極地船舶與海冰作用方式及冰載荷求解概況

曲自信 王昌朔 蘇 桐 黃 山 陶舒暢

0 引言

北極地區(qū)蘊(yùn)含著極為豐富的資源。近年來，北極地區(qū)的冰量越來越低，穿越北極最短航線的開通成為現(xiàn)實(shí)。許多極地附近的國家都加大了對極地航行船舶的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，包括環(huán)境預(yù)報(bào)、極地船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體性能等等。同時由于極地寒冷多冰的自然環(huán)境，對整個極地船舶系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性也提出了嚴(yán)格的要求[1]。

作為海洋大國和海洋裝備制造的強(qiáng)國，面對日趨激烈的國際能源競爭，中國越來越重視極地船舶包括破冰船的自主研發(fā)能力。我國對極地航道及極地船舶的研發(fā)需求2013 年才正式提出。相對于近極地國家，我國極地冰區(qū)船舶研究尚處在起步階段，急需開展冰區(qū)航行船的研究工作。本文針對極地船舶進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，討論海冰對極地船舶的作用及其強(qiáng)度問題。

1 極地船舶的特點(diǎn)

在極地及極地周邊地區(qū)航行的船舶，由于低冷的自然環(huán)境，海面固結(jié)成海冰，使極地船舶在方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特性、材料性能、運(yùn)動方式等方面有著特殊的要求。總的來說，極地船舶要有堅(jiān)固的船體，即高要求的船體強(qiáng)度、破冰能力強(qiáng)、防寒性能好、抗御超低溫惡劣環(huán)境、強(qiáng)大的后勤補(bǔ)給、強(qiáng)勁的動力設(shè)備，來御預(yù)期冰況、結(jié)冰、低氣溫、高緯度、極晝/極夜、極端、偏遠(yuǎn)等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2 極地船舶的分類

2.1 按功能分類

極地船舶按功能可分為極地運(yùn)輸船、極地科學(xué)考察船、極地海洋工程船、破冰船[3]。

極地科學(xué)考察船是在南北極海域進(jìn)行考察和研究，具有破冰能力的綜合測量考察船，如中國的"雪龍"號。極地運(yùn)輸船主要是為北極航線全年候運(yùn)行海工模塊等。如Yamal LNG 極地運(yùn)輸船。極地海洋工程船主要用來進(jìn)行極地海上油氣開發(fā)和能源利用。專業(yè)破冰船的主要作用是壓碎冰層，開辟航道。

2.2 按冰級分類

極地船舶需要應(yīng)對極地嚴(yán)酷環(huán)境的挑戰(zhàn)，尤其是海冰的存在，對極地船舶結(jié)構(gòu)提出來更高的挑戰(zhàn)[4]。為了保障極地船舶航運(yùn)安全，世界上主要船級社（如 ABS，BV，DNV，LR，GL，CCS，NK）都制定了各自的冰級規(guī)范。在IACS（國際船級社）頒布的《極地船舶分類規(guī)范》中將極地航行船舶分為7 個級別，如表1，用來規(guī)范指導(dǎo)極地船舶的設(shè)計(jì)建造。

3 極地船舶的破冰方法

極地船舶在極地地區(qū)航行，必然要面對冰雪堆積的海洋環(huán)境，這也是極地船舶與常規(guī)船舶最大的區(qū)別，如何在冰封的海面航行，對極地船舶提出了特別的挑戰(zhàn)，極地船舶常見的破冰方法見表2。

隨著全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的出現(xiàn)，破冰船不僅能船首破冰航行，船尾也能破冰航行。破冰船可以首向正常航行；當(dāng)遇到堅(jiān)硬的冰脊和冰壩時，艉部朝前，利用船尾特殊的螺旋槳將冰脊下方的冰塊"掏空"，實(shí)現(xiàn)破冰前行。

4 極地船舶與冰的作用

極地船舶遭遇的冰載荷取決于船-冰相互作用方式、船體幾何形狀、浮冰的特性和參數(shù)。IACS 極地冰級規(guī)范中，通過計(jì)算船舶與冰碰撞來計(jì)算冰載荷，碰撞過程中考慮了船速、浮冰厚度、冰的幾何形狀等參數(shù)[5]。極地船舶也可能碰到規(guī)范定義之外冰載荷，因此各個船級社給出的定義有所區(qū)別[3]。

表 1 IACS 極地規(guī)范

表2 極地船舶破冰方法

研究船舶與冰相互作用并不是針對全船，而是通過研究船體區(qū)域的影響。極地船舶上有7 個區(qū)域可能會與冰發(fā)生作用[4]。分別為艏柱、艏部、肩部、舯部、舭部、底部和尾部，見圖1。

4.1 船體與層冰的作用

極地船舶破冰前進(jìn)時。依靠螺旋槳推進(jìn)力和特殊的艏部構(gòu)造使船舶艏部駛上層冰，船頭駛上冰層之后會對冰層產(chǎn)生向下的壓力壓斷層冰。船體舷側(cè)及其他曲率較小結(jié)構(gòu)和層冰互相擠壓，在接觸區(qū)域引起局部載荷，阻止船舶的運(yùn)動。因此，需要重點(diǎn)研究冰區(qū)航行船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析。

4.2 船體與浮冰的作用

船舶航行區(qū)域的海冰不連續(xù)，各個離散，船體不同區(qū)域?qū)⑴c浮冰接觸。當(dāng)浮冰在海流作用下發(fā)生較大運(yùn)動時，船體與海冰作用將產(chǎn)生較大作用力。當(dāng)沒有及時調(diào)整航向，舷側(cè)、船肩及艉部等區(qū)域與浮冰發(fā)生碰撞作用。船結(jié)構(gòu)將受到很大局部載荷。

