2020, Vol. 42
由于受到俄罗斯北极地区油气资源开采步伐的加快，以及气候变化导致“北方航线”（Northern Sea route，NSR）通航可能性的增加等诸多利好因素影响，近年来，相关极地航行船舶包括高等级破冰船、破冰运输船等船型的研发、设计与建造正方兴未艾，相应地平台供应/守护船、极地科考船等特殊船型的需求也在持续增加。
与常规敞水航行船舶相比，极地航行船舶在总纵强度评估、外板及其附连内部构件设计、结构节点设计等有其特殊之处。目前国内对此方面的研究尚处于起步阶段，值得进一步研究探讨。
部分船级社冰区规范，除普遍引用芬兰-瑞典冰级规则（Finnish Swedish Ice Class Rules）外，由于历史沿革，还存有独立发展、自成体系的冰区/极地船舶结构规范。如美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS），原挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV），英国劳氏船级社（Lloyd’s Register，LR），俄罗斯船级社（Russian Maritime Register of Shipping，RMRS）等。
而对于极地航行船舶的结构加强，IACS已形成有效决议，即UR I1～I3，合同建造日期在2008年3月及其后的船舶均需予以遵循。为方便船东起见，IACS POLAR CLASS采用WMO解释，对各冰级（PC1～PC7）对应的海冰形态作直观描述。其与各冰级对应的冰载荷确定、冰带加强区域、具体加强要求等已自成体系、较为完备。目前，各主要船级社规范基本上予以完全引用，在部分船级符号形式（如破冰船）、个别具体条文上略有补充/区别。
除RMRS规范两者并行外，其余大部分船级社已将IACS PC规范整合作为自身规范的一部分，并取代原有的极地冰级符号。如ABS，DNV-GL等。
尽管如此，各船级社原有冰级规范体系完备、各具特色，从规范发展沿革与结构设计优化的角度出发，还是具备较大的研究价值，值得进行充分探讨。因此，有必要比较不同规范环境下典型构件尺度的差异，以确定构件主要影响参数及敏感性。同时也可对船东在根据船舶服务航区选择适宜的冰级时，提供结构方面的参考。
根据上述背景，本文首先对上述几类极地冰区结构加强规范的载荷定义、结构加强原则等作扼要介绍与评述。以中国船舶与海洋工程设计研究院（Marine Design & Research Institute of China，MARIC）研发的某型PC3冰级、排水量万吨级极地科考船（以下简称“目标船型”）为主要算例，结合国内外类似极地船型相关数据，通过比较分析，就极地船型结构设计基础性问题，如总纵强度评估、功率估算、低温环境结构选材设计等展开讨论，阐明极地船型结构规范设计要点，重点评估冰级（破冰厚度）、主要船型参数（排水量、船宽、肋距等）、腐蚀/磨蚀余量等因素对外板尺度的影响，供实船优化设计参考。
1 各冰级规范载荷定义简介冰载荷的简化定义是结构加强范围确定、构件尺寸计算的先决性条件。目前各主要极地冰区规范的设计冰载荷大致为基于弹塑性理论，结合各类模型试验与实船检测数据，经过统计分析得出的半经验公式，在具体载荷类型、计算原理、载荷大小、载荷影响参数、施加范围等方面各有不同。
1.1 IACS极地船级（Polar Class）IACS URI2将船体在纵向上划分为两大部分：首部区与非首部区（含首部过渡区、船中区、尾部区，而各区在垂向上进一步细分为冰带区、下部区、底部区）。如图1所示。
其设计冰载由一假想的矩形设计冰载荷板（b×w）上的均布压力Pavg表示。其中，非首部区设计载荷板长宽比（w/b）设定为3.6，通过计算各分区集中力FNonBow、线载荷QNonBow，以决定载荷板参数。艏部区则应按水线长度进一步划分为4个子区，通过分别计算各子区中心处集中力F、线载荷Q、面压力P及受载板长宽比AR，以确定设计载荷板参数b，w，Pavg。
该规范重视船首受浮冰擦碰的作用影响，将其作为主要结构设计工况。在计及船长、排水量、船体外形（水线角、纵剖面角、肋骨角、肋骨垂向角等）等影响的同时，引入反映浮冰擦碰特性的船级因子进行计算。
而该船级因子为与各冰级（PC1～PC7）相对的常数，包含压溃失效（CFC）、挠曲失效（CFF）、载荷板尺寸（CFD）、排水量（CFDIS）、总纵强度因子（CFL）等多个分项。
