兩端有導(dǎo)向孔，彈簧放入其中可保持穩(wěn)定性；阻尼器兩端通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)件焊接支座與內(nèi)外平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)鉸接連接。連接機(jī)構(gòu)主要限制內(nèi)部平臺(tái)縱蕩、橫蕩、垂蕩自由度的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)其他自由度的影響很小。

圖 2 連接機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 2 The schematic diagram of connecting mechanism

阻尼力與彈簧力的計(jì)算類似，在此不作贅述。

連接機(jī)構(gòu)作為冰區(qū)核電平臺(tái)的重要部件，起減振的作用，其參數(shù)對(duì)核堆支撐平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響很大。考慮波浪沿45°入射情況（波浪參數(shù)見(jiàn)表2 中的萬(wàn)年一遇的海況），研究連接機(jī)構(gòu)阻尼器的阻尼系數(shù)c與彈簧的剛度系數(shù)k對(duì)內(nèi)部平臺(tái)縱蕩與橫蕩穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)有義值的組合位移的影響，并以此衡量連接機(jī)構(gòu)的特性，仿真結(jié)果如圖3 所示，對(duì)應(yīng)的云圖如圖4 所示。

表 2 計(jì)算海況表Table 2 List of sea conditions for calculation

圖 3 阻尼、剛度系數(shù)對(duì)組合位移的影響Fig. 3 Effect of damping and stiffness coefficients on combined displacement

圖 4 阻尼、剛度系數(shù)對(duì)組合位移的影響云圖Fig. 4 Effect contours of damping and stiffness coefficients on combined displacement

內(nèi)部平臺(tái)的組合位移隨著阻尼系數(shù)的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，且這種減小越來(lái)越緩慢，這是因?yàn)樽枘岬脑龃髸?huì)使動(dòng)力放大系數(shù)減小，從而限制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。而組合位移則隨著剛度系數(shù)的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)閯偠仍龃笫沟渺o位移減小，會(huì)進(jìn)一步限制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而達(dá)到某一數(shù)值后，由于核電平臺(tái)的固有頻率接近外部波浪載荷的能量集中頻率，從而產(chǎn)生共振，故使平臺(tái)響應(yīng)增大。

現(xiàn)取阻尼系數(shù)c=2 000 (kN·s)/m，分別計(jì)算剛度系數(shù)k=25～250 kN/m 時(shí)核電平臺(tái)的固有頻率。僅考慮縱蕩自由度，不考慮阻尼的影響與外力作用，內(nèi)、外兩平臺(tái)構(gòu)成兩自由度系統(tǒng)，振動(dòng)方程可表示為

式中：m， δm分別為兩平臺(tái)縱蕩自由度的質(zhì)量及附加質(zhì)量；k1為 縱蕩自由度彈簧等效剛度；k2為系泊系統(tǒng)縱蕩自由度剛度；x，x¨分別為兩平臺(tái)縱蕩自由度的位移與加速度，解得一階、二階頻率如表3所示。由于平臺(tái)的對(duì)稱性，橫蕩自由度固有頻率與縱蕩一致。分析核電平臺(tái)所受的波浪力譜，能量集中的頻率區(qū)間為0.34～0.56 rad/s。由表中數(shù)據(jù)可知，在剛度大于100 kN/m 時(shí)，核電平臺(tái)的二階頻率接近波浪力能量集中頻率，響應(yīng)幅值增大。

表 3 剛度系數(shù)對(duì)平臺(tái)頻率的影響Table 3 Effect of stiffness coefficient on platform frequency

考慮核電平臺(tái)所有自由度的耦合運(yùn)動(dòng)，令核堆支撐平臺(tái)的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖自由度分別為前6 個(gè)自由度，環(huán)境承載平臺(tái)各自由度為后6 個(gè)自由度，組成12 自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)固有頻率及所對(duì)應(yīng)的振型如圖5 所示。

