曹 晶 王 剛

（1.中國船級(jí)社 上海規(guī)范研究所 上海 200315；2.中國船級(jí)社 船舶與海上設(shè)施結(jié)構(gòu)安全實(shí)驗(yàn)室 上海 200315）

0 引言

近年來，極地的經(jīng)濟(jì)、軍事和政治等戰(zhàn)略地位日益凸顯，已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。美國、俄羅斯和歐洲等近北極國家和地區(qū)，在原有優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上正在積極布局極地船舶裝備，提升極地科學(xué)考察、商業(yè)航運(yùn)和資源開發(fā)能力，切實(shí)保障未來在極地地區(qū)的資源開發(fā)活動(dòng)[1]。然而極地常年被海冰覆蓋，北極冬季海冰冰厚在2.5～ 3.0 m，南極存在大量冰山；南北極最低測(cè)量溫度分別達(dá)到-89.2 ℃和-59 ℃，高寒環(huán)境、復(fù)雜冰況等極端環(huán)境給船舶裝備及人員安全帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。國際公約、規(guī)則與規(guī)范為極地航行船舶應(yīng)對(duì)極地復(fù)雜環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)提供安全技術(shù)及準(zhǔn)則。國際海事組織（international maritime organization，IMO）頒布了《國際極地水域航行船舶規(guī)則》（簡(jiǎn)稱“極地規(guī)則”）[1]。北冰洋附近國家船級(jí)社建立起了完善的極地船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，研發(fā)安全評(píng)估技術(shù)，助推了極地船舶技術(shù)裝備的創(chuàng)新。經(jīng)過多年積累，我國在極地航行與開發(fā)方面取得顯著成果。2013 年，中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)的永盛輪成功首航北極東北航道；2019 年，極地科學(xué)考察破冰船“雪龍2”號(hào)由江南廠建造并交付使用。

國家《“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出：要瞄準(zhǔn)極地深海等前沿領(lǐng)域，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目，開展極地立體觀監(jiān)測(cè)平臺(tái)和重型破冰船研制，雪龍?zhí)綐O二期建設(shè)。我國極地航行與開發(fā)技術(shù)進(jìn)入了新發(fā)展階段。為此，本文全面梳理總結(jié)國際公約、極地船舶規(guī)范技術(shù)現(xiàn)狀及特點(diǎn)，研究提煉極地船舶安全相關(guān)的重要關(guān)鍵技術(shù)，為未來我國極地船舶規(guī)范體系的自主構(gòu)建提供技術(shù)支持，以支撐未來極地船型開發(fā)與航運(yùn)拓展。

1 極地船舶技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

為推動(dòng)極地水域人命安全和環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)的極地（北極）航運(yùn)發(fā)展，2017 年7 月1 日，IMO“極地規(guī)則”生效，極地水域船舶受極地規(guī)則約束。依托于豐富的極地船海裝備研發(fā)及極地航行實(shí)踐，北冰洋附近國家建立起了完善的極地船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，俄羅斯船級(jí)社建立完整的破冰船規(guī)范，挪威船級(jí)社、美國船級(jí)社等紛紛推出了船舶防寒相關(guān)的規(guī)范指南。與此同時(shí)，先進(jìn)的極地船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步助推了極地船舶裝備的創(chuàng)新發(fā)展。

在極地規(guī)則強(qiáng)制實(shí)施和北極航運(yùn)需求推動(dòng)下，我國極地航行船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)得以完善。中國船級(jí)社（CCS）在冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范基礎(chǔ)上，陸續(xù)發(fā)布《低氣溫環(huán)境下操作船舶的補(bǔ)充規(guī)定》（簡(jiǎn)稱“防寒規(guī)范”）、《極地船舶指南》等，支持國家每年極地科考任務(wù)和北極東北航道商業(yè)利用，以及“雪龍2”號(hào)等極地船型開發(fā)和建造項(xiàng)目。