除局部强度外，对总纵强度的考虑则通过计算首部垂向设计冰作用力确定垂向设计冰作用弯矩和剪力。该作用力同样与船首型式、船级因子等有关。
1.2 ABS原破冰船规范ABS根据船舶类型（破冰船、非破冰船），所服务航区的冰情、进入时限的不同，是否需高于自身等级的破冰船辅助作业等，将船舶冰级划分为Ice Class A1～A5，A0～D0等9个等级，其中Ice Class A2～A5专用于极地水域、多年冰破冰船[2]。
将设计冰载荷简化为面压力P，与IACS URI2类似，同样按作用区域划分为船首区和其余冰带区，具体划分及位置参数略。
首部区载荷与其冰级、首部外形（水线角、纵剖面角等）、排水量、推进功率、海冰参数等相关。其余冰带区载荷则在此首部载荷基础上根据其位置、冰级的不同，乘以相应的折减系数。
1.3 原DNV Polar&Ice船级DNV针对极地水域航行及执行破冰服务船舶同样有其完备的高等级冰区加强规范。该规范通过名义海冰强度σice、名义层冰厚度hice双参数定义冰级，而对专用破冰船还进一步设定了其最小设计冲撞破冰速度。其中Ice船级适用于含冰脊冬季当年冰，Polar船级对应于含冰脊及多年冰夹杂的冬季冰[3]。
相比而言，DNV Polar与Ice系列船级更关注目标航区海冰的理化性能，将其视为冰级定义的依据，并作为载荷计算、结构尺寸计算的直接输入参数。
重点考察破冰任务实际工作状态，在划分冰带载荷作用区域的同时，按其作用类型不同，将载荷划分为首部冲击垂向载荷PZR及其产生的垂向加速度av、首部区斜向撞击力POI、船首冲滩力PZB、船中区挤压线性载荷q、局部冰压Po等。
而实际计算载荷相关系数又与各自的冰级、撞击破冰动能、水线角、纵剖面角、肋骨角、水线面面积、型宽、船长、排水量、海冰强度等因素相关。
1.4 RMRS Ice&Arc，Icebreaker船级RMRS规范对各冰级船型在有无破冰船辅助情况下，具体可进入海域、通航季节做出了详尽规定。针对各船型线型参数，特别是对破冰船而言，就首柱角、肋骨角范围等，按冰级、船体纵向位置不同，提出了较为具体的规定，并在设计冰载荷的计算上予以体现[4]。
其船体区域划分思路、设计冰载荷形式与IACS PC相近，但具体区域划分定位点与线型特征结合更为紧密。而垂向范围更进一步细分为：冰带区I、过渡区II、舭部区III、平底区IV。各纵向区域冰带区载荷大致与排水量因子（
上述规范在冰级定义形式与具体参数、冰载荷计算原理与简化处理方式、冰带范围划分等方面都存在着一定的差异，各具特色。
其中，IACS PC船级重视船首受浮冰擦碰作用影响，引入船级因子概念，各子区带划分较为严密。将冰载荷简化为矩形设计载荷板上的均布力，载荷参数较为简化（b，w，Pavg）。但由于这些参数设定为船级因子与船体外形的函数，其实际计算过程，尤其是首部各子区的计算较为繁杂；ABS相对而言略为简化，冰载荷直接简化为均布力；将首部区载荷作为基准载，其余各区载荷在此基础上一定折减；DNV将载荷形式与实际破冰工况相结合，物理意义明晰，理解与使用上较为直观。而RMRS则对各冰级可进入海区/季节作了详尽规定，明确限制各船体区域线型角度范围，更便于船东冰级选择及设计参数选取。
2 极地船型结构设计基础性问题讨论本节以MARIC研发的某型PC3冰级、万吨级排水量极地科考破冰船（以下简称“目标船”）为例，重点对极地船型结构设计的基础性问题，即总纵强度评估、功率需求、低温环境下构件材料选型原则等方面展开讨论，总结相应的结构设计关注点。
2.1 总纵强度计算考虑与常规敞水航行船舶相比，极地船型总纵强度评估特殊之处源于两个方面，即船型主尺度与破冰工况的特殊性。前者可能要求波浪载荷采用直接计算方法，与常规按规范计算值有所区别，这在科考船/破冰船等船型设计中尤为明显；后者需核算垂向设计冰作用弯矩/剪力数值对总纵强度影响。
2.1.1 特殊船型对波浪载荷计算的影响综合性科考船因其科考任务剖面复杂，要求较大的甲板作业面积及相应的实验室/住舱面积，长宽比（L/B）一般较小。同时，破冰船的冰区回转性能指标对长宽比也有类似限制。因此，具备一定破冰能力的极地科考船L/B大致在4～5之间，已超出波浪载荷规范计算公式的适用范围。表1为部分国内外极地科考船统计数据。
|