由于系統(tǒng)對(duì)稱，易知縱蕩與橫蕩、橫搖與縱搖的固有頻率和振型相同。分析固有頻率及振型可以發(fā)現(xiàn)：一階、二階振型表現(xiàn)為外部平臺(tái)與內(nèi)部平臺(tái)的縱蕩、橫蕩運(yùn)動(dòng)耦合，且運(yùn)動(dòng)方向相同，一階、二階頻率分別為縱蕩、橫蕩自由度一階固有頻率；四階、五階振型表現(xiàn)為內(nèi)部平臺(tái)與外部平臺(tái)的縱蕩、橫蕩運(yùn)動(dòng)耦合，且運(yùn)動(dòng)方向相反，四階、五階頻率分別為縱蕩、橫蕩自由度二階固有頻率；三階振型表現(xiàn)為外部平臺(tái)艏搖運(yùn)動(dòng)，且與其他自由度耦合較弱，三階頻率為艏搖自由度一階固有頻率；六階振型表現(xiàn)為內(nèi)部平臺(tái)艏搖運(yùn)動(dòng)，且與其他自由度耦合極弱，六階頻率為艏搖自由度二階固有頻率；七階、八階振型表現(xiàn)為外部平臺(tái)縱蕩與縱搖耦合、橫蕩與橫搖耦合，七階、八階頻率分別為縱蕩縱搖耦合、橫蕩橫搖耦合一階固有頻率；十階、十一階振型表現(xiàn)為內(nèi)部平臺(tái)縱蕩與縱搖耦合、橫蕩與橫搖耦合，十階、十一階頻率分別為縱蕩縱搖耦合、橫蕩橫搖耦合二階固有頻率；九階振型表現(xiàn)為外部平臺(tái)與內(nèi)部平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)耦合，且運(yùn)動(dòng)方向相同，九階頻率為垂蕩自由度一階固有頻率；十二階振型表現(xiàn)為內(nèi)部平臺(tái)與外部平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)耦合，且運(yùn)動(dòng)方向相反，十二階頻率為垂蕩自由度二階固有頻率。

考慮12 個(gè)自由度耦合求解出的縱蕩運(yùn)動(dòng)固有頻率與表2 僅考慮縱蕩自由度得出的結(jié)果接近，但由于考慮因素更為全面，故更加接近實(shí)際情況。核電平臺(tái)45°浪向?qū)?yīng)的各自由度幅值響應(yīng)算子（RAO）如圖6 所示。

內(nèi)、外平臺(tái)艏搖運(yùn)動(dòng)RAO 峰值略小于艏搖一階固有頻率0.245 8 rad/s，這是由系統(tǒng)阻尼所導(dǎo)致，結(jié)果合理。外部平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 在0.3 rad/s附近具有非常窄的RAO 峰值（約為1.5）帶寬，而在兩側(cè)RAO 急劇下降，在頻率較小的一側(cè)，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化比較平穩(wěn)，在頻率較大的一側(cè)，垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 由最小值快速增大至第2 峰值（約為0.2）后緩慢下降。外部平臺(tái)為沙漏型浮體，垂蕩固有周期設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)離波浪能量峰值區(qū)域，故平臺(tái)具有較好的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能。內(nèi)、外部平臺(tái)的橫搖與縱搖運(yùn)動(dòng)RAO 峰值位于0.2 rad/s附近，略小于縱蕩、橫蕩二階固有頻率0.248 2 rad/s。內(nèi)、外部平臺(tái)的橫搖與縱搖RAO 第2 峰值分別位于0.9 和0.4 rad/s 附近，接近波浪一階能量集中頻率，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖 5 核電平臺(tái)固有頻率及振型Fig. 5 Natural frequency and vibration mode of nuclear power platform

圖 6 核電平臺(tái)RAOsFig. 6 The RAOs of nuclear power platform

3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

冰區(qū)核電平臺(tái)系泊于北冰洋1 000 m 水深某處，可避免海嘯的影響，但需考慮風(fēng)、浪、流、冰等環(huán)境載荷的作用。根據(jù)北極風(fēng)速與波高數(shù)據(jù)，對(duì)照海況表，選定4～6 級(jí)海況進(jìn)行計(jì)算?？紤]到極限情況，有義波高參考福島核泄漏事故最大海嘯波高23 m，風(fēng)載荷參考OFNP 計(jì)算選取的17 級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，其他數(shù)據(jù)參照南海千年一遇的海況選?。籓FNP 可抵御北海萬(wàn)年一遇風(fēng)暴[5]，選取相同的環(huán)境條件，如表2 所示。風(fēng)、流載荷考慮為定常載荷作用，隨機(jī)浪載荷以JONSWAP 譜模擬，冰載荷應(yīng)用離散元法數(shù)值模擬，采用密排六方排列方式建立仿真模型[7]，環(huán)境載荷沿0°，45°和90°方向作用。冰區(qū)核電平臺(tái)研究分無(wú)冰期和有冰期2 種情況，對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷分別為浪、風(fēng)、流與冰、風(fēng)、流聯(lián)合作用。

