極地重型破冰船結構設計特點淺析

王燕舞 楊薛航 曾 佳 徐義剛 張 偉

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引言

近年來，在國家極地研究開發(fā)整體戰(zhàn)略的指引下，國內(nèi)極地航行船舶的研發(fā)、設計與建造方興未艾，我國先后開展了各類中低冰級極地運輸船、中高冰級極地科考船、中高冰級海洋工程船等船型的開發(fā)與建造工作，積累了一定的極地船型工程經(jīng)驗。以中國船舶及海洋工程設計研究院（下文簡稱：本院）為例，在“十二五”至“十三五”期間，先后承擔了我國首艘極地科考破冰船“雪龍2”號（PC3）的詳細設計工作，以及各類中低冰級極地多用途運輸船（PC5）、中高冰級極地科考船（PC3）船型開發(fā)任務等。針對極地船型冰載荷研究、冰區(qū)結構優(yōu)化設計、冰載荷作用下局部強度/總強度評估和極限強度評估等結構設計關鍵技術，持續(xù)開展技術攻關，總結設計研發(fā)經(jīng)驗[1-7]，已形成較為全面的極地船型結構設計與評估能力。

而隨著北極航道商業(yè)化的逐步深入、北極地區(qū)油氣資源開采步伐的加快、兩極科考深度擴展，極地管理事務的重要性和應急救援需求亦日益凸顯。為保障我國在極地水域從事船舶航運和極地科考任務人員的生命和財產(chǎn)安全，實現(xiàn)我國極地裝備開發(fā)的戰(zhàn)略需求，提升我國在極地水域的航道開辟和維護、兩極旅游、資源開發(fā)利用以及綜合補給保障能力，自主開發(fā)和建造可在極地長期存在的重型破冰船已成為現(xiàn)實存在的緊迫需求。

極地重型破冰船是極地航路開辟、救援支援、科學考察及資源開發(fā)的重點保障裝備。與中低冰級極地船型/破冰船相比，其長年暴露于極地低氣溫環(huán)境，營運工況更為惡劣。由于其高冰載荷作用環(huán)境特點，該船型在高強度鋼/特種材料應用、冰載荷作用下結構安全評估、船體結構布置設計等方面有其鮮明特征。國內(nèi)基于現(xiàn)有各類冰級相對偏低的極地船型開發(fā)得出的設計經(jīng)驗是否可推廣應用于極地重型破冰船，還有待進一步研究驗證。

本文以本院近期開發(fā)的某型PC2 級極地重型破冰船型（以下簡稱：示例船型）為例，總結其結構設計/評估經(jīng)驗，就冰區(qū)構件高強度結構鋼（如：E500 等）應用、冰區(qū)外板復合鋼板應用需求與特點、非線性評估技術應用對冰區(qū)構件尺度影響、高冰級冰致剪力/彎矩分布特點及其對主船體內(nèi)部構件設計影響展開討論，著重闡明此類船型結構設計特點及其與中低冰級極地船型/破冰船在整體結構布置思路、冰區(qū)結構評估設計方面的主要區(qū)別。

1 極地重型破冰船規(guī)范背景及示例 船型簡介

1.1 IACS POLAR CLASS

對于極地航行船舶的結構加強，國際船級社協(xié) 會（international association of classification societies,IACS）已形成有效決議（即UR I），合同建造日期在2008 年3 月及其后的船舶均需予以遵循。其與各冰級對應的冰載荷確定、冰帶加強區(qū)域、具體加強要求等已自成體系且較為完備。