表 1 部分国内外极地科考破冰船L/B参数对比 Tab.1 L/B comparison list of several polar research vessels |
因此，此类船型的波浪载荷一般应由直接计算确定。其大致分析流程为：首先建立船体的三维湿表面模型和质量模型，按照三维绕辐射势流理论，计算作用在船体上的流体动力，获得波浪诱导的船体剖面剪力和弯矩载荷响应的传递函数。进而，对船体波浪剪力和弯矩载荷进行预报。而长期海况，对于无限航区船舶，一般取为北大西洋波浪散布图，概率水平取为10–8。
2.1.2 冰区作业工况下的总纵强度影响评估基于其破冰工作原理及首部特殊线型设计，破冰船实际破冰进程中船首区域将部分出水，进至冰面之上，利用重力压溃冰层。设计过程中，除应考虑该状态下船体骑冰状态稳性外，船体结构的安全性同样应重点关注。
一方面，应通过加厚首柱板、密集设置内部支撑构件等手段保证船体撞击/上滩区域的局部强度安全；另一方面，该工况实际在船体首部施加了一垂向首部上滩力（Beaching force），对总纵强度的影响亦不可忽略。
冰区作业工况下总纵强度校核，应以垂向设计冰致弯矩/剪力替代波浪弯矩/剪力，与静水载荷叠加/组合，与船长范围内相应位置的许用弯矩/剪力作比较。
垂向设计冰致弯矩/剪力数值大小与冰级、首部线型特征等密切相关。图2（a）为基于目标船型，DNV Polar10（上滩、冲撞工况）、IACS PC2/PC3、中垂工况波浪弯矩沿船长方向分布情况对比，图2（b）为剪力分布情况对比。
|
图 2 各规范环境垂向设计冰载荷与波浪载荷对比 Fig. 2 The contrast of design vertical ice bending moment and design vertical ice shear force for various class requirements |
就目标船冰级（PC3）、船型尺度而言，垂向冰致弯距量级与波浪弯距基本相当，但沿船长分布情况应适度留意；加之目标船在0.7 L左右（首部过渡区）设有一大开口货舱，因此，实际设计过程中，该处首楼甲板开口区域构件需进行适度补强。
而对PC2级及以上重型破冰船而言，冰致弯距/剪力远超波浪弯距/剪力，已成为最上层连续甲板、内壳纵舱壁顶板等纵向强力构件的主要控制因素之一。
2.2 破冰功率影响因素讨论破冰功率需求是极地船型载荷计算与结构规范设计的关键性影响因素，其中ABS极地破冰船规范更是通过破冰功率及肋距2个变量直接决定船中区外板计算厚度。
以LR，ABS，DNV相关规范环境为例，各规范要求破冰功率的计算方法、参数等不尽相同，但总体而言，在破冰等级相近的情况下，各公式计算得出的数值基本一致。其中，LR原AC船级适用于拟在北极或南极冰区中相当于具有1.0～3.0 m厚度的未破冰层中航行的船舶。
通过实例对比计算可知，冰级（冰层厚度）与船宽是破冰功率计算的主要影响因素，相比较而言，船长、吃水、排水量等因素的权重较轻。
图3和图4分别列出了上述规范环境下，基于所讨论船型，破冰功率随冰级（层冰厚度）、船宽的变化趋势。其中，DNV Ice&Polar，ABSA2～A5船级功率需求随船宽变化趋势相对较缓，为船型设计带来相对较大的灵活性。
|
图 3 破冰功率随冰级（冰厚）变化趋势 Fig. 3 Trend line of engine output with ice class |
|
图 4 破冰功率随船宽变化趋势 Fig. 4 Trend line of engine output with breadth |
低气温是极地环境重要特征，极地船型结构选材设计应对此予以充分考虑。所应遵循的相关规范条文大致如下：
1）各船级社入级规范原有针对暴露于低气温下的船体结构用钢的要求，大致出于IACS URS6（Use of steel grades for various hull members）相关条文，如CCS《钢规》第2篇1.3.4节低温下材料要求等。
2）Polar Code含针对冰区加强原则性意见，无明确的对应温度设计要求。但极地航行船舶需满足IACS URI相关规定。
3）全球范围内极地/寒区营运船舶的需求呈明显增加趋势，各主要船级社也相继推出了低气温环境下的附加标志，其中结构部分设立船体独立/附加标志，规定了对应温度定义下的不同类型构件的选材要求，如LR Winterization H（T）、CCS船体防寒标志H（DST）等。
