﻿ 基于规范应用的冰载荷分析研究
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (8): 1-7 PDF

1. 海军装备研究院，上海 200235;
2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082

The investigation of ice loads based on the rules application
LOU Wei-feng1, DONG Hai-bo2, HU Jia-jun2, LIU Jun-jie2
1. Naval Academy of Armament, Shanghai 200235, China;
2. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China
Abstract: The formula of ice loads is introduced based on International Association of Classification Societies polar class. The theoretical basis of the rules is studied in terms of the calculation of normal force, the ice-ship interaction form, the crushing pressure-contact area ralationships, class factors and hull area factors. Considering the present situation of Arctic shipping and Arctic development, the necessity of conducting a research on the rules of polar surface naval ship is presented. The shortcomings of the existing rules are validated. Finally,the direction of the rules of polar surface naval ship is pointed out.
Key words: Polar class     design ice loads     class factors     hull area factors
0 引　言

1 国际船级社协会极地冰级规范

1.1 船体分区

1.2 设计冰载

 图 1 船体角的定义 Fig. 1 Definition of hull angles

1）首部区载荷特征参数确定如下：

 $f{a_i} = \min \left( {f{a_{i,1}},f{a_{i,2}},f{a_{i,3}}} \right)\text{，}$ (1)

 \begin{aligned}&f{a_{i,1}} = \frac{{\left[ {0.097 - 0.68{{\left( {\frac{x}{L} - 0.15} \right)}^2}} \right]{\alpha _i}}}{{{{(\beta _i')}^{0.5}}}}\text{，}\\&f{a_{i,2}} = \left[ {\frac{{1.2C{F_F}}}{{{\rm{sin}}(\beta _{}') \cdot C{F_C} \cdot {D^{0.64}}}}} \right]\text{，}\\&f{a_{i,3}} = 0.60\text{。}\end{aligned}

 ${F_i} = f{a_i} \cdot C{F_C} \cdot {D^{0.64}}{\text{，}}\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{MN}}\text{；}$ (2)

 $A{R_i} = 7.46{\rm{sin}}(\beta _{}') \geqslant 1.3\text{；}$ (3)

 ${Q_i} = {F_i}^{0.61} \cdot \frac{{C{F_D}}}{{AR_i^{0.35}}}\text{，}\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{MN}}/{\rm{m}}\text{；}$ (4)

 ${P_i} = F_i^{0.22} \cdot CF_D^2 \cdot AR_i^{0.3}{\text{，}}\;\;\;\;\;\;{\rm{MPa}}\text{。}$ (5)

2）船舶首部区，以及对于具有船级附加标志为PC6和PC7船舶的首部过渡区的冰带区，设计载荷板的宽度wBow以及高度bBow的尺寸如下：

 ${w_{Bow}} = {F_{Bow}}/{Q_{Bow}}\text{，}$ (6)
 ${b_{Bow}} = {Q_{Bow}}/{P_{Bow}}\text{。}$ (7)

3）设计载荷板范围内的平均压力Pavg按下式确定：

 ${P_{avg}} = F/\left( {b \cdot w} \right)\text{。}$ (8)

4）船体区因子

2 理论模型研究

2.1 挤压力分析

 $K{E_e} = IE + PE\text{，}$ (9)

 图 2 快速碰撞作用示意 Fig. 2 Design scenario for the general glancing impact collision

 $\frac{1}{2}{M_e}V_n^2 = \mathop \int \nolimits_0^{{\delta _m}} {F_n}{\rm d}\delta\text{。}$ (10)

 $W = \frac{{2\delta \tan\frac{\varphi }{2}}}{{{\rm{cos}}\left( {{\rm{\beta '}}} \right)}}\text{，}$ (11)
 $H = \frac{\delta }{{{\rm{sin}}\left( {{\rm{\beta '}}} \right){\rm{cos}}\left( {{\rm{\beta '}}} \right)}}\text{，}$ (12)
 图 3 接触区域 Fig. 3 Nominal contact geometry

 $P = {P_0}{A^{ex}}\text{，}$ (13)

 ${F_n} = {\rm{PA}} = {P_0}{A^{1 + ex}}\text{，}$ (14)

 $\frac{1}{2}{M_e}V_n^2 = {P_0} \cdot {k^{1 + ex}} \cdot \mathop \int \nolimits_0^{{\delta _m}} {\delta ^{2 + 2ex}}{\rm d}\delta \text{，}$ (15)

 ${\delta _m} = {\left( {\frac{{\frac{1}{2}\left( {3 + 2ex} \right){M_e}V_n^2}}{{{P_0} \cdot {k^{1 + ex}}}}} \right)^{\frac{1}{{3 + 2ex}}}}\text{，}$ (16)