該規(guī)范重視船首受浮冰擦碰的作用影響，將其作為主要結構設計工況。在計及船長、排水量、船體外形（水線角、縱剖面角、肋骨角和肋骨垂向角等）等影響的同時，引入反映浮冰擦碰特性的船級因子進行計算。該船級因子為與各冰級（PC1 至PC7）相對的常數(shù)，包含壓潰失效（crushing failure class factor,CFC）、撓曲失效（flexural failure class factor,CFF）、載荷板尺寸（load patch dimensions class factor,CFD）、排水量（displacement class factor,CFDIS）、總縱強度因子（longitudinal strength class factor,CFL）等多個分項。將船體在縱向上劃分為兩大部分：艏部區(qū)與非艏部區(qū)（含艏部過渡區(qū)、船舯區(qū)和艉部區(qū)，而各區(qū)在垂向上進一步細分為冰帶區(qū)、下部區(qū)和底部區(qū)）。設計冰載由一假想的矩形設計冰載荷板（b×w）上的均布壓力Pavg表示。目前，各主要船級社規(guī)范基本上予以完全引用，在部分細則上略有區(qū)別。具體參見IACS 及各船級社相關規(guī)范[8～11]。

IACS UR I2 中關于破冰船型的船體區(qū)域劃分、設計冰載荷以及具體的構件尺寸計算形式，與冰區(qū)加強船型基本一致。針對破冰船型，考慮其任務剖面特征，重點就艉部區(qū)進行特殊考慮：艉部區(qū)域劃分參考艏部區(qū)設計，冰帶區(qū)及下部區(qū)船體區(qū)因子大幅增加，參見相關規(guī)范[8～11]。

1.2 RMRS ARC Icebreaker船級

俄羅斯船舶登記局（Russian maritime register of shipping,RMRS）的《鋼質海船入級規(guī)范》中，ARC 船級在船體區(qū)域劃分思路、設計冰載荷形式與IACS PC 相近，但具體區(qū)域劃分定位點與線型特征結合更為緊密。垂向范圍更進一步細分為：冰帶區(qū)I、過渡區(qū)II、舭部區(qū)III 和平底區(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，但計算式側重點各不相同，其中艏部/艏部過渡區(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)。尤其是針對高冰級ARC 船型和破冰船提出了細致規(guī)定，如：艏部冰趾、艉部冰刀設置要求，以及禁用球鼻艏（ARC 8～ 9）、直立式艉封板(ARC 6～ 9)等。

在ARC 冰級船體區(qū)域劃分的基礎上，RMRS 規(guī)范為破冰船型設置了獨立的船體區(qū)域劃分，針對艏部、艉部冰帶范圍進行強化處理，如圖1[3]所示。對破冰船各船型線型參數(shù)，如：艏柱角、肋骨角范圍等，按冰級、船體縱向位置不同，提出了較具體的規(guī)定，并在設計冰載荷的計算上予以體現(xiàn)[4]。

圖1 RMRS 冰區(qū)加強船型與破冰船型船體區(qū)域劃分對比[11]

1.3 示例船型結構設計簡介

示例船型系本院近期開發(fā)的一型PC2 級、25 000噸級極地重型破冰船型，主要船型參數(shù)見表1。

表1 示例船在主要船型參數(shù)

示例船型概貌及結構布置特征參見圖2 和下頁圖3 的三維模型示意及舯部典型橫剖面。

圖2 示例船型三維模型

圖3 示例船型中橫剖面設計（機艙區(qū)上建與冰區(qū)縱向結構布置）

2 重型破冰船冰區(qū)構件選材

極地船型工作環(huán)境惡劣，除常規(guī)風、浪、流等因素影響外，還將承受多種冰載荷的聯(lián)合作用，包括艏部沖擊載荷、船舯區(qū)舷側擠壓力等。此外，對于極地/冰區(qū)航行工況，浮冰沖撞及二次反射碰撞等對舷側結構的意外傷害亦需重點關注。同時，低氣溫是極地環(huán)境重要特征。極地重型破冰船存在長年極地作業(yè)需求，船體構件及其毗鄰構件長期暴露于低氣溫環(huán)境，所采用的鋼材及其焊接接頭應具有耐低溫脆斷的特點，以保障運營安全。