伴隨北極油氣資源開發(fā)深入，滿足抗高冰況、耐高寒冷并具有復(fù)雜操作模式的大型化破冰型極地資源運(yùn)輸船型開發(fā)成為未來發(fā)展需求。芬蘭AKER北極公司開發(fā)了新一代具備常年北極航行能力的高冰級(jí)液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）船。而從北極航道的發(fā)展趨勢(shì)來看，多用途船、油船、LNG 船和集裝箱船將成為未來極地海域的四大主力運(yùn)輸船型[2]。極地探險(xiǎn)旅游保持上漲態(tài)勢(shì)，其中南極觀光活動(dòng)每年以10%～ 15%的遞增速度上升，帶動(dòng)了極地郵輪的需求。隨著我國極地開發(fā)與科學(xué)考察的深入，亟需重型破冰船等重型裝備[3]，以保障我國極地戰(zhàn)略、軍事和船舶安全。而國際規(guī)則、法規(guī)對(duì)安全、環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，提高了極地船舶裝備研發(fā)、航運(yùn)拓展的技術(shù)準(zhǔn)入門檻，因此需要加強(qiáng)極地船舶技術(shù)攻關(guān)與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

2 極地船舶公約規(guī)范體系

2.1 國際公約

國際法律框架規(guī)定極地航行船舶設(shè)計(jì)和操作。法律框架的主體是《聯(lián)合國海洋法公約》（united nations convention on the law of the sea，UNCLOS）、IMO、船旗/沿岸國/港口國、認(rèn)可組織（recognized organization，RO）以及國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（international association of classification societies，IACS），如下頁圖1所示。

圖1 極地船舶國際公約、規(guī)則與規(guī)范體系

極地規(guī)則制定采用了風(fēng)險(xiǎn)方法確定控制范圍和識(shí)別減緩風(fēng)險(xiǎn)措施，考慮的主要風(fēng)險(xiǎn)包括：海冰、船舶結(jié)冰、低溫、極晝極夜、高緯度、偏遠(yuǎn)及水文資料不足、船員經(jīng)驗(yàn)不足、惡劣多變的氣候和環(huán)境敏感性等。制定的安全措施采用了目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)（goal-based standards，GBS）的模式，即以識(shí)別的危害為導(dǎo)向，確定目標(biāo)、規(guī)定功能性要求以及分析出規(guī)定性要求等3 個(gè)層次要求。極地規(guī)則包含安全措施和環(huán)保措施兩大部分，涵蓋極地船舶構(gòu)造、設(shè)備、操作、培訓(xùn)、搜救和環(huán)保等方面。由于采用基于風(fēng)險(xiǎn)的方法，可解決極地規(guī)則的適用性問題，并能支持極地船的創(chuàng)新設(shè)計(jì)發(fā)展。極地規(guī)則也考慮了《聯(lián)合國海洋法公約》第234 條責(zé)任和權(quán)力，域外國家北極航運(yùn)船舶需要遵循北極沿岸國北極航道通航強(qiáng)制要求。

2.2 船級(jí)社規(guī)范

IACS 制定了極地船舶相關(guān)要求，主要包括UR I 《極地級(jí)相關(guān)要求》，提供了極地冰區(qū)獨(dú)立航行的極地級(jí)船舶結(jié)構(gòu)、機(jī)械裝置要求，共包含7 個(gè)冰級(jí)（PC7～ PC1），如表1 所示；UR S6《各種船體構(gòu)件的鋼級(jí)使用-長度為 90 m 及以上的船舶》，其中提供了低氣溫環(huán)境下船體構(gòu)件鋼級(jí)使用要求。這些要求均被“極地規(guī)則”采納并引用，PC 冰級(jí)作為“極地規(guī)則” A、B 類船舶的強(qiáng)制要求。

表1 極地冰級(jí)

為了支撐我國極地航運(yùn)開發(fā)、極地船舶裝備設(shè)計(jì)制造，確保我國極地航運(yùn)安全，在極地船舶規(guī)則、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系框架中，配套實(shí)施IMO“極地規(guī)則”，中國船級(jí)社制定并發(fā)布涵蓋規(guī)范、指南和計(jì)算軟件的極地船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，形成完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系。