 ${F_n} = {P_0}^{\frac{1}{{3 + 2ex}}} \cdot {k^{\frac{{1 + ex}}{{3 + 2ex}}}} \cdot {\Biggr(\frac{1}{2}\left( {3 + 2ex} \right){M_e}V_n^2\Biggr)^{\frac{{2 + 2ex}}{{3 + 2ex}}}}\text{。}$ (17)

 ${F_n} = {P_0}^{\frac{1}{{3 + 2ex}}} \cdot {k^{\frac{{1 + ex}}{{3 + 2ex}}}} \cdot {\left( {\frac{{{l^2}}}{{2{C_0}}}} \right)^{\frac{{2 + 2ex}}{{3 + 2ex}}}} \cdot {\Bigr(\left( {3 + 2ex} \right){M_{ship}}V_{ship}^2\Bigr)^{\frac{{2 + 2ex}}{{3 + 2ex}}}}\text{，}$ (18)

 $fa = {(3 + 2ex)^{\frac{{2 + 2ex}}{{3 + 2ex}}}} \cdot {\left( {\frac{{tan\frac{\varphi }{2}}}{{{\rm{sin}}\left( {{\rm{\beta '}}} \right){\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\left( {{\rm{\beta '}}} \right)}}} \right)^{\frac{{1 + ex}}{{3 + 2ex}}}} \cdot {\left( {\frac{{{l^2}}}{{2{C_0}}}} \right)^{\frac{{2 + 2ex}}{{3 + 2ex}}}}\text{，}$ (19)

 ${F_n} = fa \cdot {P_0}^{\frac{1}{{3 + 2ex}}} \cdot {M_{ship}}^{\frac{{2 + 2ex}}{{3 + 2ex}}} \cdot V_{ship}^{\frac{{4 + 4ex}}{{3 + 2ex}}}\text{，}$ (20)

 ${F_n} = fa \cdot {P_0}^{0.36} \cdot V_{ship}^{1.28} \cdot {M_{ship}}^{0.64}\text{。}$ (21)
2.2 船级因子分析

 $C{F_C} = {P_0}^{0.36} \cdot V_{ship}^{1.28}\text{，}$ (22)

 $C{F_F} = {\sigma _f} \cdot h_{ice}^2\text{，}$ (23)
 $C{F_D} = {P_0}^{0.389}\text{。}$ (24)

2.3 船体区因子分析

1998年，加拿大和俄罗斯先后将各自提出的建议值提交IACS讨论。1999年，在蒙特利尔会议上，IACS最终确定针对两国提出的建议值若不相同则取平均值，同时要求所有的值为0.5的倍数，进行适当的修正，得到表6所示结果[7]表6是确定表2对应船体区因子的基础。

3 冰级规范不足分析

1）船冰作用工况的局限性

2）冰压力与面积关系分析

 $fa = 1.94 \cdot {\left( {\frac{{3.732}}{{{\rm{sin}}\left( {{\rm{\beta '}}} \right){\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\left( {{\rm{\beta '}}} \right)}}} \right)^{0.32}} \cdot {\left( {\frac{{{l^2}}}{{2{C_0}}}} \right)^{0.64}}\text{。}$ (25)

 图 4 压力-面积关系 Fig. 4 Pressure-area curves

3）船级因子修正

4）船体区因子修正

4 极地水面舰船冰级规范研究方向

1）差异性分析

2种规范在冰级定义上相同，均使用IAS，IA，IB，IC，ID的冰级划分；在计算推进器输出功率时，2种规范给出了不同的公式，军船规范针对IB和IC冰级要求给出了计算最小许用功率的公式，同时针对IAS和IA的冰级要求给出了不同的计算最小许用功率的公式，而民船规范仅给出一种计算公式；计算设计冰压力的公式相同，但是在具体参数的定义方面2种规范存在差异；2种规范在计算冰带区内舷侧纵桁及冰带外舷侧纵桁对应的剖面模数和截面面积时给出了不同的计算公式。

2）极地军船冰级规范发展分析

1）基于极地水面舰船快速性、灵活性、极限承载能力、结构破损后剩余强度要求及结构加强的要求等，考虑极地海冰、低温等环境因素，研究目前冰载荷规范理论对于极地舰船结构的适用性；

2）通过本文分析，可以发现现有的民船冰级规范在考虑船冰作用工况、挤压力计算、船级因子及船体区因子等方面尚存在不足，在开展极地水面舰船冰级规范研究时，需要在这些方面继续不断深化研究；

3）极地双向作业是很重要的发展方向，通过开展冰载荷计算、结构加强、船体结构分区等研究，形成针对极地双向作业水面舰船的规范。

5 结　语