因此，復雜冰致載荷作用與低氣溫環(huán)境下冰區(qū)結構材料的合理選取是重型破冰船結構設計安全的首要命題。關于低氣溫選材設計流程及要點分析，重型破冰船與極地船型設計并無本質區(qū)別，本文不作贅述，重點就高冰載荷作用對材料選型影響展開論述。

2.1 高強度鋼應用

極地船型常規(guī)冰區(qū)結構設計方案系通過加厚外板、加密肋骨、增設/加大冰區(qū)縱桁等手段，保證冰載荷作用下的結構完整性。但隨著冰級的升高，特別是對于PC2 及以上等級的重型破冰船而言，純粹的增設構件數(shù)量、增大構件尺度存在較大的局限性。示例船的艏部區(qū)域內(nèi)部構件設置情況示意見圖4。

圖4 示例船的艏部區(qū)域內(nèi)部構件設置

僅以結構質量控制而言，PC3 級“雪龍2”號科考破冰船結構質量與設計排水量之比大致在42.5%，而PC2 級示例船則上升至44.7%左右。更為棘手的是，在艏艉區(qū)域特定線型及艙室布置條件下，施工空間及構件裝配問題極大地限制了內(nèi)部支撐構件數(shù)量與尺度；此外，構件厚度過大也將導致焊接工藝復雜、生產(chǎn)效率低下等工藝與成本問題。

因此，在深度優(yōu)化冰區(qū)構件布置與節(jié)點設計的同時，材料方面采用高強度鋼是成本相對可控的現(xiàn)實可行方案，俄羅斯、芬蘭等極地研究先進國家已建立了相對完備的極地材料體系和評價技術體系。針對極地船舶裝備，俄羅斯前期主要采用AK 系列和AB 系列高強鋼，自2000 年起，俄羅斯專門開發(fā)了以“ARC”為后綴的極地專用高強鋼，強度級別范圍涵蓋了315～ 725 MPa，其中690 MPa 級別的高強鋼焊縫在-60 ℃下的沖擊功超過了80 J；后續(xù)計劃進一步開發(fā)屈服強度為890 MPa 和960 MPa 級的極地用鋼。美國、北歐環(huán)極地國家等設計建造的極地重型破冰船除采用常規(guī)標號EH40/FH40鋼外，視設計需要，關鍵區(qū)域冰帶及其附連結構已大量采用E500/ F500、E550/F550 系列高強鋼。

表2 為示例船型在各船體區(qū)域外板設計應用500 MPa 級別鋼材后，設計厚度與355 MPa 級H36鋼、395 MPa 級H40 鋼的對比情況。

表2 示例船型外板厚度及鋼級

此外，采用500 MPa 級別高強鋼后，艏部區(qū)、艏部過渡區(qū)肋骨高度也可不同程度地縮減50～ 100 mm，各類冰區(qū)縱桁高度大致可縮減100～ 150 mm，在保證設計安全的前提下，顯著改善了施工環(huán)境，提高構件裝配/焊接質量。

2.2 復合鋼板應用

極地船型外板防護系統(tǒng)的有效與否對其腐蝕/磨蝕裕度的選取存在重大影響。以IACS PC1 至PC3為例，在是否采取有效保護條件下，PC1 至PC3級艏部區(qū)外板裕度規(guī)范要求取值分別為3.5 mm、7.0 mm[8]，兩者相差1 倍。RMRS 規(guī)范環(huán)境下同樣存在類似條文，在應用CLASS I、CLASS II 防護涂層情況下，外板年腐蝕速率可分別折減25%和50%；針對破冰船，CLASS I、CLASS II 對應涂層黏結強度要求分別達到16 MPa 和10 MPa 以上[11]，對涂層提出了較高要求。

而極地重型破冰船在極區(qū)高冰載荷環(huán)境下長年高強度作業(yè)的特性，對其外板耐腐蝕/磨蝕性能、低維護性更提出了較高需求。與常規(guī)防冰涂層相比，復合鋼板優(yōu)勢在于覆層剪切強度高、附著力強，防磨蝕性能優(yōu)異；低維護性，可滿足長年連續(xù)作業(yè)需求；耐海水腐蝕能力強等。