中國船級(jí)社船舶冰區(qū)加強(qiáng)規(guī)范包含極地冰級(jí)規(guī)范和B 系列冰級(jí)規(guī)范。極地冰級(jí)規(guī)范納入國際船級(jí)社協(xié)會(huì)UR I 要求。B 系列冰級(jí)規(guī)范Ice Class B1*、B1～ B3 冰級(jí)適用于冬季波羅的?；蚱渌嗨票鶝r海域航行船舶，Ice Class B 適用于除大塊固定冰以外的漂流浮冰海域（如中國北方冬季 沿海）。

中國船級(jí)社《低氣溫環(huán)境下操作船舶的補(bǔ)充規(guī)定》為極地水域低氣溫操作的船舶提供基于極地服務(wù)溫度（polar service temperature,PST）/設(shè)計(jì)服務(wù)溫度（design service temperature,DST）的船舶及設(shè)備和系統(tǒng)的防寒水平[4]，如下頁表2 所示，包含暴露于低氣溫環(huán)境的船體結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備材料、起居和工作艙室、液艙、甲板設(shè)備和系統(tǒng)、甲板工作區(qū)域和脫險(xiǎn)通道、救生和消防安全設(shè)備和系統(tǒng)、航行設(shè)備等方面的防寒措施的技術(shù)要求。中國船級(jí)社還制定了一系列極地船舶相關(guān)指南，其中：《極地船舶指南》、《極地水域操作手冊(cè)編寫指南》可指導(dǎo)用戶實(shí)施公約、規(guī)范的相關(guān)要求；《冰區(qū)操作船體監(jiān)測(cè)及輔助決策系統(tǒng)指南》為極地船舶船體監(jiān)測(cè)提供技術(shù)指導(dǎo)，該指南為“雪龍2”號(hào)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支持。

表2 中國船級(jí)社防寒水平

3 主要關(guān)鍵技術(shù)分析

海冰和低溫是極地船舶面臨的主要威脅，對(duì)極地船舶設(shè)計(jì)、建造和極地航行提出了巨大挑戰(zhàn)，因此針對(duì)破冰技術(shù)、防寒技術(shù)和極地航行保障技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究也是極地船舶規(guī)范研究的重要內(nèi)容。

3.1 破冰技術(shù)

3.1.1 船舶冰載荷

船舶結(jié)構(gòu)冰載荷的合理確定是極地船舶結(jié)構(gòu)安全的核心內(nèi)容。國際船級(jí)社協(xié)會(huì)極地冰級(jí)規(guī)范以船首受浮冰碰擦作用確定抵抗冰載荷所要取得的尺度設(shè)計(jì)場(chǎng)景[5]。基于船冰作用的能量平衡原理，假設(shè)船舶初始正常動(dòng)能轉(zhuǎn)化為冰的破碎能，進(jìn)而得到設(shè)計(jì)冰力。船舶撞擊冰緣的時(shí)候，冰力可以通過冰載荷模型方程進(jìn)行求解得到，其力學(xué)原理是基于Popov 碰撞模型。冰力公式如下：

式中：P o為冰壓力，MPa，與冰級(jí)相關(guān)；ex為壓力面積指數(shù)；φ為冰緣角，（°）；β′為肋骨垂向角，（°）；?n為規(guī)范化質(zhì)量，kt，?n＝ ?ship/Co；V n為規(guī)范化速度，m/s，V n＝Vshipl；Co為質(zhì)量折減系數(shù)；l為x方向余弦，l=sin(α)cos(β′) 。

校核結(jié)構(gòu)尺寸需要冰壓力，因此獲得冰力后還要轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)承受的局部冰壓力，即設(shè)計(jì)冰載荷由均勻分布在一長方形載荷作用板（高b和寬w）上的平均壓力Pavg表征。

