摘要：本文以近年来我国预研、设计或改造建造的多型极地破冰船为背景，提炼出总体及结构设计的关键技术，并简要介绍了总体船型、推进力等。适合我国国情的不同级别的极地破冰船系统和防寒系统。 研究内容包括设计与结构冰载荷模拟、冰带部件优化设计等。简要阐述了我国该型船舶研发的特点和难点，并介绍了我国该型船舶研究现状和实际船舶应用情况。突出了国内相关设计关键技术。 探讨了我国该型船舶的后续研发方向，并探讨了相应关键技术的研究方向。 外表。
目前，我国南北两极科学研究正在向纵深拓展，北极航道逐步商业化，极地应急和管理事项不断增多。 军民融合协同发展的需要日益迫切。 为保障我国在极地海域从事船舶航行运输和极地科考人员的生命财产安全，提高我国在极地水域航道开通与维护、两极旅游、资源开发利用、综合供给保障等方面的能力。极地海域，实现我国极地发展装备的战略需求，需要自主开发建造一系列节能环保、安全可靠的极地船型。 中国早在20世纪70年代就开始进行极地船舶技术储备。 近年来，随着北极运输和南极科考活动的加剧，我国已完成多型极地船舶的预研、设计、改装或建造。 2019年7月，全球首艘具有双向破冰功能的极地科考破冰船“雪龙2号”成功交付。 该项目的实施，对我国极地船舶设计、建造、规范应用和改进，以及《极地规范》在国内的有效实施起到了重大推动作用，将为我国提供更强的动力。未来自主发展的破冰能力和南北极作业能力。 长期以来的重型破冰船奠定了坚实的基础。
1 总体船型
功能要求和操作模式决定了破冰船的整体船型。 破冰船的船型设计必须紧紧围绕船舶的功能需求，设计相关的线型、动力系统、总体布局，最终达到船舶建造和使用的目的。 破冰能力要求是破冰船设计中所有要求中最重要的。 这取决于船舶未来的航行区域、航行季节以及与冰碰撞的频率。 它包括冰的强度、冰的厚度、是否含有雪、破冰速度等，忽视连续破冰或碰撞破冰等基本因素中的任何一个，对于船舶设计来说都是致命的。 这里特别需要注意的是，连续破冰的冰厚与极地规则中规定的结构强度所能承受的冰厚不是同一概念。 后者往往大于前者。
新船型的开发需要准确预测冰阻。 芬兰人于1989年提出了直接预测方法，将冰阻力分为冰挤压引起的摩擦力Rc、冰弯曲和破坏所需的阻力Rb以及碎冰的阻力。 浮力Rf和摩擦力Rs，同时考虑船速，用于推导总阻力公式。 通过敏感性分析发现，在船型比较中，破冰功率受纵剖面角/水线角、船宽、航速以及冰的弯曲强度影响较大； 还发现该经验公式是基于有限的试验数据和实船数据。 冰阻力的预测与实际情况之间经常存在差异。 世界三大冰池（俄罗斯克雷诺夫研究所冰池、芬兰方舟北极冰池、德国汉堡冰池）在这方面有着深厚的积累。 在破冰船的需求方面，我国针对不同的地理位置和航线有不同的定制要求。 要尽快开展专业冰池试验预报和实船测量应用系统建设，为中国特色极地破冰船未来发展提供基础保障。 图1为各船级社PC等级对照表，图2为世界三大冰池。
2 推进系统
推进系统是破冰船的核心子系统。 随着推进装置技术和电力能源技术的发展，破冰船的推进系统也在发生着深刻的变化。 如今的破冰船推进系统已从传统的机械推进转变为电力推进； 螺旋桨由传统螺旋桨变为吊舱全回转推进、齿轮全回转推进、常规轴螺旋桨推进和吊舱轴螺旋桨混合推进等多种形式。 特别是在使用过程中发现吊舱电力推进在冰区和后向破冰方面表现出机动性的优势，推动了新型破冰船类型的创造，如2007年交付的世界上第一艘双作用船型（：open水上航行）冰区常规船首船尾航行破冰油船“ ”号）和全球首艘双向破冰型极地科考船（船首船尾均可根据不同冰况进行破冰航行）交付2019年《雪龙2》。 