楊 鵠，朱成華，陳艷霞

(1. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

世界各國為提升在極地區(qū)域航行能力、資源開發(fā)與利用、兩極旅游以及綜合補給保障能力，正在設(shè)計建造或計劃建造以下極地裝備：用于極地海域的油輪，包括LNG油輪；極地集裝箱船；破冰船；極地科考船；在北極大陸架上工作的平臺和裝備；極地沿岸發(fā)電設(shè)施，包括利用潮汐、水流、風(fēng)等可再生能源；在北極地區(qū)處理天然氣的浮動設(shè)施[1-2]。

各國在極地區(qū)域的需要是多方面，但極地裝備技術(shù)難度高、造價高、建造維護(hù)難等問題，因此，各國在綜合評估國家極地戰(zhàn)略需求、經(jīng)濟社會發(fā)展需求、極地船舶發(fā)展現(xiàn)狀、科技工業(yè)應(yīng)用水平等多方面因素的基礎(chǔ)[3]，新建極地船舶正朝著功能綜合化、多樣和高效破冰、適應(yīng)性強、尺度和功率大型化發(fā)展[4]，尤其是多功能破冰船受到世界各國的青睞。

1 初步設(shè)計要素和特征性能

1.1 初步設(shè)計流程

多功能破冰船初步設(shè)計主要任務(wù)及流程如圖1所示。

1）確定多功能破冰船的概念，即主要功能和服務(wù)對象。

2）確定多功能破冰船的設(shè)計要素和最佳特征性能指標(biāo)，特別是考慮到總體系統(tǒng)變化的多樣性，確定多功能破冰船的設(shè)計要素和優(yōu)化設(shè)計的對比原則顯得尤為重要。

3）確定主要設(shè)計要素和設(shè)計限制。

4）定義多功能破冰船子系統(tǒng)并將其表示為由多個子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。

5）定義船舶所需要的設(shè)計特征向量，并通過指定下列數(shù)值來定義船舶的特征。

根據(jù)第2項和第3項任務(wù)確定對各設(shè)計要素的限制條件；根據(jù)第4項任務(wù)確定船舶設(shè)計要素矢量。

6）構(gòu)建包含多功能破冰船設(shè)計要素和特征性能指標(biāo)的平衡關(guān)系公式，比如排水量平衡方程。

7）在設(shè)計要素和特征性能指標(biāo)中找到功能和參數(shù)之間的關(guān)系，包括參數(shù)相對大小。

8）根據(jù)船舶在冰層中的破冰能力、推進(jìn)特性以及設(shè)計限制，考慮船舶的尺度和結(jié)構(gòu)強度，對船在冰層中的航行性能進(jìn)行分析評估。

9） 多功能破冰船的經(jīng)濟指標(biāo)取決于船舶功能特性、設(shè)計限制條件和主要參數(shù)，通過建立效用函數(shù)、經(jīng)濟和功能目標(biāo)函數(shù)，以確定船的設(shè)計要素和最佳特性值。

10）對多功能破冰船的冰區(qū)適航性、敞水性能、結(jié)構(gòu)抗冰能力、建造投資等船舶設(shè)計要素和特征性能進(jìn)行抽樣檢驗驗證，確定船舶設(shè)計要素和特征性能的滿足。

其中，第2～5項任務(wù)的目標(biāo)都源于對第1項任務(wù)的分析，其最終目標(biāo)是確定多功能破冰船最佳特征性能指標(biāo)。

因此，最重要的是要正確分析并解決第1項任務(wù)-確定多功能破冰船的概念，即主要功能和服務(wù)對象。在確定船舶功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定目標(biāo)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式和設(shè)計上的限制條件，即船舶設(shè)計要求，這將有助于確定多功能破冰船的最佳特征性能。

1.2 設(shè)計要素和特征性能

船舶是由多個獨立的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，可以從多個角度對其進(jìn)行評估，如冰區(qū)和敞水適航性、結(jié)構(gòu)抗冰強度、動力裝置效率或輔助機械性能等。但在對各子系統(tǒng)進(jìn)行單獨研究時，子系統(tǒng)之間的匹配特性會缺失。因此，多功能破冰船各子系統(tǒng)之間的耦合特性也是非常重要的分析項目。

多功能破冰船作為其子系統(tǒng)及子系統(tǒng)之間耦合特性的綜合體，在初步設(shè)計階段系統(tǒng)層級的任務(wù)分為外部設(shè)計任務(wù)和內(nèi)部設(shè)計任務(wù)[5]，其中：