圖2 船首浮冰碰擦作用示意圖

隨著極地船舶朝新穎化、大型化發(fā)展，操作模式也更多樣，船冰作用工況更加復(fù)雜?；谡蚺霾恋睦碚撃Ｐ痛_定艏部冰載荷并采用船體分區(qū)因子的方式應(yīng)用于其他船體分區(qū)的模式，必然不能完全反映實(shí)際冰載荷作用特點(diǎn)，特別是對(duì)具有特殊操作模型的船舶，具有一定的局限性?；诒W(xué)分析的冰載荷數(shù)值計(jì)算方法可以有效預(yù)報(bào)各種操作模式下船體的冰載荷作用，因此，冰載荷的數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)極地船設(shè)計(jì)是一種必不可少的補(bǔ)充手段。

業(yè)界采用有限元、離散元、近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)、環(huán)向裂紋法和光滑粒子動(dòng)力學(xué)等不同方法進(jìn)行冰載荷數(shù)值分析[6-7]，但大多都是計(jì)算得到冰力用于冰區(qū)航行阻力計(jì)算，也有通過船體結(jié)構(gòu)直行破冰的離散元模擬，分析了船體結(jié)構(gòu)的總體冰載荷和局部冰壓力[8]。為解決滿足工程應(yīng)用需求的冰載荷數(shù)值預(yù)報(bào)問題，中國船級(jí)社聯(lián)合業(yè)界單位開發(fā)船舶結(jié)構(gòu)冰載荷高級(jí)分析專用軟件?；诤１x散元的數(shù)值計(jì)算方法開發(fā)，準(zhǔn)確模擬了PC1～ PC7 冰級(jí)要求下的冰荷載、冰阻力，解決了船舶直行、轉(zhuǎn)向、艉向、斜向和淺水等多種冰區(qū)操作模式下的局部冰壓力和整體冰阻力數(shù)值計(jì)算，并在重型破冰船、極地LNG 船等船型研發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用。

圖3 顯示了某型極地LNG 船結(jié)構(gòu)冰載荷分析。通過建立船殼網(wǎng)格模型，運(yùn)用海冰離散元法對(duì)極地LNG 船在設(shè)計(jì)冰況下艏向、艉向破冰模擬，設(shè)計(jì)海冰厚度1.5 m，海冰彎曲強(qiáng)度0.5 MPa；獲得了艏向、艉向的冰壓力分布特征，艏部典型位置冰壓力2.264 MPa，艉部典型位置冰壓力1.673 MPa。對(duì)于艉部破冰工況，圖 3（2）顯示艉柱下部受破碎浮冰撞擊，也承受了較大冰載荷，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 極地LNG 船結(jié)構(gòu)冰載荷分析

目前我國“雪龍2”號(hào)配備并使用了冰載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，國內(nèi)也正在開展冰水池及試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)，隨著冰水池模型試驗(yàn)或?qū)嵈瑴y(cè)量冰載荷數(shù)據(jù)的積累和分析，將進(jìn)一步推動(dòng)冰載荷數(shù)值預(yù)報(bào)能力提升。

3.1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

IACS 的URI《極地級(jí)相關(guān)要求》對(duì)外板及其骨材、主要支撐構(gòu)件等船體結(jié)構(gòu)制定了強(qiáng)度要求。外板及其骨材給出了基于冰壓力的描述性要求，強(qiáng)肋骨和承受冰載荷的舷側(cè)縱桁采用直接計(jì)算方法校核。不同于一般規(guī)范，UR I 制定外板及其骨材要求時(shí)采用了彈塑性準(zhǔn)則，有助于確保結(jié)構(gòu)材料分布及重量更加平衡，以抵抗設(shè)計(jì)/極端冰載荷。實(shí)際上，冰區(qū)航行實(shí)踐中，對(duì)于不損害船舶整體強(qiáng)度和水密完整性的局部小變形也是可以接受的。

