中国极地破冰船总体与结构设计技术现状与展望

本文基于近年来国内预研、设计或改造、建造的多型极地破冰船,提取总体和结构设计关键技术,简要介绍了适用于我国国情的不同等级极地破冰船的总体船型、推进系统、防寒系统设计及结构冰载荷模拟、冰带构件优化设计等方面研究内容。对我国此类船型研发的特点和难点作扼要说明,着重介绍了国内相关设计关键技术的研究现状及实船应用情况;探讨了此类船型国内后续研发方向,并对相应关键技术的研究方向作展望。     

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。     

极地航行船舶冰带骨架系统规范设计研究

基于IACS极地船级(Polar Class)规范环境,以中国船舶及海洋工程设计研究院(MARIC)正在研发的一型满足PC3级的万吨级极地自破冰科学考察船为研究对象,通过实际算例分析,重点论述冰级、骨架型式及参数、首部形状等对冰带区域骨架系统规范设计的影响。基于研究船型,对冰带舷侧骨架系统进行多方案比较分析,证明在冰带结构质量控制方面,横骨架式布置方案有其优势。     

船体板架-模型冰碰撞模型试验与数值仿真

船-冰碰撞时船体的结构响应是极地船舶结构安全性研究的关键问题。制备非冻结模型冰、采用合理的缩尺比构建船体板架模型、基于合理的监测方法进行模型试验,试验完成后通过数据处理对结果进行分析;再利用相同的结构模型参数进行数值仿真,对比2种船冰碰撞研究方法。结果表明：各测点最大应力以及碰撞力吻合较好,验证了非冻结冰模型与板架力学模型的合理性,数据监测及处理方法的正确性以及所采用的数值模拟方法的准确性。     

极地破冰船艉部吊舱区域船体结构设计

以中国船舶及海洋工程设计研究(MARIC)设计的某PC3冰级且具有双向破冰能力的极地科考船为例,基于IACS URI规范和中国船级社(CCS)《钢制海船入级规范》相关条文,就该类船型艉部吊舱区域船体结构设计需重点关注问题如冰载荷作用下构件局部强度、骨架布置形式和冰带构件节点等展开讨论,阐明该区域结构设计要点,进而采用有限元分析手段对目标船艉部吊舱推进器支撑结构进行校核验证,为后续类似极地破冰船的艉部结构优化设计提供参考.     

船舶结构钢海洋环境点蚀模型研究之一:最大点蚀深度时变模型

腐蚀是导致老龄船舶结构失效的主要原因之一.结合基本点蚀原理,本文对碳钢、低合金钢海水全浸带点蚀的主要影响因素、具体点蚀进程做了简要解释与评述.针对我国船舶结构常用碳钢、低合金钢的实海腐蚀试验观测数据建立了新型Weibull函数形式的点蚀最大深度模型.通过对比验证,证明采用Weibull函数表示点蚀最大深度随时间变化关系是合适的.     

有效应力强度因子范围门槛值与载荷比关系的研究

不同载荷比下的有效应力强度因子范围门槛值△Keff.th往往被看作一个常数,然而疲劳实验数据结果通常散落在一个较窄的带宽范围内,而不是所期望的一条曲线。另外,基于改进的McEvily模型对△Keff.th进行的灵敏度分析表明△Keff.th对疲劳裂纹扩展率具有重要的影响,尤其是在占有大部分疲劳裂纹扩展寿命的近门槛值区域。因此,文章认为不同应力比下的△Keff.th为变量,并且通过三个方面对△Keff.th与应力比R的关系进行了深入的研究:(a)Schmidt和Paris提出的一个关于△Keff.th的简化模型和相应的试验数据;(b)基于传统的裂纹完全闭合概念的△Keff.th试验数据;(c)基于裂纹局部闭合模型的△Keff.th,p试验数据。分析结果表明,在应力比低于临界应力比时,随着应力比的增加,有效应力强度因子范围门槛值也相应增加;而应力比高于临界应力比时,有效应力强度因子范围门槛值随应力比的增加而减小。另外,通过对试验数据的曲线拟合分析表明,Lorentz分布能很好地描述相应的试验数据。     

极地运输船货舱区舷侧冰带骨架系统优化

本文以中国船舶及海洋工程设计研究院(MARIC)研发的某20 000吨级PC5级极地多用途运输船为目标船型,建立货舱区计算模型。基于IACS URI规范关于冰载荷及相应计算工况的要求,进行冰载作用下中部冰带区域舷侧结构有限元分析。在此基础上,集成Isight/Nastran对目标区域冰带骨架系统进行优化设计。以目标区域冰带结构重量最轻为目标函数,以结构合成应力、板格屈曲限制以及其他相关规范尺度要求为约束条件,重点对冰带骨架系统进行分级优化设计。具体优化方案为:基于货舱区舷侧冰带结构,初步设定四型骨架系统布置方案;采用多岛遗传算法(MIGA)分别对各个方案进行优化;最后对四型优化后的方案进行对比分析,综合评估得出适用于目标船型的相对最优方案。本文所得出的结论有力地指导了目标船型开发工作,所总结得出的优化思路、解决途径可进一步扩展应用至高冰级极地船型。     

极地重型破冰船结构设计特点浅析

极地重型破冰船是极地航路开辟、救援支援、科学考察及资源开发的重点保障装备。与中低冰级极地船型/破冰船相比，由于其高冰载荷作用环境特点，该船型在高强度钢/特种材料应用、冰载荷作用下结构安全评估以及船体结构布置设计等方面有其鲜明特征，需予以重点考虑，不可武断地沿用以往针对中低冰级极地船型的结构设计经验。该文以某型PC2级极地重型破冰船型为例，总结其结构设计/评估经验，重点就冰区构件高强度结构钢应用、冰区外板复合钢板应用需求与特点、非线性评估技术应用对冰区构件尺度影响、冰致剪力/弯矩分布特点及其对主船体内部平台、桥楼侧壁等非冰带区构件设计影响展开讨论，阐明此类船型结构设计特点及其与中低冰级极地船型/破冰船在整体结构布置思路、冰区结构设计评估方面的主要区别。文中认为：随着冰级的升高，冰载荷的影响已不仅仅局限于冰区外板及其附连构件区域，在冰区构件材料选型及整船全局性结构布置、设计等方面也会产生重大影响。