外部設(shè)計任務(wù)，即確定船舶特征性能指標(biāo)，主要包括設(shè)計載重量DW、重載排水量、空載排水量DP、總登記噸位GRT、凈登記噸位NRT、有限裝載空間、居住和辦公空間、敞水和冰區(qū)航行速度，特別是連續(xù)破冰厚度h等；

內(nèi)部設(shè)計任務(wù)的目標(biāo)是確定船舶的主尺度、船體系數(shù)以及特殊區(qū)域結(jié)構(gòu)特征等。

采用系統(tǒng)方法原理，可以將船舶各類設(shè)計參數(shù)分為：未知設(shè)計要素變量X、船舶子系統(tǒng)設(shè)計特征參數(shù)Y以及船舶設(shè)計限制參數(shù)Z，即一個綜合特征參數(shù)。船舶設(shè)計運營中通常使用的經(jīng)濟指標(biāo)包括總收益I、運營成本C、總投資MV或重置成本RC。

確定多功能破冰船最佳特征性能的目標(biāo)函數(shù)f，一方面可以由變量X、設(shè)計參數(shù)Y和設(shè)計限制Z表示，另一方面也可以由船舶主要經(jīng)濟指標(biāo)收益I、運營成本C和投資MV或RC表示。

船舶未知設(shè)計變量X包括：設(shè)計載重線的排水量D，設(shè)計載重量DW，載重量PG，總登記噸位GRT，凈登記噸位NRT，有效功率Ne，破冰推進(jìn)功率Nice，敞水航速Vs等，這些變量對以函數(shù)f具有重大影響。

破冰船設(shè)計要素的選擇，如船舶主尺度、船型系數(shù)、船體形狀以及推進(jìn)系統(tǒng)的要素等，都服從于破冰功能需求，但最終的設(shè)計方案不太符合敞水區(qū)域的操縱性能要求。

圖2 目標(biāo)函數(shù)與特征參數(shù)之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between objective function and characteristic parameters

破冰船設(shè)計要素與破冰功能相一致，并不意味著船舶自身重量相對于無冰級船舶的空船重量增加，但在尺寸特性方面（如載重量和艙容）可以對比，但這些船舶在設(shè)計要素方面會有根本的不同，如總體尺度、船體形狀、推進(jìn)裝置以及在敞水區(qū)域航行性能。

同時，具有相似主尺度、船體形狀特征以及推進(jìn)裝置的破冰船，根據(jù)指定的破冰等級不同，其空船重量可能會顯著不同。其中，凈重或有效載重量與排水量之比可作為不同破冰等級船舶的特征。

船舶子系統(tǒng)設(shè)計特征參數(shù)Y包括：設(shè)計船長L，船寬B，型深H，吃水T，方形系數(shù)CB，相對L/B，B/T，H/T，L/H等要素，以上參數(shù)對最佳特征性能的影響不如船舶未知設(shè)計變量X。

設(shè)計限制Z是一個綜合特征參數(shù)，包括對RC*補貼的限制、附加功能任務(wù)、破冰厚度h、關(guān)稅等，特別冰區(qū)航行可能遭遇的冰的類別、冰區(qū)航行距離、航行季節(jié)性等。

1.3 設(shè)計要素之間的關(guān)系

通過收集排水量在7 600～91 200 t之間的多功能破冰船參數(shù)[6]，分析發(fā)現(xiàn)其船舶尺寸設(shè)計要素的取值范圍如下：

長寬比L/B介于4.06～4.76之間；船寬與吃水比B/T介于2.34～4.97之間；型深與吃水比H/T介于1.32～1.50之間；方形系數(shù)CB介于0.596至0.710之間。

不同多功能破冰船主尺度系數(shù)（L/B，B/T，CB）與船長L、與排水量D之間存在如下歸納關(guān)系：

以上有關(guān)多功能破冰船的設(shè)計早期階段確定的設(shè)計特征參數(shù)Y（如L，B，H，T，L/B，B/T，H/T，L/H等）和設(shè)計未知變量X（D，PG，GRT，NRT，Ne，Nice，Vs等）系指在設(shè)計過程的各個階段所確定的各種可能數(shù)值的范圍，其中設(shè)計特征參數(shù)Y及其系數(shù)（L/B，B/T，H/T，L/H，CB等）在設(shè)計中受最大連續(xù)破冰厚度h的影響很大。

