B1*級冰區(qū)航行船舶舷側骨架加強的計算與校核

王 中 華

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

隨著全球變暖步伐的加快，北極冰層逐漸減少，北極通航及北極油氣資源開采[1]成為國際海事界的熱點，越來越多的船東在他們的新造船意向中增加了冰區(qū)加強的技術要求。隨著我國對南、北極區(qū)域的科學考察工作深入開展，對在冰區(qū)航行船舶的建造水平提出了更高的要求，為保證冰區(qū)航行船舶的安全，CCS《鋼質海船入級規(guī)范》2012版[2]“第4章 航行冰區(qū)的加強”較之以前版本作了較大改動，因此有必要對新增內容作深入研究并通過一些算例[3]來驗證其效果。

1 冰帶定義及冰級分類

2012版CCS《鋼規(guī)》中對冰區(qū)加強的定義和冰級標志的劃分以2010年《芬蘭-瑞典冰級規(guī)則》為基礎，其冰級對等關系如表1所示。

2012版CCS《鋼規(guī)》較之前版本最為顯著的改動體現在對“冰帶外板垂向延伸范圍”的確定以及“舷側骨架加強范圍的垂向范圍”劃分上，參見圖1、表2和表3。

圖1 船體的冰區(qū)加強區(qū)域

表2 船體外板冰帶加強的垂向范圍

表3 舷側骨架加強的垂向范圍

2 冰帶強肋骨計算

2.1 設計冰壓P

式中： Cd——船舶尺度和主機輸出功率影響系數； Cp、 Ca——冰壓概率系數。

2.2 冰帶強肋骨

1) 載荷F，從冰帶縱桁傳遞到冰帶強肋骨上的載荷：

式中：P——設計冰壓；h——設計冰厚；S——強肋骨間距。

2) 剖面模數 Wr和剪切面積 Ar

規(guī)范要求的有效剪切面積：

式中：Q——在F力作用下的最大計算剪應力；α——與強肋骨面板和腹板面積之比有關的系數；ReH——材料屈服應力。

規(guī)范要求的剖面模數：

式中：M——在F力作用下的最大計算彎矩；γ——與強肋骨面板和腹板面積之比有關的系數； Aa——強肋骨的實際橫剖面積。

3 實船舷側骨架抗冰能力校核

以某型具有B1*級冰區(qū)航行附加標志的船舶為例來分析其舷側結構是否符合2012版CCS《鋼規(guī)》的要求。

3.1 基本信息及主尺度（見表4）

表4 某型船基本信息

3.2 船體結構

根據船中部分外板，距基線4900mm水平桁（平臺）以上至主甲板舷側強肋骨或舷側隔板之間的最大間距S為5個肋距左右，本文將重點校核此舷側骨架是否能承受規(guī)范所要求的冰壓。

圖2 典型橫剖面舷側強肋骨

通過其典型橫剖面圖（圖2），可以看到其舷側主要支撐構件為開孔隔板，等效于舷側強肋骨。

3.3 規(guī)范公式計算結果

取船平行舯體部分舷側具有典型性的位置進行計算，以FR74和FR85兩處的舷側隔板為例（見表5）。

表5 加強前舷側強肋骨規(guī)范要求剪切面積和剖面模數計算

從計算結果可見，舷側隔板腹板實際剪切面積Aa= 1× ( 100-50)=50(cm2)，不滿足 FR74處所需剪切面積76.59cm2的計算要求，更不滿足FR85處所需剪切面積93.61cm2的要求（FR85處強肋骨平均間距為5.5×0.6=3.3m）。

解決方案：舷側FR67至FR92區(qū)域，在FR71、FR76、FR83、FR87肋位處增設舷側開孔隔板，即將原舷側普通肋骨增強為開孔隔板形式的強肋骨，從而確保其舷側強框架（強肋骨、舷側隔板等）的間距不超過三檔肋距（3×600=1800mm），并將此區(qū)域中舷側隔板上原長軸沿水平放置的開孔（φ400×500）改為長軸沿豎直放置從而增大強肋骨的實際剪切面積，如圖3所示。