因此，除研發(fā)高效強附著力涂層外，針對重型破冰船極地長年駐點作業(yè)特征，在關鍵區(qū)域（如：艏部區(qū)、艏部過渡冰帶區(qū)外板等），采用復合鋼板（低溫高強度鋼基板+不銹鋼復層）是滿足其耐腐蝕/磨蝕、低維護性要求的合理技術途徑。國外部分破冰船型上已成功實現(xiàn)實船應用，如：芬蘭“北極星”號冰帶區(qū)采用48 mm 基層鋼板+5～ 7 mm 復層不銹鋼，見圖5（a）；俄羅斯“北極”號重型破冰船首部等舯前區(qū)域采用АБ1 基層鋼板+奧氏體不銹鋼復層，見圖5（b）。

圖5 重型破冰船復合鋼板應用示意

結合前述高強鋼應用分析章節(jié)，可知重型破冰船的艏部區(qū)、各冰帶區(qū)外板存在500 MPa 級及以上級別基材復合鋼板的研發(fā)需求。國內(nèi)“十三五”期間成功研發(fā)355 MPa、390 MPa 級別基材復合鋼板，已實現(xiàn)小批量工業(yè)化試制，后期將繼續(xù)針對高等級基材開展進一步研發(fā)工作。

但與涂層相比，復合鋼板不銹鋼復層偏厚、密度大、不利于船體結構質量控制，尤其是在現(xiàn)行設計規(guī)范未針對此類材料應用設置容許腐蝕裕度折減條款的情況下，該問題可能更為突出。此外，復層表面完整性要求較高，對材料成品轉運、外板成型加工工序、船體建造施工環(huán)境要求較高，并且焊接工藝、加工成型工藝相對復雜。因此，相關規(guī)范適應性研究/改進與實船應用技術研究亟待開展。

3 非線性分析應用對冰區(qū)構件設計影響

冰區(qū)航行船與海冰相互作用工況多樣，且所受局部冰載荷位置和載荷強度具有很大的隨機性。船體與海冰相互作用過程中所遭受隨機冰載荷可能超過設計冰載荷，有一定幾率使結構產(chǎn)生塑性變形。當部分構件發(fā)生塑性應變或永久變形后，結構仍然有很大的塑性承載能力儲備，能夠抵抗結構的破壞。若單純采用彈性設計理念，往往會導致船體結構加強得過多[12]。若采用極限載荷設計準則，考慮合理利用結構的塑性承載能力，則能有效減輕結構質量。極地船型設計規(guī)范允許結構發(fā)生一定程度的塑性變形[8]，但是關于極地船舶的結構強度分析標準以及極限載荷準則的選取，尚未完全達成一致，有待進一步探討。

基于塑性設計的船體結構通常采用直接計算方法（非線性有限元分析方法）進行結構強度評估，極限載荷根據(jù)載荷變形曲線和極限載荷準則計算求得[13]。其中載荷變形曲線可通過非線性有限元分析結果得到，由載荷變形曲線根據(jù)極限載荷準則可求解得到極限載荷。已有研究表明，針對極區(qū)船舶較為合理的極限載荷準則有切線法（Krylov 法，板架法）、最大彈性變形法和兩倍彈性斜率法等。例 如：文獻[7]基于某20 000 噸級PC5 級極地多用途運輸船分析結果，認為兩倍彈性斜率法工程實用性較好；RMRS 規(guī)范規(guī)定結構的極限承載能力基于非線性靜力有限元分析并結合改進的切線法得到[11]，見圖6。