對(duì)于強(qiáng)肋骨和承受冰載荷的舷側(cè)縱，可采用線性有限元或非線性有限元進(jìn)行強(qiáng)度分析。線性有限元分析相對(duì)簡(jiǎn)單、易于操作，目前被廣泛應(yīng)用，規(guī)范中也給出了衡準(zhǔn)要求，包括腹板許用剪切應(yīng)力為?？紤]彈塑性能力，面板的許用Von Mises 應(yīng)力取1.15Reh，腹板和面板還應(yīng)滿足屈曲要求。相比線性計(jì)算，非線性計(jì)算更加復(fù)雜，規(guī)范中也僅給出了基于目標(biāo)的要求，尚無明確的衡準(zhǔn)，目前非線性分析方法尚未廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)[9]。

彈塑性設(shè)計(jì)方法也適用于結(jié)構(gòu)極限承載能力計(jì)算和損傷分析。很多科學(xué)工作者闡述過結(jié)構(gòu)極限載荷的力學(xué)概念，也提出了若干結(jié)構(gòu)極限載荷準(zhǔn)則（如切線法、最大彈性變形法、兩倍彈性斜率法等）。開展冰載荷作用下的結(jié)構(gòu)極限承載能力研究，通過非線性有限元方法獲得冰載荷作用下結(jié)構(gòu)的載荷-變形曲線，再利用合適的極限載荷準(zhǔn)則來確定結(jié)構(gòu)的極限承載能力。圖 4 為對(duì)典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)模擬假定的不同初始塑性變形（取主要支撐構(gòu)件跨距l(xiāng) 的比例），分別采用切線法、最大彈性變形法、兩倍彈性斜率法計(jì)算冰載荷下結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

圖4 冰載荷作用下結(jié)構(gòu)極限承載能力計(jì)算

表3 顯示了不同初始塑性變形下的結(jié)構(gòu)極限承載能力?？梢钥闯觯寒?dāng)初始屬性變形大于一定值時(shí)（如l/200），3 個(gè)方法得到的極限承載能力呈顯著下降趨勢(shì)。上述方法可作為極地船舶結(jié)構(gòu)局部變形損傷修理的判定參考。

表3 不同初始塑性變形下的極限承載能力

隨著船舶大型化發(fā)展，冰載荷作用下的整船有限元直接計(jì)算也是重要內(nèi)容（參見圖5）?；诒鶇^(qū)航行工況進(jìn)行冰載荷預(yù)報(bào)，研究冰載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)影響，包括冰載荷與其他載荷相互關(guān)系和組合系數(shù)、冰載荷加載方法、考慮冰載荷的評(píng)估衡準(zhǔn)，提出考慮冰載荷的整船有限元分析方法建議。

圖5 冰載荷加載

3.1.3 螺旋槳及軸系強(qiáng)度

一般采用有限元直接計(jì)算校核冰載荷作用下的螺旋槳強(qiáng)度，規(guī)范給出了詳細(xì)的螺旋槳冰載荷工況及衡準(zhǔn)。針對(duì)極地航行船舶的螺旋槳有限元強(qiáng)度分析要求，中國船級(jí)社對(duì)螺旋槳的空間幾何造型進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了將葉片型值表換算到空間坐標(biāo)的公式，開發(fā)了螺旋槳有限元強(qiáng)度校核計(jì)算軟件，極大提高了螺旋槳有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。冰載荷作用下的螺旋槳應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 冰載荷作用下的螺旋槳應(yīng)力云圖

冰載荷激勵(lì)下的推進(jìn)軸系扭振計(jì)算方法是推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。相比大量常規(guī)的扭振研究工作而言，目前我國還缺乏冰載荷激勵(lì)下的扭振技術(shù)研究。中國船級(jí)社開展了極地航行4 種冰載荷工況下的螺旋槳槳葉激勵(lì)分析，利用Fourier（傅里葉）變換將4 種工況下的螺旋槳冰載荷時(shí)域（螺旋槳旋轉(zhuǎn)角度）激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域激勵(lì)信號(hào)，并提出變速系統(tǒng)中螺旋槳激勵(lì)諧次與幅值轉(zhuǎn)化為與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相同當(dāng)量系統(tǒng)的方法[10]。根據(jù)以上冰載荷激勵(lì)研究與分析成果，開發(fā)了基于頻域分析的冰載荷激勵(lì)下推進(jìn)軸系扭振工程計(jì)算軟件，已應(yīng)用于實(shí)船檢驗(yàn)中。