无论是双动船型还是双向破冰船型，从船舶的操纵性来看，传统轴系推进对船舶航行方向的限制作用已经变得几乎不存在。 这些约束主要来自于轴系螺旋桨的正反转效率等问题。 此外，由于方位推进器的应用，船舶在航行中遇到较厚冰脊时“强行船尾破冰”的做法也不少。 我们观察了船模在冰池中的破冰效果，发现这种严峻的破冰航行状态对于破冰脊冰的效果非常突出。 我们认为这是因为方位推进器尾航破冰部分强大而灵活的水流有效地“松动”了冰脊冰。 即使一些冰脊已经堆积到了海底，方位推进器的“驱动”动作也可以将冰脊“分割、瓦解”。 目前，国内包括吊舱在内的高档破冰方位推进器的研制仍属空白，这将严重制约我国未来高档自航破冰船的选型和自主建造。
一般认为，只有推进功率超过1万马力（7.35MW）的破冰船才能在极地冰区独立航行。 其中，推进功率10000～20000马力（7.35MW≤P≤14.7MW）的为轻型破冰船； 推进功率20000～45000马力（14.7MW≤P≤33MW）的为中型破冰船； 那些推进功率超过45,000马力（≥33兆瓦）的重型破冰船。 我们国产的“雪龙2号”推进功率为15兆瓦，是中型破冰船。 如果要破冰厚度为2.25m及以上，则需要建造一艘推进功率超过33MW的重型破冰船。 这时，推进系统就出现了3轴甚至4轴的解决方案。 图5显示了世界上三个国家（俄罗斯、加拿大和美国）在其船体后部使用重型破冰船的推进轴系统。 经过研究对比，后两种形式明显吸收了吊舱全旋转推进的优点，可以适当降低破冰功率，同时提高冰中机动性。
3、防冷系统
极地低温对船舶的安全航行、船上各系统的运行以及船员的工作条件和生活环境影响很大。 极地破冰船的最低环境温度（CCS MAT）一般低于-30℃，设计服役温度（CCS DST）一般低于-20℃。 在这种低温环境下航行的船舶必须考虑防寒设计并申请相关附加标志。 例如中国船级社的极地防寒标志ACC-POLAR（DST）和除冰防寒标志DE-ICE。 对于暴露在空气中的船体钢板，其材料要求适应的温度往往低于上述环境温度，因此有特殊的船级附加标志，如中国船级社的船体防寒标志H（DST）。 对于较低的环境温度，船舶的各个系统和起居舱室都需要进行专门的防寒设计，特别是当最低环境温度低于或等于-46℃时，例如夏令时作业的重型破冰船（ -36°C）。 设计需要提升到核心关键系统的最高层次进行设计、验证和实现。 防寒设计主要包括船舶系统、露天设备和舱室环境三个方面。
(1)首先，为了保证船舶的安全运行和航行，需要进行防寒设计的船舶系统包括压载系统、消防系统、机舱通风系统、冷却水系统、排水系统、布置在开放区域的管道、阀门零部件也需符合相应的等级和标准。 防止结冰的手段一般是加热。 加热源可以是蒸汽、热油、热水、电加热、防冻液或其他伴随加热的介质。
(2)第二步，室外设备防寒。 由于户外设备始终暴露在室外环境中，因此会经受严酷的环境考验。 货物系统、甲板机械、拖航设备、救生设备等露天设备系统的防寒设计对于船舶在极地条件下航行和作业非常重要。 同时，液压油和润滑油的选择也应适合环境温度。 除尽可能布置在非露天环境外，通过增加特殊的防寒设计并对露天设备本身及相关液压管路进行相应的防冰、除冰处理，其他还可以采取预防感冒的措施。 尤其是救生设备等，是正常情况下随时可用、紧急情况下能立即使用的关键设备。 有必要确保它们保持正常状态。 此外，露天区域安全可靠的工作通道和逃生通道是船员工作中人身安全和紧急情况下安全逃生的重要保障。 这也是防寒设计的重点。
(3)最后是舱内环境的防寒设计。 通过重新审视空调通风系统和保温设计，对客舱环境进行专业、系统的防寒技术设计。 具体包括空调新风预热设计、非空调空间防冻方案设计、低温环境下舱室隔热设计、低温环境下露天甲板附件防冻技术设计等。温度环境等