圖6 RMRS 主要支撐構件極限載荷確定標準

示例船設計過程中，對艏部以及艏部過渡區(qū)域進行了設計冰載荷計算，并對冰載荷作用下的強度（永久變形、許用冰載荷、極限強度以及剩余強度）進行分析，即：通過加載/卸載到規(guī)范設計載荷，考察了設計冰載荷下永久變形，如下頁圖7 所示，計算得到永久變形小于骨材間距的0.2%；基于載荷變形曲線，結合極限載荷準則，采用兩倍彈性斜率法求解得出許用冰載荷；進而通過逐步加大載荷（最大為3 倍設計冰載荷）至不收斂得到結構的極限強度。

圖7 示例船的艏部過渡區(qū)冰載荷施加工況及變形示意圖

實際計算過程中，對于艏部區(qū)域，計算許用冰載荷與規(guī)范設計冰載荷的比值≥1.08，針對艏部過渡區(qū)該比值≥1.56；計算得出艏部區(qū)域極限載荷與規(guī)范設計冰載荷的比值≥1.25，針對艏側推區(qū)域該比值≥1.22。由此可知，示例船基于規(guī)范的關鍵區(qū)域結構設計存有相對偏大的安全裕度，如采用基于非線性分析的塑性設計理念，可在一定程度上合理壓縮安全裕度，降低結構質量，優(yōu)化施工空間。

VALTONEN[14]通過對不同冰級船型主要支撐構件采用線性、非線性分析方法進行對比計算，認為針對PC3 及以上冰級船型，采用非線性分析方法可大幅降低主要支撐構件質量，這與本文計算得出的結論是相吻合的。

4 高冰載荷特性對結構設計全局性影響

基于示例船結構設計評估實踐，對于PC2 及以上冰級極地重型破冰船而言，其高冰載荷特性已不再限于局部冰區(qū)構件設計與局部強度評估范疇，而是對結構全局性設計布置產(chǎn)生決定性影響。一方面，冰致彎距/剪力大小及其沿船長分布情況將對總縱強度特性產(chǎn)生較大影響，進而成為某些主要縱向構件設計的主控制因素；另一方面，高冰載荷作用影響區(qū)域的擴大，將對傳統(tǒng)定義上冰區(qū)外構件的設計評估產(chǎn)生根本性改變。

4.1 總縱強度特征對構件全局布置影響

與常規(guī)敞水航行船舶相比，極地船型尤其是極地破冰船總縱強度評估特殊之處源于船型主尺度、破冰工況的特殊性；前者要求波浪載荷采用直接計算方法，后者需核算垂向設計冰作用彎矩/剪力對總縱強度的影響。文獻[3] 結合實船設計對比各規(guī)范環(huán)境垂向設計冰載荷與波浪載荷，認為針對PC2級及以上重型破冰船，冰致彎距/剪力遠超波浪彎距/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力構件的主要控制因素之一。

對于示例船冰級（PC2）、船型尺度而言，該結論同樣成立。下頁圖8 為示例船垂向設計冰載荷與中垂波浪載荷數(shù)值及沿船長方向分布對比情況；后頁圖9 為疊加最小中拱靜水彎距后，示例船中垂波浪工況（a、b）與冰致工況（c、d）合成應力圖對比。

圖8 示例船垂向設計冰載荷與波浪載荷對比

圖9 中垂波浪工況（a、b）與冰致工況（c、d）合成應力圖對比

由此可知：高冰載荷作用影響區(qū)域已不僅僅局限于冰區(qū)構件，其已超越/替代波浪載荷，成為主要縱向構件設計的主控制因素。船首區(qū)域，尤其是距首垂線0.1L范圍內(nèi)的內(nèi)部主要支撐構件（如：縱橫艙壁）設計，除應按常規(guī)評估局部冰載荷作用下構件局部強度安全外，還應根據(jù)上灘工況下冰致剪力分布特征，重點考慮其整體抗剪性能。

對于示例船船型尺度及冰級而言，除常規(guī)上層連續(xù)甲板、內(nèi)殼縱艙壁外，長橋樓/艏樓區(qū)域縱向結構設計（如：外圍壁、船中區(qū)域縱向內(nèi)圍壁等），也應重點考慮冰致彎矩作用對整體構件布置及尺度影響，以縱骨架式為宜，如圖2 和圖3所示。

