王 中 華

（中國(guó)船級(jí)社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

隨著全球變暖步伐的加快，北極冰層逐漸減少，北極通航及北極油氣資源開采[1]成為國(guó)際海事界的熱點(diǎn)，越來(lái)越多的船東在他們的新造船意向中增加了冰區(qū)加強(qiáng)的技術(shù)要求。隨著我國(guó)對(duì)南、北極區(qū)域的科學(xué)考察工作深入開展，對(duì)在冰區(qū)航行船舶的建造水平提出了更高的要求，為保證冰區(qū)航行船舶的安全，CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2012版[2]“第4章 航行冰區(qū)的加強(qiáng)”較之以前版本作了較大改動(dòng)，因此有必要對(duì)新增內(nèi)容作深入研究并通過(guò)一些算例[3]來(lái)驗(yàn)證其效果。

1 冰帶定義及冰級(jí)分類

2012版CCS《鋼規(guī)》中對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)的定義和冰級(jí)標(biāo)志的劃分以2010年《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則》為基礎(chǔ)，其冰級(jí)對(duì)等關(guān)系如表1所示。

2012版CCS《鋼規(guī)》較之前版本最為顯著的改動(dòng)體現(xiàn)在對(duì)“冰帶外板垂向延伸范圍”的確定以及“舷側(cè)骨架加強(qiáng)范圍的垂向范圍”劃分上，參見圖1、表2和表3。

圖1 船體的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域

表2 船體外板冰帶加強(qiáng)的垂向范圍

表3 舷側(cè)骨架加強(qiáng)的垂向范圍

2 冰帶強(qiáng)肋骨計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)冰壓P

式中： Cd——船舶尺度和主機(jī)輸出功率影響系數(shù)； Cp、 Ca——冰壓概率系數(shù)。

2.2 冰帶強(qiáng)肋骨

1) 載荷F，從冰帶縱桁傳遞到冰帶強(qiáng)肋骨上的載荷：

式中：P——設(shè)計(jì)冰壓；h——設(shè)計(jì)冰厚；S——強(qiáng)肋骨間距。

2) 剖面模數(shù) Wr和剪切面積 Ar

規(guī)范要求的有效剪切面積：

式中：Q——在F力作用下的最大計(jì)算剪應(yīng)力；α——與強(qiáng)肋骨面板和腹板面積之比有關(guān)的系數(shù)；ReH——材料屈服應(yīng)力。

規(guī)范要求的剖面模數(shù)：

式中：M——在F力作用下的最大計(jì)算彎矩；γ——與強(qiáng)肋骨面板和腹板面積之比有關(guān)的系數(shù)； Aa——強(qiáng)肋骨的實(shí)際橫剖面積。

3 實(shí)船舷側(cè)骨架抗冰能力校核

以某型具有B1*級(jí)冰區(qū)航行附加標(biāo)志的船舶為例來(lái)分析其舷側(cè)結(jié)構(gòu)是否符合2012版CCS《鋼規(guī)》的要求。

3.1 基本信息及主尺度（見表4）

表4 某型船基本信息

3.2 船體結(jié)構(gòu)

根據(jù)船中部分外板，距基線4900mm水平桁（平臺(tái)）以上至主甲板舷側(cè)強(qiáng)肋骨或舷側(cè)隔板之間的最大間距S為5個(gè)肋距左右，本文將重點(diǎn)校核此舷側(cè)骨架是否能承受規(guī)范所要求的冰壓。

圖2 典型橫剖面舷側(cè)強(qiáng)肋骨

通過(guò)其典型橫剖面圖（圖2），可以看到其舷側(cè)主要支撐構(gòu)件為開孔隔板，等效于舷側(cè)強(qiáng)肋骨。

3.3 規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果

取船平行舯體部分舷側(cè)具有典型性的位置進(jìn)行計(jì)算，以FR74和FR85兩處的舷側(cè)隔板為例（見表5）。

表5 加強(qiáng)前舷側(cè)強(qiáng)肋骨規(guī)范要求剪切面積和剖面模數(shù)計(jì)算

從計(jì)算結(jié)果可見，舷側(cè)隔板腹板實(shí)際剪切面積Aa= 1× ( 100-50)=50(cm2)，不滿足 FR74處所需剪切面積76.59cm2的計(jì)算要求，更不滿足FR85處所需剪切面積93.61cm2的要求（FR85處強(qiáng)肋骨平均間距為5.5×0.6=3.3m）。

解決方案：舷側(cè)FR67至FR92區(qū)域，在FR71、FR76、FR83、FR87肋位處增設(shè)舷側(cè)開孔隔板，即將原舷側(cè)普通肋骨增強(qiáng)為開孔隔板形式的強(qiáng)肋骨，從而確保其舷側(cè)強(qiáng)框架（強(qiáng)肋骨、舷側(cè)隔板等）的間距不超過(guò)三檔肋距（3×600=1800mm），并將此區(qū)域中舷側(cè)隔板上原長(zhǎng)軸沿水平放置的開孔（φ400×500）改為長(zhǎng)軸沿豎直放置從而增大強(qiáng)肋骨的實(shí)際剪切面積，如圖3所示。