3.1 浪風(fēng)流聯(lián)合作用

表4 的數(shù)據(jù)給出了最大風(fēng)、流組合時(shí)浪、風(fēng)、流聯(lián)合作用響應(yīng)最大值結(jié)果，即風(fēng)向90°、流向90°，浪向如表4 所示。其中，縱蕩、橫蕩、垂蕩為穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)幅值。

表 4 浪、風(fēng)、流聯(lián)合作用響應(yīng)最大值Table 4 Motion response maximum for wave, wind and current combined action

由表4 可知，內(nèi)部平臺(tái)的縱蕩、橫蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，表明連接機(jī)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期作用。在極限海況下，內(nèi)部平臺(tái)六自由度響應(yīng)仍較小，表明連接機(jī)構(gòu)與系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使其能抵御福島核泄漏事故遭遇的惡劣浪高和風(fēng)速，可以保證核堆的安全。在17 級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，OFNP 能保證橫搖與縱搖響應(yīng)＜5°，垂向加速度＜0.1g[4]，核堆支撐平臺(tái)橫搖與縱搖響應(yīng)最大值分別為0.155°和0.129°，垂向加速度最大值為0.028 m/s2（0.003g），可見(jiàn)其性能更優(yōu)。

OFNP 可抵御北海萬(wàn)年一遇風(fēng)暴[5]，表5 給出相同環(huán)境載荷作用下浪向?yàn)?°，45°，90°與風(fēng)向90°、流向90°聯(lián)合作用響應(yīng)的最大值。由表可見(jiàn)核堆支撐平臺(tái)的水平位移與水深之比、垂蕩與縱搖響應(yīng)及垂向加速度均小于OFNP。

表 5 萬(wàn)年一遇環(huán)境載荷運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值Table 5 Motion response maximum for extremely rare storm

考慮到核堆支撐平臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)，不同點(diǎn)的線加速度值不同，故取反應(yīng)堆艙離平臺(tái)重心最遠(yuǎn)點(diǎn)處的加速度作為評(píng)價(jià)依據(jù)。計(jì)算得該點(diǎn)的加速度最大值分別為4 級(jí)海況時(shí)0.029g，6 級(jí)海況時(shí)0.053g，極限海況0°，45°和90°浪向時(shí)分別為0.193g，0.154g和0.158g，滿足陸基核堆加速度限制條件。圖7給出極限海況0°浪向時(shí)核堆加速度的時(shí)間歷程。綜合考慮，冰區(qū)核電平臺(tái)可以保證浪、風(fēng)、流聯(lián)合作用下的核堆安全。

圖 7 核堆加速度時(shí)間歷程曲線Fig. 7 Acceleration time trace of nuclear reactor

3.2 冰載荷計(jì)算

結(jié)構(gòu)覆冰會(huì)對(duì)海洋平臺(tái)的整體穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)完整性、月池等造成較大影響[8]，故而冰載荷研究尤為重要。冰載荷模擬采用大連理工大學(xué)與ABS船級(jí)社聯(lián)合開(kāi)發(fā)的IceDem 軟件實(shí)現(xiàn)，可模擬船海結(jié)構(gòu)物與平整冰、碎冰、冰脊等多種類型的接觸形式，可為結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。椎體結(jié)構(gòu)是冰區(qū)結(jié)構(gòu)物的常見(jiàn)設(shè)計(jì)形式，破冰效果良好，因此，椎體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是驗(yàn)證數(shù)值程序準(zhǔn)確性的優(yōu)先選擇。本文選用Irani 針對(duì)六面椎體的系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶50，如圖8 所示。該六面椎體水線處內(nèi)接直徑為30 m，每面的坡度為5∶6，上部直立結(jié)構(gòu)內(nèi)接直徑為10 m。為防止碎冰堆積，在椎體主結(jié)構(gòu)與直立結(jié)構(gòu)間設(shè)置每面坡度為2∶1 的過(guò)渡區(qū)域。