对于重型破冰船，应综合考虑全船温度场、热能规划与分配，攻克一些关键技术，解决全船一体化防寒设计问题。
4 冰荷载研究
与在开阔水域航行的常规船舶相比，极地船舶的工作环境更加恶劣。 除了常规的风、浪、流等因素的影响外，它们还将承受低温环境下各种冰载荷的综合影响：包括在冰区航行/作业。 在此条件下产生的船首冲击冰载荷、船首滩力、局部冰压力等，转弯作业和狭窄航道通道对舷侧结构的挤压作用，浮冰碰撞和二次反射碰撞造成的意外伤害等。设计冰荷载是极地船型冰区结构设计的前提。 如何恰当、有效地计算和模拟各种典型破冰工况下的船冰相互作用，获得相对合理、简化的船体设计冰载荷，是结构设计的重点和难点。 在破冰船的实际设计过程中，常采用经验公式来估算冰载荷和破冰能力，即根据大量冰池试验和实船应力监测数据进行回归分析，得到统计函数公式为通过拟合得到。 因此，所使用的数据库试验数据的样本空间、样本数量、准确性等直接决定了冰荷载经验公式的适用性和准确性。 目前，主要冰区/极地船型规格的设计冰荷载计算一般采用通过实验和统计分析得到的经验/半经验公式，并结合解析分析方法。 在具体的载荷形式、载荷影响参数、应用范围等方面各有侧重。
4.1 国内冰荷载模拟研究现状简述
根据其计算原理，冰荷载计算大致可分为解析法、数值模拟分析法、统计分析法等。冰池模型试验方法是研究冰抗力非常有效的手段。 结构冰荷载测试技术是目前冰池测试技术的研究热点，也是冰池测试能力的重要体现。 20世纪80年代以来，天津大学在国内率先开展冰力学和冰工程研究，并开始筹建实验室。 1998年建成20m×5m×2m冰池并投入稳定运行，可开展各类冰力学和冰工程研究。 工程研究。 国内冰池建造及测试技术研究方兴未艾。 国内学者黄岩、李志军等在冰损伤机制研究和模式冰开发应用等方面做了大量卓有成效的工作。 但应用于船体冰载荷预测时，仍存在成本高、准备时间长的缺点，模型试验中冰材料的生产技术有待进一步完善。
受限于缺乏冰池试验条件和实船应力监测数据，国内冰载荷研究主要集中于理论分析计算，尤其是数值模拟分析。 能量法是广泛使用的冰荷载简化计算方法。 适用于构件设计初期冰荷载的快速估算，且相对保守。 唐文勇等. 研究了碰撞过程中结构的响应，修正了计算冰载荷的能量方法，得到了考虑结构变形能的计算冰载荷的能量方法。
各种船冰相互作用工况的数值模拟分析一直是近年来国内冰荷载研究的重点和热点。 即基于船舶运动方程，采用非线性有限元、离散元、粘结元等数值方法来模拟船舶冰载荷。 通过动态作用过程，计算出相应的碰撞冰力和冰阻力。 例如：何飞飞对破冰船碰撞过程进行了数值模拟，研究了碰撞过程中的破冰变形过程，得到了接触冰力时程曲线； 李辉、任惠龙等基于破冰过程中海冰破坏模型的理想化假设，对连续模式破冰过程进行简化和模拟，得到破冰船的破冰形状和冰力时程曲线。 基于瞬态动力学分析方法，对破冰船碰撞破冰过程进行数值模拟研究。 邹早健等。 采用非线性有限元方法构建层冰有限元数值模型，模拟破冰船在冰层中的连续破冰过程，预测破冰船的冰阻。 季顺英等. 建立海冰离散单元模型，利用离散元方法对船舶在平冰中的航行过程进行数值模拟，计算航行过程中的局部冰压力和冰阻力。 这项工作的关键是实现海冰特性的有效模拟。 目前国内相关研究工作大多集中在平坦冰区和碎冰区，一般简化为各向同性材料。 因此，随着研究的深入，如何实现不同类型各向异性海冰，特别是多年冰包裹体和冰脊堆积的分层模拟，是未来重要的研究和发展方向。
此外，由于实船观测数据的缺乏以及冰池模拟试验方法的滞后，数值模拟分析结果的验证存在很大困难。 其计算结果的有效性和准确性评估问题已成为该领域研究成果进入工程应用范围的主要障碍。
