极地船舶规范及其主要技术发展

通过梳理极地船舶国际公约、规范技术现状，分析中国船级社建立的极地航行船舶规范特点，并结合我国极地战略及发展需求，总结未来极地船舶规范的技术发展趋势。针对极地船舶破冰技术、防寒技术和航行及保障技术等重要关键技术问题，从船舶结构冰载荷技术、冰载荷作用下的结构强度计算、冰载荷激励下螺旋桨和轴系强度、极地船舶防寒设计与低温试验验证、极地操作能力评估和冰区操作船体监测技术等方面进行阐述，提出了发展建议，为未来我国极地船舶规范体系的自主构建提供技术支持。     

极地冰区船舶发展分析

分析了极地冰区船舶发展的背景,对极地航道、资源开发等因素等进行论述,认为发展极地冰区船舶是未来船舶行业发展的重要方向。研究了与极地航行船舶相关的规范、规则的发展情况,认为规范和规则对极地冰区船舶的运行安全和减少排放等要求日趋严格,各船级社对极地船舶的设计要求和验证方法逐渐统一。介绍了当今世界主要的破冰船船型及动力系统,并对极地冰区船舶的发展特点进行分析。     

基于规范应用的冰载荷分析研究

基于国际船级社协会极地冰级规范,研究了冰载荷计算公式,从挤压力计算、船冰作用工况、冰压力-面积关系、船级因子及船体区因子等方面研究了规范的理论基础。基于目前极地发展现状,本文分析了开展极地水面舰船规范研究的必要性,在分析现有国际船级社协会极地冰级规范不足的基础上,提出了极地水面舰船冰级规范的研究方向。     

冰载荷作用下船体结构强度有限元分析方法

针对船舶在冰区航行过程中船体承受冰载荷的直接撞击作用,存在结构损坏风险的情形,旨在研究建立冰载荷作用下船体结构强度有限元分析的技术实施方法.分析船—冰相互作用特点,研究结构分析时冰载荷的理想化及施加方法,基于冰区船舶结构特点提出极地船舶有限元建模方法,考虑线性和非线性分析方法的差异研究结构强度校核准则,在此基础上,构建线性和非线性有限元分析方法在极地船结构强度分析过程中的实施方法和技术途径.通过实船结构船首和船中结构强度分析的计算验证,该方法具有较好的可操作性,可为极地船舶的结构强度分析提供参考.     

极地船轴系的强度设计分析

极地船舶的开发是我国极地战略目标的重要支撑部分，而船舶的动力心脏——推进系统的强度设计因极地冰区的多工况航行变得更为复杂。为保证船舶在极地航行的可靠性和安全性，该文介绍了DNV船级社关于极地船轴系强度的基本设计理念和相应的规范要求。关于冰载激励对推进系统设备的影响，DNV基于其经验推荐了1种考虑柴油机气缸激励和冰载激励相位角的数字解决方案。文中应用DNV开发的Nauticus Machinery软件对某PC4级别的冰区船舶轴系分别进行了时域和频域扭振计算，然后采用Palmgren-Miner线性累积疲劳方法进行了该轴系尺寸的合规性分析，并对时域分析结果和频域分析结果进行了比较。针对极区船推进轴系的强度设计，文章提出了1种迭代方案来进行轴系的尺寸设计及优化。     

基于环向裂纹法的冰激载荷船舶运动响应研究

为保证船舶在冰区安全航行和船上机械设备安全，需要考虑冰激载荷特性引起的船舶运动响应问题。论文以一艘极地运输船作为研究对象，采用基于半经验公式的数值方法模拟连续破冰情况下船舶所承受的冰载荷，求解冰区船舶在平整冰区域直航过程中由冰载荷冲击引起的运动响应，计算分析横荡、纵荡和垂荡3自由度冲击加速度，同时基于中国船级社规范，选取PC3冰级，计算规范要求的冲击加速度，将两者计算结果进行对比，揭示了在不同冰厚、弯曲强度和船-冰摩擦系数下加速度的变化趋势。此数值模拟方法对冰区船舶设计与冰区航行具有一定的指导意义。     

船体冰载荷的反演确定法（英文）

由于船体结构受到的外部载荷及载荷承受能力决定了船体结构的损伤程度，因此船舶在冰区海域航行的安全性与其受到的冰载荷直接相关。本文根据极地科考补给船S.A. Agulhas II的原型测量数据，给出了两种艉肩部冰载荷的反演确定方法：一种为根据试验建立的影响系数矩阵法来确定肋骨处受到的冰载荷，另一种为利用Tikhonov正则化建立的三种离散方式来确定外板区域受到的冰载荷。计算结果表明，这两种方法均能克服数据处理过程中的病态性并得到船体结构的冰载荷。     