此外，设计中还应计及船东额外要求以及预计营运/通行海域的某些特殊要求，如美国海岸警备队相关要求等。
各类规范之间互为补充，相互涵盖，但在设计温度定义（见图5）、样本观测周期、适用范围、具体钢级选定等方面，各规范条文范围有所区别，又有所重叠。因此，有必要深入剖析其内在涵义，分析异同，以建立安全可行的选材设计实施方案。在实际选材过程中，应综合考虑构件类型、板材厚度、设计服务温度等确定构件材质，如图6所示。
|
图 6 低气温环境规范要求与选材设计示意 Fig. 6 Cold requirements and material selection diagram under low temperature environment |
表2为CCS，LR防寒附加标志及Polar Code（IACS UR I）材料相关规范条文对比。以材料等级III为例，在各规范体系要求设计温度定义下，其具体钢级选取要求对比如表3所示。
|
|
表 2 极地船冰区和防寒特殊要求整理对比表 Tab.2 Comparison list of various class requirements for ice and cold operations |
|
|
表 3 目标船型材料选择适用规范条文对比表（以材料级别III为例） Tab.3 Comparison list of the applicable code for material selection（Material Class III） |
可知，船体防寒附加标志系单独针对船体结构，不涉及设备等因素。因所针对温度定义不同，同一设计在不同规范环境下取得的船体附加标志的温度数值是不同的，如CCS H（–33 ℃）与LR Winterisation（–40 ℃）材料要求是基本一致的。
除极个别板厚范围需升档外，PC1～PC3级材料要求与CCS防寒附加标志设计温度–39°C～–48°C材料要求是基本相适应的。因此，在基本不额外增加钢材成本的情况下，PC1～PC3级船型可进一步申请对应寒区附加标志，如CCS H（–48 ℃），LR Winterisation H（–55 ℃）等。
3 冰区加强构件尺度影响因素分析由于在冰级定义、冰载荷简化、冰区加强范围划分等方面的差异，各规范环境下结构设计的具体影响因素及权重也有所差异。有必要通过实例计算进行比较分析，以定性确定其主要影响因素，为优化设计提供依据。
以目标船型主尺度、关键性能/船型参数为参考，适当变换目标参数，如破冰厚度、肋距、船宽等，考察各规范环境下其相应影响程度。有关船型参数见表4。
|
|
表 4 目标船船型参数 Tab.4 Hull parameters of the object vessel |
以船中区冰带外板厚度计算为例，该处外板承受船中及压力（线载荷），厚度由局部强度决定，基本上由肋距、载荷、腐蚀余量决定。
图7分别列出了前述船型尺度下，船级依次取为IACS PC1～PC7，ABS A2～A5，DNV ICE-05～ICE-15，Polar-10～Polar- 30时，相应的船舯区外板计算厚度以及IACS PC船艏区外板计算厚度对比。具体计算式及参数见文献[1-3]。
|
图 7 各船级冰区外板厚度对比 Fig. 7 Shell plate thickness in midship for various class requirements |
可知，冰级是船体冰区加强要求制订与实施的先决性条件，直接决定了载荷的范围，进而对船舶结构型式、结构尺寸、功率需求等产生决定性影响。随着破冰等级的升高，相应的功率需求、构件尺寸也随之呈指数性增长趋势。
3.2 肋距（骨材间距）影响而关于肋距（骨材间距）的影响，无疑，随着肋距的增大，在同等冰载荷作用下，相应板厚需求也将大幅升高。
图8和图9显示了在肋距自0.25 m逐步增大，ABS A2&A3船级、DNV Polar-10船级、IACS PC2～PC4船级船中冰带处外板厚度变化趋势。
|
图 8 各船级船中区外板厚度随肋距变化趋势 Fig. 8 Midship shell thickness versus frame spacing |
