曲自信 王昌朔 蘇 桐 黃 山 陶舒暢
北極地區(qū)蘊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。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)計工作,包括環(huán)境預(yù)報、極地船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、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格的要求[1]。
作為海洋大國和海洋裝備制造的強國,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行文獻調(diào)研,討論海冰對極地船舶的作用及其強度問題。
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、結(jié)構(gòu)特性、材料性能、運動方式等方面有著特殊的要求。總的來說,極地船舶要有堅固的船體,即高要求的船體強度、破冰能力強、防寒性能好、抗御超低溫惡劣環(huán)境、強大的后勤補給、強勁的動力設(shè)備,來御預(yù)期冰況、結(jié)冰、低氣溫、高緯度、極晝/極夜、極端、偏遠等環(huán)境風(fēng)險[2]。
極地船舶按功能可分為極地運輸船、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。極地運輸船主要是為北極航線全年候運行海工模塊等。如Yamal LNG 極地運輸船。極地海洋工程船主要用來進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。
極地船舶需要應(yīng)對極地嚴酷環(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)計建造。
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;當遇到堅硬的冰脊和冰壩時,艉部朝前,利用船尾特殊的螺旋槳將冰脊下方的冰塊"掏空",實現(xiàn)破冰前行。
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,通過計算船舶與冰碰撞來計算冰載荷,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。
極地船舶破冰前進時。依靠螺旋槳推進力和特殊的艏部構(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,阻止船舶的運動。因此,需要重點研究冰區(qū)航行船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析。
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。當浮冰在海流作用下發(fā)生較大運動時,船體與海冰作用將產(chǎn)生較大作用力。當沒有及時調(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-浮冰重心水平運動速度;uz-浮冰重心垂直運動速度;β-浮冰傾斜角;R-冰緣的壓入深度。
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。
由于風(fēng)浪流的存在,冰以一定的速度在海面運動。如果冰層較為堅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。
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)進行了研究,提出了考慮流固耦合的非線性船冰碰撞計算模型。
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。計算中考慮了船速和浮冰特性(如浮冰強度、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。
求解能量方程需要知道船體和冰作用后的變形情況。加拿大紐芬蘭紀念大學(xué)Daley 教授在1999 年對Popov 的模型進行了拓展,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,得到的計算結(jié)果更符合實際情況。當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。
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)。冰載荷為隨機載荷,當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)冰載荷時的強度與振動問題,現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范無法準確預(yù)報極地船舶對動態(tài)冰載荷的響應(yīng)。
最近幾年,關(guān)于極地船舶結(jié)構(gòu)強度分析問題的理論研究、數(shù)值模擬和實驗技術(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)計建造提供參考。但是,極地船舶與海冰的作用方式與強度計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,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。