极地破冰船冰区结构设计规范对比研究

通过对各主要船级社关于破冰船结构设计的规范进行比较和分析,研究了不同规范关于冰级定义、船体加强区域划分、材料和腐蚀余量、船体外形参数、冰载荷、冰区总强度、冰区构件尺寸以及结构设计细则的具体要求;总结了各种规范体系的特点,为今后极地破冰船的结构设计研发提供了规范参考,具有一定的现实意义。     

基于流固耦合方法的极地船型破冰性能研究

破冰性能是极地船舶总体性能的重要组成部分,开展极地船舶破冰性能理论研究对极地船舶的船型开发具有重大意义。论文选用带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效材料模型模拟平整冰层,采用LS-Dyna流固耦合方法模拟极地船舶在极地无限冰区中连续破冰航行的场景,分析3种不同船型船舶的破冰性能差异。研究结果表明,在平整冰区连续破冰航行过程中,极地船舶所受冰载荷具有高度非线性震荡特征,船首与冰层直接作用区域的应力呈环状分布。直立型首和球鼻型首极地船型主要使冰层发生挤压破坏,而破冰型首极地船型能够有效引导冰层发生下压弯曲破坏,并最大程度地限制冰层的挤压破坏,其破冰性能优于其余两船型。     

冰区航行船舶轴系时域瞬态扭振计算及软件开发

对在冰区航行船舶柴油机推进轴系运行过程中螺旋桨与冰块相互作用特点及各阶段螺旋桨冰载荷激励力矩时域特性进行研究。采用集总参数法建立扭转振动当量模型,运用Newmark-β法对基于冰载荷作用下某船舶推进轴系进行时域瞬态扭转振动理论计算与分析。基于VB.NET软件开发平台与MATLAB软件进行混合编程,开发了通用的冰区航行船舶推进轴系时域瞬态振动计算与分析的工程应用软件,并与国外软件计算报告进行对比分析,对软件的正确性进行了验证。这项研究对船舶推进轴系在极地/冰区海域的安全性运行提供了理论指导。     

极地物探船冰载荷有限元计算方法

采用LS-DYNA有限元软件建立极地物探船的船-水域-海冰有限元模型，计算得到该型船在设计破冰厚度和设计航速下的冰载荷量和冰载荷时程曲线，并进一步研究冰体单元尺寸对冰载荷计算结果的影响。研究表明，冰载荷最大值随冰体有限元单元尺寸减小而减小。对比相关冰载荷经验公式计算结果，最终确定合理的冰体单元尺寸。研究结果对极地物探船的结构设计和结构安全性评估具有重要意义。     

砰击载荷作用下双体船强度计算方法研究

舰船的砰击载荷与结构响应的研究一直备受关注.对于双体船来说,砰击按部位可分为底部砰击、外飘砰击和甲板上浪,和连接相邻船体的甲板下侧,即湿甲板砰击.目前对于双体船的砰击计算还不完善,因此对于该船型的砰击研究十分必要.本文分别利用规范计算和直接计算的方式,对砰击载荷作用下双体船强度影响进行研究.规范计算主要基于中国船级社规范计算砰击载荷,直接计算则是通过线性势流理论预报船波相对速度,借助相关规范确定砰击压力系数,实现砰击载荷的直接计算.通过有限元软件加载计算,分析比较2种载荷计算方法对双体船强度的影响,以指导砰击载荷作用下双体船局部结构的设计实践.     

极区船舶冰带构件极限载荷评估

弹性设计准则下,极区船舶通常需要过度的结构加强以确保航行安全。若采用极限载荷设计准则,考虑结构的塑性承载能力,利用一部分屈服点之后的强度储备,则能大大减轻结构重量。本文以中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）研发的某20000吨级PC5级极地多用途运输船为目标船型,基于IACS URI规范关于冰载荷及相应计算工况的要求,进行了非线性有限元分析。基于计算结果,工程计算推荐100mm×100mm的网格尺寸,材料定义推荐使用理想弹塑性材料。通过对比不同极限载荷准则,认为两倍弹性斜率准则相对更适用于船舶构件。研究成果可为极区船舶结构的设计与强度验证提供参考。     

艏艉破冰模式极地船冰区划分及冰载荷弯矩剪力对总纵强度的影响

对于首尾破冰模式的极地船舶,规范中并没有详细给出其冰带划分的方法,仅仅提到尾部破冰参考艏部破冰区域划分,但由于船体尾部线型和艏部线型差距较大,故并不能很好的适用,本论文以一艘PC4级110kt极地原油船为例,就此针对尾破冰模式进行冰区带划分。 另外冰载荷产生的弯矩剪力对船体总体强度的影响也在本文中论述。     