當(dāng)考慮螺旋槳收到冰載荷激勵(lì)為瞬態(tài)沖擊形式時(shí)，中國船級(jí)社開展了采用時(shí)域方法的推進(jìn)軸系瞬態(tài)扭振計(jì)算研究[11]，對(duì)其中的建模方法、計(jì)算方法、激勵(lì)和阻尼等關(guān)鍵技術(shù)及影響因素進(jìn)行研究，形成冰載荷作用下的推進(jìn)軸系瞬態(tài)扭振計(jì)算的一般流程，采用Newmark（紐馬克）逐步積分法并借助求解工具，對(duì)極地航行船舶推進(jìn)軸系進(jìn)行瞬態(tài)扭振仿真計(jì)算，實(shí)例驗(yàn)證了計(jì)算方法及程序的正確性，可為極地航行船舶電力和低速柴油機(jī)推進(jìn)軸系瞬態(tài)扭振計(jì)算提供工程參考。冰載荷激勵(lì)下的軸系動(dòng)態(tài)扭矩及應(yīng)力響應(yīng)分析如圖7所示。

圖7 冰載荷激勵(lì)下的軸系動(dòng)態(tài)扭矩及應(yīng)力響應(yīng)分析

3.2 防寒技術(shù)

3.2.1 防寒設(shè)計(jì)

低氣溫環(huán)境會(huì)影響船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備和系統(tǒng)的功能以及船上人員的工作，可能威脅船舶的操作安全。船舶防寒設(shè)計(jì)通常主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)包括：材料性能喪失、機(jī)械/設(shè)備功效下降或故障、貨物凍結(jié)、壓載水冰凍、可居住性降低、凍傷以及船舶水上部分積冰等，合理的防寒設(shè)計(jì)是低氣溫操作船舶設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

準(zhǔn)確理解相關(guān)溫度定義是執(zhí)行規(guī)則、規(guī)范技術(shù)要求的基礎(chǔ)，主要包括最低日均低溫（the lowest mean daily low temperature,LMDLT）（見 圖 8）、設(shè)計(jì)服務(wù)溫度（DST）、預(yù)期的最低環(huán)境溫度（minimum anticipated temperature,MAT）等。設(shè)計(jì)服 務(wù)溫度（DST）一般設(shè)為低于擬定的船舶操作區(qū)域和季節(jié)的最低日均低溫（LMDLT）至少 10 ℃，預(yù)期的最低環(huán)境溫度（MAT）一般應(yīng)考慮低于LMDLT 至少 20 ℃。

圖8 通用溫度定義

考慮不同設(shè)備、系統(tǒng)面臨低溫風(fēng)險(xiǎn)及危害后果的差異，規(guī)范中對(duì)船舶布置、露天設(shè)備、消防和救生等要求所使用的溫度也不同（詳見表 4），防寒設(shè)計(jì)需要針對(duì)性考慮。

表4 船舶系統(tǒng)防寒使用的溫度參數(shù)及要求

3.2.2 低溫試驗(yàn)驗(yàn)證

為滿足預(yù)期低溫下的使用要求，露天安裝的設(shè)備和系統(tǒng)通常需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)或改造，如何驗(yàn)證其在設(shè)計(jì)服務(wù)溫度下的功能完好性是關(guān)鍵之一。依托于近北極的地緣優(yōu)勢(shì)，歐美等國開展了大量極地實(shí)地環(huán)境的救生艇等試驗(yàn)研究。我國并不具備該優(yōu)勢(shì)，通過試驗(yàn)室方法模擬極地環(huán)境驗(yàn)證設(shè)備功能成為有效的手段之一。中國船級(jí)社聯(lián)合相關(guān)設(shè)備廠商開展了極地救生艇/筏及其降放裝置的性能標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法研究，識(shí)別極地環(huán)境與常規(guī)環(huán)境的差異，逐項(xiàng)分析極地危險(xiǎn)源對(duì)救生艇及其降放裝置和氣脹式救生筏的不利影響，通過試驗(yàn)室方法模擬極地環(huán)境（如圖9 所示），以驗(yàn)證相關(guān)措施和手段的適用性和使用效果，總結(jié)歸納極地救生艇和救生筏的性能標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法[12]。

