極地破冰船系力柱試驗加強研究

王曙光 徐施紅

摘 要：隨著未來極地科考的發展，極地科考船必將成為一個重要船型。本文從系力柱試驗加強設置角度，通過簡化結構，通過有限元計算驗證加強的可行性。

關鍵詞：系力柱試驗；簡化分析；極地自破冰

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.043

1 研究背景

目前，在我國極地科學考察一船四站基礎設施體系中，雪龍船是核心的運輸工具，該船已經處于超負荷狀態運轉，難以兼顧和保障亟待加強的兩極地區海洋環境和資源調查的需求。

2 研究目的及意義

根據破冰船螺旋槳系柱工況初步估算，在零航速時破冰船首向拉力約1640kN，尾向拉力約1370kN。要確保達到該指標，就牽涉到系柱的強度、船體結構的強度。

3 系力柱加強結構設計

3.1 系柱理論設計

破冰船系柱艏向最大拉力達到1640kN，參考目前的拖樁沒有如此大規格，故需要對系柱進行全新設計。本課題參照《ISO13797-2012（E）十字帶攬樁》標準的結構型式，對系柱進行結構設計，如圖1所示。

3.2 系柱連接船體結構范圍選擇

考慮到實船試驗系柱連接的船體結構強度滿足要求。參考CCS規范中的選取原則，選擇系柱基座有效作用平面矩形形心為中心，向四周分別擴展至少一倍。

3.3 邊界條件選擇

試驗結構四周分別為連續的結構，對分離出的子結構有一定的約束作用。根據結構力學方法對模型的簡化計算的原理，此處的邊界條件選擇簡支。

3.4 船體結構強度校核

系柱拉力使用MPC點加載模擬。模型中共有單元1721個，節點2275個， 經過計算，甲板部位結構最大應力出現在系柱與船體結構連接的四周區域，最大應力108MPa，結構選用屈服強度為355MPa的高強度鋼，滿足強度要求。

加強結構的最大應力也出現在與系柱連接的附近區域，最大應力173MPa，加強結構選用屈服強度為355MPa的高強度鋼，滿足強度要求。

3.5 試驗過程

為模擬實船系柱拖力試驗過程，試驗加載方案參考CB-T 3430-2013《拖船系柱拖力試驗方法》。

首先將拉力機拉力逐步調整到861kN，然后在45s內將拉力機拉力調整到試驗要求最大拉力1640kN，在最大拉力狀態下至少保持10min。

試驗過程中采集并記錄載荷和位移隨時間變化數據、載荷隨位移變化數據，如圖2、圖3所示。采集并記錄相關測點的應變和位移數據。

試驗結果顯示，在試驗負荷作用下未發生破壞。

4 研究結論

綜上所述，結構加強符合設計預期，能夠系力柱試驗要求，滿足設計要求。

作者簡介：王曙光（1984-），男，江蘇人，本科，工程師，研究方向：船舶結構。