圖3 典型強(qiáng)肋骨橫剖面冰區(qū)加強(qiáng)前后對(duì)比

在FR71、FR76設(shè)舷側(cè)隔板后FR74處平均強(qiáng)肋骨間距變?yōu)?.5×0.6=1.5m，同理，F(xiàn)R85處平均強(qiáng)肋骨間距變?yōu)?.2m，重新計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 加強(qiáng)后舷側(cè)強(qiáng)肋骨規(guī)范要求剪切面積和剖面模數(shù)計(jì)算

由表6可見強(qiáng)肋骨間距S減小導(dǎo)致作用在強(qiáng)肋骨上的冰壓P減小，從而強(qiáng)肋骨所需剪切面積 Ar和所需剖面模數(shù) Wr也相應(yīng)減小。

3.4 梁系直接計(jì)算分析

參見2012版CCS《鋼規(guī)》第2篇第4章4.2.4.1，亦可對(duì)冰區(qū)加強(qiáng)做直接分析。

直接分析應(yīng)使用4.2.4.2中定義的載荷板（ P , h和 la）。載荷板應(yīng)施加于在彎曲和剪力聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)能力最小位置處。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)的校核位置在載荷中心位于UIWL、LIWL之下0.5h和其間幾個(gè)垂向位置處。也應(yīng)對(duì)幾個(gè)水平位置進(jìn)行校核，特別是作用中心位于跨中或間距中心。接受的衡準(zhǔn)采用Von Mises[5]屈服衡準(zhǔn)，即：

3.4.1 模型范圍

縱向：FR67～FR92（FR67、FR92為艙壁位置）；垂向：內(nèi)底至主甲板。

3.4.2 邊界條件及加載

舷側(cè)隔板在主甲板處簡(jiǎn)支，在內(nèi)底處剛固，舷側(cè)縱桁在艏艉兩端剛固，見圖4。

舷側(cè)為肋骨間距為半檔肋距的密集型橫骨架式結(jié)構(gòu)，冰壓按概率發(fā)生并作用在舷側(cè)，首先由外板傳遞至肋骨，再由肋骨傳遞至4900水平桁，最終水平桁又由舷側(cè)隔板支撐，故可將冰壓轉(zhuǎn)化成線性分布載荷施加在4900水平桁上，按規(guī)范求得4900舷側(cè)水平縱桁上的冰壓P4900=0.58MPa，轉(zhuǎn)換成水平線載荷得Q4900=0.58×1630=945.4N/mm，（7060–3800）/2=1630mm為4900水平桁所支撐面積的平均寬度（見圖2）。舷側(cè)首架彎矩和剪力分布圖參見圖5、6，舷側(cè)骨架變形圖見圖7。

其中各主要支撐構(gòu)件有效帶板的確定可參見CCS《鋼規(guī)》第2篇第1章1.2.2。

圖4 梁系模型范圍、載荷及邊界條件

圖5 舷側(cè)骨架彎矩分布

圖6 舷側(cè)骨架剪力分布

圖7 舷側(cè)骨架變形

3.4.3 計(jì)算結(jié)果

由表7梁系直接計(jì)算結(jié)果可見，舷側(cè)強(qiáng)肋骨和舷側(cè)縱桁的最大剪切應(yīng)力及最大彎曲應(yīng)力皆不超過(guò)許用值（表中前6行列舉了原有舷側(cè)隔板FR69、FR74、FR78、FR81、FR85、FR89在4900和6800水平桁之間開孔處加強(qiáng)前后的剪切和彎曲應(yīng)力對(duì)比）?？梢?，針對(duì)具有B1*級(jí)冰區(qū)航行附加標(biāo)志的本船，將其舷側(cè)強(qiáng)框架（強(qiáng)肋骨、舷側(cè)隔板等）的間距控制在不超過(guò)三檔肋距的范圍之內(nèi)，并盡可能減少和減小舷側(cè)隔板上的開孔（減輕孔、人孔等），則本船舷側(cè)骨架的抗冰壓能力得到了顯著地改善和提高。

表7 梁系計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比新老規(guī)范的不同，發(fā)現(xiàn)2012版CCS《鋼規(guī)》對(duì)冰帶范圍有了更為詳細(xì)的劃分，且規(guī)范公式也有了更為合理的改動(dòng)。本文在校核某型冰級(jí)附加標(biāo)志為B1*的船舶舷側(cè)骨架的抗冰強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)其不能滿足規(guī)范要求后，提出了加強(qiáng)和改進(jìn)方案，并通過(guò)梁系建模對(duì)其進(jìn)行了直接計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了規(guī)范公式的合理性，也可為船舶設(shè)計(jì)者和審圖工作者提供一定的參考。

[1] 王燕舞，張達(dá)勛. 冰級(jí)定義的有關(guān)分析及建議[J]. 上海造船，2010(4): 54-58.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范，第2分冊(cè)[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[3] Rules for Classification of Ships Newbuildings, Pt3, Ch1.Sec12[S]. Det Norske Veritas, July 2012.

[4] Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration, 2010.

[5] 金忠謀. 材料力學(xué)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1991.