4.2 国内冰荷载实测与分析研究
目前，国内对实船冰载荷实测与分析的研究还处于起步阶段。 哈工集团刘英豪等人根据“SA II”号极地科考补给船（PC5）在南极海域的航行测量数据，采用影响系数矩阵法和反演法对船尾冰载荷进行了分析。并利用正则化求解逆演化方程，得到外板的冰载荷分布。 大连理工大学季顺英团队在2017年“雪龙”号第33次南极科考期间，在船首试验性布设了少量局部应力测点，取得了布设相应测点的经验和一些原始数据。
近日顺利完成海试并交付的我国“雪龙2号”极地科考破冰船已成功搭载国内自主研发的全船应力监测系统，包括船艏、舯部局部强度测量点60套和船尾冰带区域。 。 特别是在艏肩直线过渡区，设有冰载荷反演测点阵（8×11）。 该项目的实施填补了国内极地船舶冰荷监测系统的空白。 随着“雪龙2号”船的交付，未来在南极、南极冰区的科考和航行中将获得大量的实测船冰相互作用数据，可以为南北极冰区科学考察和航行提供大量的实测船冰相互作用数据。数值模拟的验证必然会对国内外相关冰荷载研究工作起到巨大的检验和推动作用。
5 冰区结构设计
与常规开放水域航行船舶相比，极地破冰船的结构设计在总体纵向强度评估、冰区结构优化设计和节点设计、冰荷载下局部强度评估、低端材料选择和设计等方面具有特殊性。温度成分。
5.1 总纵向强度
极地破冰船总纵强度评估的特殊性源于船型主要尺寸的特殊性和破冰工况的特殊性。 破冰能力较强的极地破冰船的长宽比（L/B）一般在4~5之间，其波浪载荷一般应通过直接计算确定。
基于其破冰工作原理和船头特殊的线性设计，在实际破冰过程中，破冰船的船头区域会部分排出水，进入冰面上方，利用重力将冰块压碎。冰层。 设计过程中，除了考虑该状态下船体在冰上行驶的稳定性外，还应重点关注船体结构的安全性。
一方面，应通过加厚艏板和密集布置内部支撑构件来保证船体碰撞/搁浅区域的局部强度和安全。 另一方面，这种工况实际上对船体的船首施加了垂直的船首。 海滩力对纵向强度的影响也必须引起重视。
竖向设计冰弯矩/剪力值与冰级、艏线特性等密切相关。图7为不同监管环境下波浪弯矩/剪力沿船长分布的比较在708基础上开发的某百米长万吨级（PC3）破冰科考船型（以下简称“目标船型”）。
就冰级（PC3）和船舶尺寸而言，垂直冰引起的弯矩的大小基本上与波浪弯矩相当。 然而，对于PC2级及以上的重型破冰船，冰引起的弯矩/剪力远远超过波浪弯矩/剪力，并成为纵向强构件（如最上面的连续结构）的主要控制因素之一。内壳纵舱壁的甲板和顶板。 。
5.2 冰区结构优化设计
由于冰级定义、冰荷载简化、冰区强化范围划分等方面的差异破冰船工作原理，各规范环境下结构设计的具体影响因素和权重也不同。 根据目标船型的主要尺寸和关键性能/船型参数，适当改变目标参数，如破冰厚度、肋间距、船宽等，并考察各规格下相应的影响程度环境。
从目标船型来看，冰区外板设计方面，冰级和肋间距（肋骨间距）是影响外板厚度的主要因素，而排水量因素影响相对较小（见图8和图9）。 ）； IACS PC 规范计算出的部件尺寸对肋间距的变化相对不太敏感。 允许肋距选择的样本空间可以适当放宽，相对有利于结构重量优化设计。
徐一刚等人基于目标船型，通过实例对比分析，重点研究了冰级、船首形状、骨架类型和骨架参数对冰带区域骨架设计的影响； 在此基础上，对船舯区域的冰带框架进行了多种方案的系统对比研究，得出结论：就目标船的尺寸而言，横向框架式冰带结构布置不仅优于纵向框架式在安全性方面，而且在冰带结构的重量控制方面也有优势。