2 性能分析評估

2.1 冰區(qū)航行性能

推進(jìn)系統(tǒng)有效功率Ne與連續(xù)破冰厚度h、船舶排水量D、船體形狀的關(guān)系可以通過類比相似破冰船的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步估算建立。

圖3 顯示了多功能破冰船動力裝置的有效功率Ne與最大破冰厚度h和設(shè)計載重量DW的關(guān)系，其中船體尺寸由設(shè)計載重量DW通過船舶排水量平衡方程來表征。

圖3 破冰船動力總功率NP與設(shè)計載重量DW、最大的連續(xù)破冰場厚度h的關(guān)系Fig. 3 Relationship between the total power NP of icebreaker,the maximum continuous thickness h of ice breaking and design load DW

根據(jù)破冰厚度要求確定推進(jìn)功率和主機安裝功率，同時也應(yīng)考慮敞水區(qū)域的最低航速和為向其他船舶或岸上用戶輸送能源并儲存的能力要求。

多功能破冰船在敞水區(qū)域的航速Vs取決于船體形狀要素和推進(jìn)系統(tǒng)性能，在確定的最大連續(xù)破冰厚度h和船體形狀下，船舶在敞水區(qū)域航行有效功率值（Ne）約等于破冰推進(jìn)功率（Nice），即Ne≈Nice。但在最大連續(xù)破冰厚度h不變，改變其他設(shè)計參數(shù)，船舶在敞水區(qū)域中航行的有效功率Ne與破冰功率Nice成正比，因為破冰功率Nice是確定有效功率Ne和船舶敞水航速Vs的先決條件。

敞水航速Vs與設(shè)計載重量DW和最大破冰厚度h之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 破冰船破冰功率Nice與設(shè)計載重量DW、最大的連續(xù)破冰場厚度h的關(guān)系Fig. 4 Relationship between ice breaking power Nice of icebreaker, the maximum continuous thickness h of ice breaking and design load DW

由于推進(jìn)功率是根據(jù)最大連續(xù)破冰厚度h確定，船舶在敞水區(qū)域航速足以滿足其較低的限制，而且考慮到船舶在敞水區(qū)域的低航速下的效率較低，因此對敞水區(qū)域航速Vs的評估采用了最高限值，該限值在一定程度上適用于一定船舶尺寸和破冰等級范圍的破冰船。

船舶總功率NP不低于有效功率Ne，總功率NP在廣泛的性能范圍主要取決于多功能破冰船的尺寸，在船舶尺寸較小的情況下，船舶總功率NP也取決于破冰厚度h。由于冰上運動需要更多的動力，船用能源過剩（NP－Nice）在低冰級破冰船中更常見。

2.2 結(jié)構(gòu)強度評估

在船體舷側(cè)冰帶區(qū)域接觸冰時，應(yīng)根據(jù)舷側(cè)甲板和板架結(jié)構(gòu)的彎曲和影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度的評估。

在初步設(shè)計階段應(yīng)對船舶平行中體在冰場中的抗壓強度和冰載荷進(jìn)行綜合影響分析，并評估其他區(qū)域結(jié)構(gòu)的冰載荷。

可以通過以下方面提升破冰船舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度：

1）有可能增加舷側(cè)外板厚度以增加舷側(cè)列板的強度，并提高船體耐磨損能力；

2）通過加強橫向主框架的強度或減小橫向主框架間距。

作為數(shù)學(xué)模型的一部分，在確定多功能破冰船的設(shè)計特性時，應(yīng)考慮船體外板厚度，用于考慮破冰厚度的設(shè)計極限來確定船舶的排水量。

2.3 其他性能評估

考慮到船舶在冰上性能的可能差異以及船級社規(guī)定的破冰船等級，有可能針對船舶在冰上的性能進(jìn)行綜合評估，同時考慮到船舶的安全速度和連續(xù)破冰厚度，以及在破冰航行時應(yīng)克服的舷側(cè)堆積冰的摩擦力和擠壓作用。

值得注意的是，IMO《極地船舶入級規(guī)范》對在一定厚度冰域連續(xù)破冰的破冰船結(jié)構(gòu)和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范[7]，盡管連續(xù)破冰能力并不完全反映具有一定推進(jìn)功率和冰區(qū)加強結(jié)構(gòu)船舶的破冰能力，可以通過改變破冰模式、調(diào)整推進(jìn)系統(tǒng)等手段使破冰船破冰性能超過其最大連續(xù)破冰厚度，但這種情況在極限冰情條件下并不常見。