圖 8 六面椎體數(shù)值模擬模型Fig. 8 Numerical model of multifaceted conical structure

為驗(yàn)證模擬程序的準(zhǔn)確性，在定性方面，選取C_006 試驗(yàn)工況與相同條件下數(shù)值模擬所得冰力時(shí)程進(jìn)行了對(duì)比（圖9）。結(jié)果表明，二者在冰力變化趨勢(shì)、波動(dòng)幅值等方面存在一定的相似性，說(shuō)明該模擬程序結(jié)果在定性上與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。

圖 9 試驗(yàn)值與模擬值冰力時(shí)程對(duì)比Fig. 9 The comparison of ice force time traces between experiment and simulation

在定量方面，選取C_003，C_004，C_005，C_006等10 個(gè)工況的模擬值與相應(yīng)試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。由于最大載荷、最小載荷是瞬時(shí)概念，在海冰與結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程中充滿了隨機(jī)性，導(dǎo)致最值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)與數(shù)值具有不確定性，因而失去了統(tǒng)計(jì)意義。而均值載荷與峰值載荷是統(tǒng)計(jì)概念，其中，峰值載荷定義為穩(wěn)定階段冰力時(shí)程均值與1.5 倍同時(shí)間段冰力時(shí)程的標(biāo)準(zhǔn)差之和。其可消除源于試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)而產(chǎn)生的略高數(shù)據(jù)點(diǎn)，能綜合反映結(jié)構(gòu)與冰載荷相互作用過(guò)程的平均最大載荷，是冰載荷研究中需重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)。

以模擬數(shù)據(jù)為x軸、試驗(yàn)數(shù)據(jù)為y軸，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，繪制圖10（圖中，R為線性相關(guān)系數(shù)）。通過(guò)計(jì)算和觀察可知，水平均值載荷、峰值載荷與垂向均值載荷、峰值載荷的線性程度均較高，且數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在y=x線附近，可認(rèn)為數(shù)值模擬正確率較高?？傮w來(lái)說(shuō)，該模擬程序具有一定的準(zhǔn)確性，可進(jìn)行更進(jìn)一步的計(jì)算分析。

圖 10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬冰載荷對(duì)比Fig. 10 The comparison of ice load between experiment and simulation

冰載荷的研究被廣泛應(yīng)用于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的抗冰安全性能中，經(jīng)查閱極區(qū)冰況數(shù)據(jù)[10-11]，認(rèn)為作用于外部平臺(tái)的海冰均為平整冰，確定結(jié)構(gòu)及海冰相關(guān)參數(shù)數(shù)值如表6 所示。

表 6 海冰及結(jié)構(gòu)物相關(guān)參數(shù)Table 6 Related parameters of sea ice and structure

現(xiàn)模擬冰區(qū)核電平臺(tái)與冰厚1 m、漂移速度v=0.2，0.35 和0.5 m/s 平整冰的相互作用，可得水平與垂向冰力時(shí)程數(shù)據(jù)，圖11～圖12 以0.5 m/s 冰速為例分別給出了碎冰破碎分布情況及冰載荷時(shí)程。

結(jié)構(gòu)初始位置因未與冰原接觸，冰載荷為0；隨著冰原與平臺(tái)相互作用，冰力呈逐漸增大的趨勢(shì)；當(dāng)冰原切入深度超過(guò)平臺(tái)半徑，冰載荷趨于穩(wěn)定，可取為穩(wěn)定段；在穩(wěn)定段后期，由于碎冰的堆積作用可能出現(xiàn)新的峰值，直至模擬結(jié)束。3 種冰速下分別取250，150 和100 s 進(jìn)入穩(wěn)定階段，統(tǒng)計(jì)其水平與垂向冰力的均值載荷及峰值載荷，如圖13 所示。

由圖13 可以發(fā)現(xiàn)，隨著冰速的增大，冰載荷明顯增大。分析其原因，因核電平臺(tái)為大尺度結(jié)構(gòu)，隨著冰速的增大，碎冰堆積更嚴(yán)重，使得總質(zhì)量增大，作用時(shí)間減小，沖擊力增大，從而導(dǎo)致海冰作用力增大。碎冰堆積情況如圖14 所示。