船冰碰撞载荷下船舶结构加强方案研究

为了探究水介质对船—冰碰撞结构响应的影响,文章首次对考虑水介质中的船—冰碰撞问题进行了研究。模拟了船舶与冰体在水介质中的碰撞场景,研究船—水—冰三者共同耦合作用对船—冰碰撞的影响。将该计算方法应用于船—冰碰撞的多种工况计算,对比分析了增加外板厚度、横隔板厚度以及肋骨间距等多种加强方案对船体结构响应的差异。揭示了碰撞区域的损伤变形、碰撞力、结构吸能随外板厚度、横隔板厚度和肋骨间距的变化而变化的规律,分析了船舶肩部各主要构件对于抵抗冰载荷作用的能力及贡献。所得结论对于进行冰区船舶结构设计具有参考作用。     

船舶典型节点疲劳强度试验及S-N曲线拟合方法研究

疲劳评估的关键问题是S-N曲线的选取,对于某些结构复杂的大型船舶特有的结构形式,现有规范没有合适的S-N曲线.为了更合理准确地进行结构疲劳强度研究,本文选取某型具有复杂结构的船舶,用实尺度模型试验的方法研究几种典型节点的S-N曲线特性.通过全船有限元谱分析疲劳强度计算,筛选出疲劳问题重点关注区域,确定模型试验部位;根据疲劳问题严重区域的实船结构,设计加工典型节点实尺度疲劳试验模型;确定多个加载工况,进行典型节点疲劳强度试验,获取典型节点多种载荷工况下的疲劳寿命值,在此基础上,研究得到各节点S-N曲线及P-S-N曲线;应用试验所得P-S-N曲线,对船体典型节点部位进行疲劳强度评估,并与规范S-N曲线结果进行了对比,指出了它们的差异.     

低温环境下的锚链性能和选用标准

随着极地航道和油气资源的开发,造船和海工行业开始更多地关注现有装备在极地低温条件下的使用性能。锚链是船舶和平台定位用的重要组件,在使用过程中不可避免会暴露在冰冷海水和极地寒冷的空气中,有时甚至会受到浮冰冲击。钢铁材料的性能会受到低温的影响,从而产生脆化并降低可靠性。文章研究了不同等级的锚链(包括系泊链)材料在低温下的拉伸和冲击性能,并结合现有船级社规范中关于低温环境使用的材料和锚链的要求,对此类条件下锚链的设计和选用提出了参考。     

冰载荷下的船舶运动建模

随着极地航道的开辟以及极地海洋能源开发的需要,海冰与船体的相互作用以及极地船舶航行与作业安全越来越受到关注。本文主要针对破冰过程的几个典型阶段,对冰载荷对船舶的作用力进行了分析与计算,并考察了破冰船在不同的海冰密集度、冰厚以及船舶不同航速情况下的不同影响。     

冰区航行船舶推进轴系扭转振动研究

本文以低速柴油机船舶推进轴系为研究对象,在对4叶螺旋桨单片桨叶与冰块相互作用激励力矩时域曲线基础之上,得到螺旋桨与冰块作用的总激励力矩时域曲线和频域曲线；采用集总参数法和系统矩阵法分别构建轴系振动模型和振动方程,对未考虑冰载荷和考虑冰载荷激励力矩作用下进行了轴系振动理论计算；同时通过实船测试验证了未考虑冰载荷激励力矩作用时振动数学模型和理论分析方法的正确性,对降低船舶轴系振动和提高船舶安全性具有一定的理论指导意义。     

中国新型极地考察船冰载荷预估研究

本文针对中国新型极地考察船所受冰载荷进行了研究,其中包含了平整冰阻力和浮冰碰撞力.对于船舶设计者和建造者来说,船舶冰载荷的预估非常重要.本文采用经验公式方法计算了该船在平整冰中航行的冰阻力,并且与模型试验结果进行了对比.结果显示,计算和试验结果中的冰阻力都随船舶航行速度的增大而增大,经验公式方法可以预测出合理的平整冰阻力.通过计算得到了该船的性能曲线,即该船在不同厚度平整冰中航行所能达到的速度.此外,本文还考虑了该船与圆形浮冰之间的三维斜向碰撞问题,采用解析方法评估了浮冰对船舶的撞击力,研究了撞击位置、法向框架角度以及浮冰尺寸对碰撞力的影响.基于计算结果,本文就冰载荷的预测进行了讨论并提出了一些建议.