多功能破冰船初步設(shè)計階段，要結(jié)合船舶尺度對船舶可開辟航道寬度、船舶可用于救援、巡邏、考察的空間進(jìn)行評估。

在不同設(shè)計階段必要對以下性能進(jìn)行評估[8-9]：

1）具有足夠的破冰功率Nice以滿足在一定冰厚條件下進(jìn)行連續(xù)破冰航行；

2）船舶一定冰厚中航行并具有良好的操縱性；

3）船體首尾結(jié)構(gòu)具有足夠強度承受破冰載荷，舷側(cè)冰帶區(qū)域能夠抵御兩側(cè)堆積冰的擠壓作用；

4）其他條件。

3 多功能破冰船經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)

為了在初步設(shè)計階段針對船舶特征性能進(jìn)行評估分析，需要選取經(jīng)濟性評價標(biāo)準(zhǔn)，包括最低成本標(biāo)準(zhǔn)和最高利潤標(biāo)準(zhǔn)。考慮到多功能破冰船通常由國家投資或者補助金，因此，為了確定多功能破冰船的最佳設(shè)計特性，應(yīng)當(dāng)采用最低成本標(biāo)準(zhǔn)，同時需要考慮到預(yù)算外收入對投資費用產(chǎn)生的影響。

最優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)f是以主要經(jīng)濟指標(biāo)（收益I、成本C和投資RC）之間的關(guān)系為基礎(chǔ)。

與收益I和成本C不同，投資RC具有時間價值的特點，在數(shù)學(xué)模型和算法中，通常以每年計算，MV或RC的投資是一次性的或不連續(xù)的，或者可以統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為現(xiàn)值進(jìn)行估算。

為了在設(shè)計的早期階段對比多功能破冰船的設(shè)計方案，從系統(tǒng)的角度進(jìn)行性能優(yōu)化時，可采用單位效用成本進(jìn)行評估，單位效用成本的目標(biāo)函數(shù)f表達(dá)式：

其中：PW表示總費用；E表示特征性能或設(shè)計要素的效用；CD表示預(yù)算成本；i表示投資RC的時間價值系數(shù)。

多功能破冰船功用特征性能可以[10]選取如下指標(biāo)：

船舶年運輸能力QG，單位為貨物重量或體積或綜合統(tǒng)一單位。

船舶尺寸的特征：設(shè)計載重量DW，設(shè)計排水量D，載重量PG，登記噸位（總重量GRT或凈NRT）等該系統(tǒng)顯示它適用于其他非冰類船舶的輔助服務(wù)和航行服務(wù)，多功能破冰船攜帶專門適應(yīng)冰區(qū)航行船舶的功能設(shè)備。

船舶動力參數(shù)：有效功率Ne，破冰推進(jìn)功率Nice，船舶功率的NP等。

單位效用成本函數(shù)可以表示為：

考慮到對DW的修正DW*，專家因素aF和補貼對投資RC修正RC*對單位效用成本的調(diào)整ΔPW/DW[11]。

考慮到ΔP W/DW的修正，單位效用成本目標(biāo)函數(shù)f可以表示為：

以核動力多功能破冰船設(shè)計建造為例，對5個方案的單位效用成本進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 核動力破冰船多方案單位效用成本對比Tab. 1 Unit utility cost comparison of multiple schemes for nuclear icebreaker

圖5 為核動力破冰船單位效用成本（PW/Nice）與破冰功率Nice、最大的連續(xù)破冰場厚度h的關(guān)系。

圖5 核動力破冰船單位效用成本（PW/Nice）與破冰功率Nice、最大的連續(xù)破冰場厚度h的關(guān)系Fig. 5 Relationship between unit utility cost PW/Nice of icebreaker, the maximum continuous thickness h of ice breaking and ice breaking power Nice

對研究方案的經(jīng)濟性對比表明，方案3的單位效用成本最低，方案最優(yōu)，但未考慮核動力破冰船的年運營成本。

4 結(jié) 語

本文圍繞多功能破冰船初步設(shè)計流程，提出了多功能破冰船初步設(shè)計需要關(guān)注的設(shè)計要素和特征性能，并歸納總結(jié)了主要設(shè)計要素之間的關(guān)系，針對冰區(qū)航行、結(jié)構(gòu)強度及其他性能評估原則及注意事項，以單位效用成本為目標(biāo)函數(shù)，對不同核動力破冰船總體方案進(jìn)行評估分析。