圖9 救生艇降防裝置低溫試驗(yàn)

3.3 極地航行及保障技術(shù)

3.3.1 極地操作能力評(píng)估

極地航行是一個(gè)復(fù)雜的工程問題，一方面從設(shè)計(jì)建造角度需要建造具有足夠抗冰、防寒能力的船舶，另一方面從營運(yùn)操作角度還需要結(jié)合船舶能力和實(shí)際環(huán)境評(píng)估操作安全性。因此，需要建立極地船舶操作能力和限制評(píng)估方法以指導(dǎo)船舶極地 操作。圖10 是中國極地研究中心制作的東北航道1 月和2 月的海冰蛋形圖。

圖10 海冰蛋形圖（中國極地研究中心制作）

針對(duì)極地船舶操作能力和限制評(píng)估的數(shù)據(jù)需求，中國船級(jí)社研究制定了極地冰況和溫度數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理方法，指導(dǎo)業(yè)界相關(guān)單位制定了海冰、溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，解決了現(xiàn)有海冰和溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)無法用于工程評(píng)估的問題，提升了我國冰數(shù)據(jù)處理應(yīng)用能力。

其針對(duì)極地航行船舶面臨海冰、低溫的主要風(fēng)險(xiǎn)，在冰區(qū)操作能力評(píng)估方法（POLARIS）基礎(chǔ)上，增加了低氣溫操作能力評(píng)估，進(jìn)而建立了極地航行操作能力和限制評(píng)估方法及實(shí)施細(xì)則。

該方法已成功指導(dǎo)多艘船舶冰區(qū)航行操作，為船東安全營運(yùn)及科學(xué)決策提供了有力的技術(shù)支持和保障。

3.3.2 冰區(qū)操作船體監(jiān)測(cè)及輔助決策

冰區(qū)航行船舶船體監(jiān)測(cè)及輔助決策技術(shù)是指對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)指標(biāo)分析船舶結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性。這不僅可以為船舶冰區(qū)航行提供決策支撐，而且監(jiān)測(cè)積累的冰載荷數(shù)據(jù)也能為冰載荷研究和抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)輸入。為此，國際上開展了大量實(shí)船監(jiān)測(cè)研究，我國新建的“雪龍2”號(hào)極地科考破冰船便安裝了結(jié)構(gòu)應(yīng)力及冰載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并獲得中國船級(jí)社的認(rèn)可。為了建立有效的船體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要針對(duì)冰載荷監(jiān)測(cè)位置、典型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置、安全閾值確定、冰載荷反演和操作決策建議等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。

傳感器一般布置在受冰載荷大的位置，但船冰作用具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因船型及操作模式不同，船體冰壓的分布特征也不同。利用離散元冰載荷預(yù)報(bào)可獲得船體結(jié)構(gòu)高壓區(qū)位置分布特征分析，有助于優(yōu)化冰載荷測(cè)點(diǎn)布置。通過對(duì)典型極地船舶平整冰艏向、艉向、轉(zhuǎn)向操作的冰載荷分析，艏向操作時(shí)，水線附近船首部、艏肩部冰壓力較大；艉向航行時(shí)，船尾部、艉肩部冰壓力較大；轉(zhuǎn)向航行時(shí)，艏肩部和艉部的冰壓力最大?！把?”號(hào)的冰載荷測(cè)點(diǎn)也應(yīng)用了冰載荷分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化布置。