4.2 高冰載荷特性對船體內(nèi)部構件設計影響

高冰載荷特性除對極地重型破冰船總縱強度評估及其主要縱向構件設計產(chǎn)生顯著影響外，對水線附近區(qū)域船體內(nèi)部構件的設計評估亦產(chǎn)生顛覆性影響。

對于中高級及以下冰級船型而言，冰載荷的作用影響區(qū)域一般僅限于冰區(qū)外板及其附連骨架，一般不超出邊艙范圍。以PC3 級萬噸級破冰船型主船體內(nèi)部平臺/甲板設計為例（參見圖10），為抵抗冰壓作用，綜合考慮強度及屈曲因素，一般僅在邊艙范圍內(nèi)加厚并設置加密橫向骨架，其余內(nèi)部區(qū)域常規(guī)作縱骨架式處理，參見圖10（a）示意。該方案可兼顧冰壓與總縱強度要求，構件各司其職，整體設計相對較優(yōu)。

圖10 示例船型平臺結構設計

但對于示例船型尺度及冰級而言，受高冰載荷作用，邊艙區(qū)域外內(nèi)部平臺的屈曲問題亦極為嚴重。如采用常規(guī)縱骨架式設計，平臺板厚需取至22 AH36，方能滿足屈曲要求。因此，需要識別主要矛盾，轉換思路，整體改為橫骨架式設計，如圖10（b）所示，即在一定程度上付出抵抗總縱荷載效率降低的代價，實現(xiàn)整體設計最優(yōu)。對比計算證明，橫骨架式甲板可取至16AH36，盡管需增設甲板縱桁，但該區(qū)域甲板板架的質量可整體減輕13%以上。

5 結論

本文以本院近期研發(fā)的某PC2 級極地重型破冰船型為例，重點就此類船型冰區(qū)構件高強度結構鋼（如：E500/F500 等）應用、冰區(qū)外板復合鋼板應用需求與特點、非線性評估技術應用對冰區(qū)構件尺度影響、高冰級冰致剪力/彎矩分布特點及其對主船體內(nèi)部平臺和橋樓側壁等構件的設計影響展開討論，認為隨著冰級升高，高冰載荷的影響已不僅僅局限于冰區(qū)外板及其附連構件區(qū)域，而是在整船全局性結構布置、設計及材料選型等方面產(chǎn)生重大影響。

總結該類船型結構設計/評估經(jīng)驗，本文得出以下幾點設計建議與結論：

（1）PC2 級及以上冰級的極地重型破冰船冰區(qū)構件材料宜盡可能采用E500/F500 級別以上鋼材，以實現(xiàn)構件尺度的有效控制。

（2）極地重型破冰船關鍵區(qū)域外板設計采用復合鋼板是合理可行的技術方案之一。國內(nèi)宜基于重型破冰船設計建造需求，盡早開展500 MPa 級及以上基材復合鋼板的研制工作及相關實船應用工藝研究。

（3）采用基于非線性分析的塑性設計理念，可在一定程度上減輕冰區(qū)主要支撐結構質量，優(yōu)化施工空間。

（4）高冰載荷產(chǎn)生的冰致剪力/彎距成為主要縱向構件設計的主控制因素。船首區(qū)域，尤其是距首垂線0.1L范圍內(nèi)的內(nèi)部主要支撐構件（如：縱橫艙壁）的設計，除應按常規(guī)評估局部冰載荷作用下構件局部強度安全外，還應根據(jù)上灘工況下冰致剪力分布特征，重點考慮其整體抗剪性能。

（5）高冰載荷作用影響區(qū)域的擴大，不再局限于冰區(qū)外板及其附連構件，將對傳統(tǒng)定義上冰區(qū)外構件的設計評估產(chǎn)生根本性改變。