3.3 冰風(fēng)流聯(lián)合作用

將數(shù)值模擬所得時(shí)程冰力作用于環(huán)境承載平臺(tái)，可得垂蕩、橫搖、縱搖響應(yīng)時(shí)間歷程（圖15）。并與風(fēng)流載荷耦合計(jì)算，風(fēng)載荷取6 級(jí)海況風(fēng)速，風(fēng)向90°，流載荷選取流速與冰速一致，流向0°。在海冰、風(fēng)、流載荷的推動(dòng)與連接機(jī)構(gòu)和系泊系統(tǒng)的約束下，核電平臺(tái)偏離初始位置達(dá)到新的平衡位置，并最終不斷振蕩，得到冰風(fēng)流聯(lián)合作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值，如表7 所示。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，環(huán)境承載平臺(tái)在1 m 厚平整冰與風(fēng)、流載荷聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)很小，具有良好的抗冰性能，連接機(jī)構(gòu)能削弱外部平臺(tái)對(duì)內(nèi)部平臺(tái)的沖擊，可保證核堆安全。3 種冰、風(fēng)、流聯(lián)合作用工況下核堆的加速度最大值分別為0.000 7g，0.000 9g，0.002 3g，滿足陸基核堆加速度限制要求。

圖 13 海冰漂移速度對(duì)冰載荷的影響Fig. 13 Effect of sea ice drift velocity on ice load

圖 14 碎冰堆積情況Fig. 14 Crushed ice accumulation

圖 15 核電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間歷程（冰速0.5 m/s）Fig. 15 Motion response time traces of nuclear power platform（sea ice drift velocity is 0.5 m/s）

表 7 冰、風(fēng)、流聯(lián)合作用響應(yīng)最大值Table 7 Motion response maximum for ice, wind and current combined action

核反應(yīng)堆正常工作時(shí)會(huì)大量放熱，需要源源不斷地送入周邊海水以冷卻降溫，故而在有冰期月池結(jié)冰的可能性極小。倘若反應(yīng)堆關(guān)停，則月池可能結(jié)冰，假設(shè)結(jié)冰使內(nèi)、外平臺(tái)之間無(wú)相對(duì)速度，進(jìn)而導(dǎo)致阻尼器失效，則此時(shí)冰載荷恰好可約束兩平臺(tái)水平面內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又因外部平臺(tái)設(shè)計(jì)為椎體結(jié)構(gòu)，抗冰性能優(yōu)良，其在冰載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值較小，故無(wú)需擔(dān)心內(nèi)部平臺(tái)在此種情形下的運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型分離式冰區(qū)海洋核電平臺(tái)概念，重點(diǎn)對(duì)該平臺(tái)連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)予以了介紹，并分析了該平臺(tái)在浪、風(fēng)、流與冰、風(fēng)、流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。計(jì)算了平臺(tái)所受彈簧阻尼力，研究了連接機(jī)構(gòu)的阻尼系數(shù)與彈簧剛度系數(shù)特性，并選擇最優(yōu)阻尼剛度方案，可達(dá)到限制內(nèi)部平臺(tái)縱蕩、橫蕩自由度運(yùn)動(dòng)及減振的作用。得到如下主要結(jié)論：

1) 本文提出的新型分離式冰區(qū)海洋核電平臺(tái)概念，特別是彈簧阻尼連接機(jī)構(gòu)，使其具有良好的水動(dòng)力性能，可抵御福島核泄漏事故遭遇的最大海嘯波高與17 級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的聯(lián)合作用；且在北海萬(wàn)年一遇風(fēng)暴作用下，核堆支撐平臺(tái)的水平位移與水深之比、垂蕩與縱搖響應(yīng)及垂向加速度均小于美國(guó)麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)提出的OFNP平臺(tái)。

2) 該核電平臺(tái)具有良好的抗冰能力，環(huán)境載荷承載平臺(tái)能夠較好地抵抗冰載荷，連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)能很好地限制內(nèi)部平臺(tái)縱蕩、橫蕩自由度的運(yùn)動(dòng)，并起到減振的作用；外部平臺(tái)起到了海洋動(dòng)力環(huán)境屏障的作用，大幅度改善了支撐核電裝置內(nèi)部平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能，使得其六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均較小。

3) 提出的純機(jī)械式連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案減小了外部環(huán)境承載平臺(tái)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)內(nèi)部核堆支撐平臺(tái)的沖擊，有效保障了核堆的安全。該機(jī)構(gòu)采用純機(jī)械方式，運(yùn)動(dòng)控制效果良好，節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，可為相關(guān)研究提供技術(shù)儲(chǔ)備。