為捕獲結(jié)構(gòu)受冰載荷作用的應(yīng)變信號(hào)，應(yīng)變傳感器選擇的橫向框架通常應(yīng)該靠近破冰或受冰沖擊的肋骨上，單向拉壓應(yīng)變傳感器應(yīng)放置在橫向框架面板的中點(diǎn)處，雙向應(yīng)變傳感器應(yīng)放置在中和軸靠近外板的框架端部，橫向框架應(yīng)變監(jiān)測(cè)布置如圖11所示。

圖11 傳感器布放示意圖

目前還難以直接測(cè)量冰載荷,一般通過結(jié)構(gòu)應(yīng)變、六自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)等船舶結(jié)構(gòu)局部或總體響應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)間接反演冰載荷[13]，其中影響系數(shù)矩陣法、支持向量機(jī)法、格林函數(shù)法和運(yùn)動(dòng)參數(shù)法等廣泛應(yīng)用于實(shí)船冰載荷反演。

4 結(jié)語

先進(jìn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在推進(jìn)我國極地船舶裝備自主可控發(fā)展、對(duì)標(biāo)國際領(lǐng)先的過程中，發(fā)揮著基礎(chǔ)性和引領(lǐng)性作用，在極地船舶裝備發(fā)展的各個(gè)階段都提供了有力的基礎(chǔ)支撐。因此，我國需要開展極地船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，圍繞未來極地船舶大型化、新穎化發(fā)展，針對(duì)抗高冰況、耐高寒冷需求的極地船舶研發(fā)，布局安全相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究：

（1）開展破冰技術(shù)研究

研究海冰-結(jié)構(gòu)-海水耦合作用機(jī)理，持續(xù)發(fā)展船舶冰載荷數(shù)值計(jì)算方法，研發(fā)高性能船舶結(jié)構(gòu)、螺旋槳冰載荷軟件，建立極地船舶冰載荷預(yù)報(bào)能力，推動(dòng)冰載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高級(jí)分析方法；開展基于大數(shù)據(jù)的冰區(qū)航行安全與控制技術(shù)研究，提高極地航行船舶實(shí)時(shí)冰況下安全及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力；建立極地船舶主機(jī)功率預(yù)報(bào)方法及專用計(jì)算軟件開發(fā)；開展推進(jìn)軸系扭振時(shí)域計(jì)算方法研究，為極地航行船舶軸系設(shè)計(jì)和主機(jī)控制策略的制定提供參考；通過冰載荷激勵(lì)作用下推進(jìn)軸系在其運(yùn)行轉(zhuǎn)速下軸系各部件的動(dòng)態(tài)扭矩和應(yīng)力響應(yīng)值，開展極地航行軸系強(qiáng)度評(píng)估。

（2）開展防寒技術(shù)研究

根據(jù)極地船用材料服役環(huán)境，研究極地船舶用鋼、船用耐磨涂料和船用橡膠密封材料的性能要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；研究實(shí)驗(yàn)室模擬極地環(huán)境條件下，露天設(shè)備性能的試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)；研究船舶艙室保溫的數(shù)值計(jì)算方法，分析艙室溫度場(chǎng)分布的規(guī)律，驗(yàn)證多環(huán)境溫度條件下的艙室保溫性能；研究氣泡擾動(dòng)、循環(huán)擾動(dòng)和介質(zhì)加熱等不同壓載艙防凍結(jié)措施的效能，分析結(jié)冰/凍結(jié)對(duì)液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

針對(duì)極地船舶設(shè)計(jì)研發(fā)及驗(yàn)證需求，開展海冰力學(xué)特性研究，搭建冰水池及試驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)而建立極地船舶冰區(qū)航行性能預(yù)報(bào)能力；開展實(shí)船冰載荷測(cè)量技術(shù)研究，搭建實(shí)船冰載荷監(jiān)測(cè)平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫，支撐冰載荷研究和抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；開展極地環(huán)境及數(shù)據(jù)研究，建立極地低溫等環(huán)境模擬技術(shù)，驗(yàn)證船舶系統(tǒng)及設(shè)備的低溫性能。