基于708研究所研制的2万吨级PC5级极地多用途运输船，吴军等人对冰载荷作用下的舯侧冰带框架系统进行了分层优化设计。 利用多岛遗传算法（MIGA）对四类骨架系统布局方案进行优化，并进行综合评价，得到相对最优的方案。 结论、优化思路及解决方案可进一步推广并应用于高水平极地船型冰带组件的优化设计。 。 然而，从简化问题的角度来看，优化工作的主要约束是基于弹性准则和标准化冰载荷条件下冰带结构的局部强度。
5.3 冰区构件局部强度校核
国内外许多学者针对冰区船体强化结构验证和承载能力分析开展了研究。 权等人。 基于弹性理论研究了冰船相互作用条件下LNG船的结构强度； 王等人。 研究了冰荷载作用下舷侧外板和肋材的塑性变形以及舷侧纵梁的屈曲强度； 多尔尼等人。 分析研究了不同船型船舶在冰压作用下的结构强度； 奇克利等人。 研究了北极油轮的纵框架外板和侧纵骨的极限强度。
在极地破冰船的实际设计过程中破冰船工作原理，根据规范要求，其腹架、冰带纵梁等强力构件的尺寸应根据有限元计算确定。 施加荷载为标准荷载（虚拟冰荷载），施加位置为剪、弯联合作用下结构承载力最薄弱的位置，如图10所示。
六，结论
近年来，我国已完成多冰级（PC5~PC3）、多类型（多用途船、甲板驳船、油轮、破冰船等）极地船型的研发、设计和制造，基本具备了具备开发中、高冰级极地船型的能力。 能力。 极地重型破冰船是下一阶段船舶研发的重点。 极地重型破冰船可在冬春季节在高纬度冰区保持常年作业，其重点作业海域的冰况以多年冰为主。 鉴于其作业环境、任务概况以及工程项目的重要性，支持重型破冰船型发展的关键技术研究也发生了一定的升级和变化，应成为下一步的重点国内相关领域的研究。
（1）针对破冰船型式，研究高级别破冰船型式（PC2及以上）线性参数、螺旋桨推力与破冰功率之间的关系，形成可靠的功率预测方法。 重点研究轴桨与全回转推进装置新型推进组合在敞水航行和破冰航行不同任务工况下（特别是对于破冰航行）对船体布置、尾迹、破冰推力和回转性能、振动和噪声的影响。重冰条件下螺旋桨、轴系和大块冰的碰撞问题）。
(2)针对夏季破冰航行所面临的船体冰载荷与水平冰的差异，根据南北极秋冬季多年冰的特点，对破冰船-海冰-采用非线性弹簧和流固耦合方法建立了海水耦合。 突出多年冰特征的计算模型和海冰结构是后续研究的重要方向。 其中，碰撞破冰条件下的冰荷载研究应重点关注。
通过模型试验或实船应力监测数据的分析和反演，提高数值模拟中运动方程的精度。 我国自主研发的应力监测系统在“雪龙2”号上的成功安装，使我国首次具备了对破冰船极地冰荷实时监测的能力。 在随后的观察年和相关的冰载反转分析中，测量数据的积累肯定会在测试和指导船冰耦合数值模拟工作中发挥出色的作用，并在工程方面促进相关技术成就的进步实用性。 它将成为下一阶段冰负荷研究工作的重中之重。
（3）关于冰区域组件的局部强度检查和相应的优化设计。 对于高级破冰船类型（PC2及更高版本），只需使用结构代码设计方法即可准确考虑塑料响应和局部负载下结构的负载重新分布。 诸如反复撞击冰负荷造成的结构可塑性和疲劳损害等问题。 基于当前的极地分类法规，尽管该行业已经在一定程度上认识到结构性塑料负载能力的适当利用，但相关的设计标准尚不清楚。 因此，基于非线性直接计算方法并考虑不同的负载条件，允许的限制冰载量分析破冰船冲击区域结构以阐明其最终的轴承能力和损坏后的剩余强度是发展高冰级船只的关键。 这个问题也是当前国际研究的热门话题之一。 （资料来源：“中国造船业”作者：中国国家造船公司第708研究所吴军，由 Oil and Agal 编译和发布）
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