与ABS A2～A5及DNV Polar船级的近似指数型增加趋势相比，IACS PC船级所要求的船中区冰带外板厚度对肋距变化的敏感度较低。这就为船体结构设计中肋距的选择与调整提供了相对更大的空间。
与John A. Springer III等得出的IACS PC5级5000吨级平台供应船船首板厚[6]与肋距关系曲线（见图9）相比，其趋势、结论是基本一致的。
3.3 排水量因素影响基于前述算例，取肋距0.4 m，近似等效冰级IACS PC3船中区与首部区，ABS A2船中区外板板厚随排水量增加变化趋势如图10所示。
|
图 10 各船级外板厚度随排水量增加变化趋势 Fig. 10 Shell thickness versus displacement |
可知，基于IACS PC和ABS相关规范，排水量因素对构件尺度的影响虽相对较小，但亦不可忽略。与船中区域外板相比，排水量增大对首部区外板板厚影响相对较为明显。
而DNV冰区规范冰载荷与构件尺度不涉及排水量大小的影响，这是其与IACS PC和ABS规范之间的较大差异。
3.4 外板磨蚀/腐蚀裕量影响此外，由于船舶冰区航行作业时，冰带外板腐蚀/磨蚀裕量的选取同样对冰带外板厚度产生较大影响。图11为波罗的海区域冰区船舶检测相关照片[7]。
充分考虑到浮冰擦碰引起的外板损伤，IACS URI2与ABS规范对冰区船舶的外板腐蚀/磨蚀裕量都做出了具体规定，该裕量数值大小与船舶冰级、位置、腐蚀防护程度等有关，其数值大小也远大于非冰区船舶腐蚀裕量。如IACS PC1～PC3级首部外板在未采取有效保护措施的情况下，腐蚀/磨蚀裕量取为7 smm；ABS A3～A5级冰带处外板不论有无有效防护措施，均取6 mm裕量。具体参见相关规范条文。而DNV相关规范则略有不同，其并未对冰区船舶外板腐蚀作特殊规定，而是在外板计算公式中适当予以考虑，以体现冰带外板恶劣环境特点。
3.5 骨材设计影响因素基于目标船型，文献[8]通过实际算例对比分析，重点讨论了冰级、首部形状、骨架型式和骨架参数等对冰带区域骨架设计的影响。在此基础上，展开船中区冰带骨架系统进行多方案对比研究，并得出：横骨架式布置在冰带结构重量控制方面有其优势的结论。
3.6 强构件尺寸的确定关于船体冰区加强结构校核及承载能力分析，已有较多国内外学者展开了研究。Kwon等[9]基于弹性理论研究在冰船冰相互作用工况下LNG船的结构强度；WANG等[10]基于FSICR研究了冰载荷作用下冰带舷侧结构的强度和刚度，重点研究舷侧外板和肋骨的塑性变形以及舷侧纵桁的屈曲强度；Dolny等[11]分析了不同骨架型式船舶在冰压下的结构强度；ABS冰级指南根据FSICR，对大型纵骨架式船舶在冰载荷作用下的结构响应进行了研究[12]；齐奎利等[13]对某艘北极油轮纵骨架式外板与舷侧纵骨的极限强度进行了研究。
在极地船型实际设计过程中，依据规范要求，极地船型强肋骨、冰带纵桁等强构件尺寸应基于有限元计算确定。所施加载荷为规范荷载（虚拟冰载荷板），施加位置为剪切和弯曲组合效应下结构承载能力最薄弱的位置处，如图12所示。
|
图 12 某PC3级极地科考船冰带局部强度计算模型与加载、变形示意 Fig. 12 The FEM model and local deformation under design ice loads of a PC 3 research vessel |
本文在对几类极地船冰区结构加强规范的载荷定义、结构加强原则等进行了扼要述评之后，基于MARIC研发的某型PC3冰级、排水量万吨级极地科考船，通过实船算例对比分析，对总纵强度评估、功率估算、低温环境结构选材等设计基础问题进行讨论，重点评估了冰级、主要船型参数（排水量、船宽、肋距等）、腐蚀/磨蚀余量等因素对外板尺度的影响。并得出如下相关结论：
1）极地船型总纵强度评估应注意冰致弯距影响。就目标船冰级（PC3）、尺度而言，垂向冰致弯距/建立量级与波浪弯距基本相当，但沿船长分布情况应适度留意。对PC2级及以上重型破冰船而言，冰致弯距/剪力系最上层连续甲板、内壳纵舱壁顶板等纵向强力构件的主要控制因素。
2）低气温环境选材设计应特别关注不同船级符号体系下温度定义的区别，在钢料成本基本不变的前提下，PC船型可考虑进一步申请对应寒区附加标志。
3）冰级与船宽是影响破冰功率需求的关键参数。冰级与肋距（骨材间距）是影响外板板厚的主要因素，而排水量因子影响权重相对较小；IACS PC规范计算构件尺度对肋距变化敏感度相对略低，允许的肋距选取样本空间可适当放宽，对结构重量优化设计较为有利。
