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      極地破冰船的破冰技術發展趨勢研究

      發布時間:2020-11-18 10:08所屬分類:交通運輸加入收藏

      摘要:本文對國內和國外目前先進破冰技術和學者們對破冰技術的研究進行歸納和整理,重點介紹新涌現的極地破冰船的破冰技術,并對未來破冰船的發展

        摘要:本文對國內和國外目前先進破冰技術和學者們對破冰技術的研究進行歸納和整理,重點介紹新涌現的極地破冰船的破冰技術,并對未來破冰船的發展趨勢進行研究,為極地破冰船未來發展的研究方向提供有益參考。

        關鍵詞:破冰技術;發展趨勢;破冰船

      珠江水運

        全球氣候變暖導致北冰洋冰川融化加劇,北冰洋的冰域面積不斷縮小,這使得北極航道的通航成為可能。北極航道的開通意味著全球航運格局將發生巨大變化。2019年1月,中國政府發表了《中國的北極政策》白皮書,以加強北極地區基礎設施建設和數字化建設為核心綱領,以北極航道和能源合作開發作為經濟投資重心,并與多方共同建設“冰上絲綢之路”。

        作為擔負開辟航道、運輸物資、科研考察任務的極地船舶,在開拓北極航道和發展北極經濟圈中扮演著重要角色。目前中國僅有兩艘具有破冰能力的極地破冰船,分別是破冰等級為PC6級的“雪龍”號和PC3級的“雪龍2”號,無法滿足日益增長的極地科學研究和戰略發展的需求,因此發展和提高各類極地船舶的自主設計能力刻不容緩。

        1 國內破冰船技術

        1.1 破冰船的特點及破冰等級

        破冰船一般依賴船體線型和動力推進破碎冰層,開辟航道。為獲得更大的破冰寬度,船身長寬比值較小,首柱較為尖削,以一定角度前傾。總體強度高,首尾和水線區具有結構加強。破冰船的推進系統多采用多螺旋槳,對螺旋槳和舵有防護裝置。破冰船以柴油機或核動力為動力推進。總體來說,船體短而寬,船體強度高是破冰船的主要特點[1]。

        極地船舶的冰級劃分可參考lACS冰級要求,見表1。

        1.2 破冰船的破冰方式

        破冰船在破冰作業時,船艏擔任主要的破冰任務,受到集中載荷的作用;船體與海冰發生碰撞,受到沖擊載荷的作用。傳統的破冰方式主要有連續破冰法和沖撞破冰法[2]。

        (1)連續破冰法:在冰層較薄的冰區,一般冰層厚度低于1.5米時,使用連續破冰法。破冰船以一定航速,利用螺旋槳的推力、船體破冰線型直接將冰層破開撞碎。如圖1所示。

        (2)沖撞破冰法:在冰層更厚的冰區、復雜的堆積冰區或冰脊區,采用沖撞破冰法。首先,破冰船需倒退約兩個船長的距離,然后加速向前沖,沖撞式破冰船艏部吃水較淺,船體會沖上冰面將冰層壓碎,若冰層未完全破開,可利用左右壓載水艙交替注水,使船體左右一定幅度搖晃,以達到開辟航道的目的。如圖2所示。

        1.3 國內破冰船現狀

        目前我國帶高等級冰級的極地船舶較少,擁有兩艘抗0.8m以上浮冰的極地船舶,大量的極地船舶能抵抗的浮冰厚度在0.4m以下[3]。這兩艘極地破冰船,分別是由烏克蘭購進并改造而來的“雪龍”號極地科考船和我國第一艘自主研發的“雪龍2”號科考船。

        “雪龍2”號是全球第一艘采用雙向破冰技術的極地科考船,也是第一艘我國自主研發的高冰級破冰船。能夠在1.5米厚冰條件下連續破冰航行,填補了我國在極地科考重大裝備領域的空白[4]。“雪龍2”號的動力系統為全電力推進,尾部的螺旋槳吊艙可360。旋轉,即槳舵合一,既是螺旋槳也是舵,因此其非常靈活,可實現船體原地調頭。推進性能和機動性能更加優越,利用船尾可突破極區20米當年冰冰脊。“雪龍2”號科考船代表了我國極地破冰船的先進制造技術。

        1.4 國內破冰技術發展現狀

        近幾年,我國在破冰船設計和技術的發展上取得了不錯的成績,相關科研工作也在積極開展。相較于美俄等擁有先進破冰船制造技術的國家來說,我國的破冰船舶的制造技術還有提升的空間,隨著國家極地戰略發展的需求,吸引了越來越多的學者展開深入的研究。

        隨著有限元技術在工程設計和科研領域的逐步成熟,眾多學者利用非線性有限元軟件做了大量的研究。

        關于冰一船碰撞結構響應和冰載荷計算方面,楊亮等利用有限元軟件LS-DYNA進行了船舶與海洋平臺之間在海冰為介質的作用下的仿真分析[5],分析海冰對海洋平臺碰撞的影響。王凱民基于經驗公式和LS-DYNA中的ALE流固耦合算法對船舶破冰阻力預報研究[6],同時也對水介質中破冰船艏部結構響應及極端應力進行了研究。馮衛永等基于瞬態動力學分析法對破冰船沖撞式破冰過程進行有限元數值仿真研究[7],并建立計算破冰船沖撞式破冰過程船體應力的方法。任奕舟等介紹一種破冰船在冰層中連續破冰的冰材料數值模型并進行驗證[8],并對破冰船的破冰阻力進行計算。蘇干利用LS-DYNA軟件結合ISO推薦壓強一面積理論曲線驗證數值模型可靠性[9]。楊征基于多年海冰的力學特性與數值仿真模型對極地重型破冰船冰載荷計算方法和冰帶典型結構區域極限承載能力進行研究[10]。周峰等通過數值模擬為冰區船舶預報破冰載荷提供技術參考[11]。

        關于破冰船結構、線型研究以及新型破冰設計方面,哈爾濱工程大學的王川使用MSC.Dytran軟件對破冰船首柱傾角對破冰速度的敏感性進行分析[12]。上海交通大學的王健偉使用LS-DYNA軟件對楔形首和勺形首對船舶破冰時冰層的變形損傷和破冰阻力的影響進行分析[13]。哈爾濱工業大學的史江海比較了前傾首、飛剪首、直立首、球鼻首和破冰首的破冰能力[14],發現在相同情況下破冰首的破冰能力最好。丁悅等開發PC6冰級的阿芙拉油船線型并探究破冰船破冰線型的基本特點[15]。朱彬研究了破冰結構和船體艏艉線型形狀對破冰效率的影響[16],并提出了破冰船的破冰冰刀設計方法。劉林偉設計研發了一種具有破冰功能的全回轉拖船[17]。白旭等通過數值模擬得到破冰結構角度對整冰失效模式的影響[18]。高嵩等分析了極地氣墊破冰和運輸平臺破冰機理以及關鍵技術[19]。

        關于破冰船推進動力以及輔助破冰方式方面,翟燕對艦船混合動力系統的優化配置與控制進行了仿真研究這20]。吳文翔分析吊艙推進器艉部型線特征,即艉部較寬[21],型深和干舷較大,剖面呈V型等。黃嶸通過突變負載的仿真實驗,驗證了“雪龍2”號吊艙推進器控制系統對轉速控制的可靠性[22]。王平團等介紹幾種主要的壓載水調駁技術[23],并對比分析其優缺點。

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