忽略浮冰與船體作用后碎裂，浮冰與船體作用可以簡化為剛體的運(yùn)動方程：

式中：M-浮體質(zhì)量陣；K-浮體剛度陣；ux-浮冰重心水平運(yùn)動速度；uz-浮冰重心垂直運(yùn)動速度；β-浮冰傾斜角；R-冰緣的壓入深度。

4.3 船體與冰脊的作用

海冰受到風(fēng)浪流的聯(lián)合作用，同時隨著溫度、結(jié)構(gòu)的變化，在層冰表面會形成冰脊。由于形成機(jī)理的區(qū)別，其受力更為復(fù)雜。從結(jié)構(gòu)上冰脊可分為由結(jié)構(gòu)較為松散的上部帆高與下部的龍骨結(jié)構(gòu)以及中間被壓實(shí)固結(jié)層。冰脊產(chǎn)生的冰載荷由固結(jié)層導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)載荷和帆高所產(chǎn)生摩擦阻力。

4.4 冰對船體的擠壓作用

由于風(fēng)浪流的存在，冰以一定的速度在海面運(yùn)動。如果冰層較為堅(jiān)硬且與船有一定的相對速度，將會發(fā)生擠壓作用。擠壓力垂直作用在舷側(cè)，作用高度很小并分布于船長方向較長的區(qū)域。對船將產(chǎn)生很大的威脅。

4.5 冰對船體的碰撞作用

圖1 船舶與冰相互作用區(qū)域

圖2 船艏破冰過程示意圖

圖3 船艏與浮冰作用

圖4 船艏與冰脊作用

圖5 船舶與冰相互作用示意圖

極地航行區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，極地船舶會遭受浮冰、碎等的撞擊。因此開展流動冰載荷下船冰碰撞動態(tài)響應(yīng)研究十分必要。1982 年，芬蘭研究人員提出了細(xì)長結(jié)構(gòu)與冰相互作用的數(shù)值仿真模型。后來在此基礎(chǔ)上開發(fā)了寬體結(jié)構(gòu)非線性動態(tài)響應(yīng)的計(jì)算程序（PSSII）。加拿大研究人員在1994 年對船與多年冰及冰山碰撞時的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了考慮流固耦合的非線性船冰碰撞計(jì)算模型。

5 冰載荷理論計(jì)算方法

5.1 能量平衡原理

船體與海冰相互作用過程中，會產(chǎn)生產(chǎn)生能量傳遞，局部海冰將發(fā)生能量損耗[6]。船體與冰接觸后產(chǎn)生的能量損失由海冰的變形所吸收，通過研究兩者作用后海冰變形來計(jì)算船體所收到的冰載荷，就叫能量法。能量法假設(shè)：

（1）冰-船作用中海冰結(jié)構(gòu)沒有破壞，但發(fā)生了變形。

（2）忽略船在海水中的能量損失。

（3）冰-船作用前海冰相對靜止。

（4）冰-船作用位置處于冰層的一個直端點(diǎn)處。

（5）冰層對船體的摩擦?xí)翰豢紤]。

能量法通過碰撞來建立相應(yīng)的冰載荷模型[7]，得到冰載荷產(chǎn)生的壓力和作用范圍。計(jì)算中考慮了船速和浮冰特性（如浮冰強(qiáng)度、形狀和厚度等）[8-10]。通過建立能量法基本方程，求船體的海冰作用力。

5.2 冰力函數(shù)求解

求解能量方程需要知道船體和冰作用后的變形情況。加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)Daley 教授在1999 年對Popov 的模型進(jìn)行了拓展，建立的冰載荷模型適用于其他典型的船舶與冰相互作用工況，提出了修正能量方法，得到的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。當(dāng)船舶通過壓碎與冰相互作用時，最大作用力公式如下[8]。

式中：fa與形狀有關(guān)，Vship、Mship是船的速度和排水量，PO是冰的厚度。

5.3 海冰動力學(xué)本構(gòu)模型

目前為止，學(xué)者們提出了很多海冰動力學(xué)本構(gòu)模型，如粘塑性模型、彈塑性模型、各向異性模型和粘彈塑性模型等。利用能量方程或加權(quán)殘量方程，用有限元法求解船舶或結(jié)構(gòu)與海冰的作用力和力矩。Lau 等人分別采用二維和三維海冰相關(guān)問題的離散元法對一系列海冰-結(jié)構(gòu)和海冰－船的碰撞問題進(jìn)行了模擬。

根據(jù)極地船舶與冰的相對速度可以將冰載荷分為靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)。冰載荷為隨機(jī)載荷，當(dāng)不考慮冰載荷隨時間變化的特性時，海冰為靜載荷，此時船的響應(yīng)為靜態(tài)響應(yīng)。當(dāng)考慮冰載荷的歷時過程時，船的響應(yīng)為動態(tài)響應(yīng)。極地船舶的動態(tài)響應(yīng)包括受到動態(tài)冰載荷時的強(qiáng)度與振動問題，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)極地船舶對動態(tài)冰載荷的響應(yīng)。

6 結(jié)論

最近幾年，關(guān)于極地船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析問題的理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)在不斷完善。國際船級社聯(lián)合會等制定了相關(guān)極地船舶的規(guī)范，為極地船舶的設(shè)計(jì)建造提供參考。但是，極地船舶與海冰的作用方式與強(qiáng)度計(jì)算方法還是沒有完美的解決，國內(nèi)極地船舶的研究剛剛起步，缺乏建造經(jīng)驗(yàn)，極地船舶還沒有形成規(guī)范體系，需要在今后研究和建造中不斷積累和發(fā)展。