| [1] |
IACS UR I Requirements concerning Polar Class[S]. IACS. 2010.
|
| [2] |
Rules for Building and Classing Steel Vessels, Part 6, Ch.1[S]. American Bureau of Shipping. 2013.
|
| [3] |
Rules for Classification of Ships New buildings, Pt.5, Ch.1[S]. Det Norske Veritas. 2013.
|
| [4] |
Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Ships, Part 2, cha.3.10[S]. Russian Maritime Register of Shipping.2014.
|
| [5] |
Rules and Regulations for the Classification of Ships, Part 3, Ch.9[S]. Lloyd’s Register. 2017.
|
| [6] |
JOHN A. SPRINGER III, SEAN A. CAUGHLAN, etc. Application of the newly adopted IACS POLAR class rules to offshore support vessels of small tonnage[C]. Offshore Technology Conference. Houston, USA. May, 2009.
|
| [7] |
KUJALA, P. Damage statistics of ice-strengthened ships in the Baltic Sea 1984-1987[M]. Winter Navigation Research Board. Report, No. 50, 1991: P61.
|
| [8] |
徐义刚, 王燕舞, 等. 极地航行船舶冰带骨架系统规范设计研究[J]. 船舶, 2017(5): 43-48. DOI:10.3969/j.issn.1007-9750.2017.05.014 |
| [9] |
KWON J, JEONB, KIMJ, et al. Structural integrity assessment of cargo containmentsystems in arctic LNG carriers under ice loads[C]. Arctic Shipping Conference, 2008, St.Petersburg, Russia.
|
| [10] |
WANG G, BASUR,, et al. Rationalization of design offside structure of ice strengthened tankers[C]// International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2005, 15(3): 210-219.
|
| [11] |
DOLNYJ, LIUS, WOND, et al. Structural integrity assessment for a polar class arctic tanker under ice loads.[C]// ICETECH. 2010, Alaska, USA.
|
| [12] |
ABS. Guidance Notes on Ice Class[S]. 2012
|
| [13] |
QI Kuili, LIU Jun, LIU Shewen, WANG Ge. Strength assessment of polar ships under ice loads using direct calculation method[J]. Journal of Ship Mechanics, 2014, 18(3): 280-290. |