圖3 典型強肋骨橫剖面冰區(qū)加強前后對比

在FR71、FR76設舷側隔板后FR74處平均強肋骨間距變?yōu)?.5×0.6=1.5m，同理，FR85處平均強肋骨間距變?yōu)?.2m，重新計算結果見表6。

表6 加強后舷側強肋骨規(guī)范要求剪切面積和剖面模數計算

由表6可見強肋骨間距S減小導致作用在強肋骨上的冰壓P減小，從而強肋骨所需剪切面積 Ar和所需剖面模數 Wr也相應減小。

3.4 梁系直接計算分析

參見2012版CCS《鋼規(guī)》第2篇第4章4.2.4.1，亦可對冰區(qū)加強做直接分析。

直接分析應使用4.2.4.2中定義的載荷板（ P , h和 la）。載荷板應施加于在彎曲和剪力聯(lián)合作用下的結構能力最小位置處。實際上，結構的校核位置在載荷中心位于UIWL、LIWL之下0.5h和其間幾個垂向位置處。也應對幾個水平位置進行校核，特別是作用中心位于跨中或間距中心。接受的衡準采用Von Mises[5]屈服衡準，即：

3.4.1 模型范圍

縱向：FR67～FR92（FR67、FR92為艙壁位置）；垂向：內底至主甲板。

3.4.2 邊界條件及加載

舷側隔板在主甲板處簡支，在內底處剛固，舷側縱桁在艏艉兩端剛固，見圖4。

舷側為肋骨間距為半檔肋距的密集型橫骨架式結構，冰壓按概率發(fā)生并作用在舷側，首先由外板傳遞至肋骨，再由肋骨傳遞至4900水平桁，最終水平桁又由舷側隔板支撐，故可將冰壓轉化成線性分布載荷施加在4900水平桁上，按規(guī)范求得4900舷側水平縱桁上的冰壓P4900=0.58MPa，轉換成水平線載荷得Q4900=0.58×1630=945.4N/mm，（7060–3800）/2=1630mm為4900水平桁所支撐面積的平均寬度（見圖2）。舷側首架彎矩和剪力分布圖參見圖5、6，舷側骨架變形圖見圖7。

其中各主要支撐構件有效帶板的確定可參見CCS《鋼規(guī)》第2篇第1章1.2.2。

圖4 梁系模型范圍、載荷及邊界條件

圖5 舷側骨架彎矩分布

圖6 舷側骨架剪力分布

圖7 舷側骨架變形

3.4.3 計算結果

由表7梁系直接計算結果可見，舷側強肋骨和舷側縱桁的最大剪切應力及最大彎曲應力皆不超過許用值（表中前6行列舉了原有舷側隔板FR69、FR74、FR78、FR81、FR85、FR89在4900和6800水平桁之間開孔處加強前后的剪切和彎曲應力對比）?？梢?，針對具有B1*級冰區(qū)航行附加標志的本船，將其舷側強框架（強肋骨、舷側隔板等）的間距控制在不超過三檔肋距的范圍之內，并盡可能減少和減小舷側隔板上的開孔（減輕孔、人孔等），則本船舷側骨架的抗冰壓能力得到了顯著地改善和提高。

表7 梁系計算結果

4 結 語

通過對比新老規(guī)范的不同，發(fā)現2012版CCS《鋼規(guī)》對冰帶范圍有了更為詳細的劃分，且規(guī)范公式也有了更為合理的改動。本文在校核某型冰級附加標志為B1*的船舶舷側骨架的抗冰強度時，發(fā)現其不能滿足規(guī)范要求后，提出了加強和改進方案，并通過梁系建模對其進行了直接計算分析，計算結果驗證了規(guī)范公式的合理性，也可為船舶設計者和審圖工作者提供一定的參考。

[1] 王燕舞，張達勛. 冰級定義的有關分析及建議[J]. 上海造船，2010(4): 54-58.

[2] 中國船級社.鋼質海船入級與建造規(guī)范，第2分冊[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[3] Rules for Classification of Ships Newbuildings, Pt3, Ch1.Sec12[S]. Det Norske Veritas, July 2012.

[4] Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration, 2010.

[5] 金忠謀. 材料力學[M]. 上海：上海交通大學出版社，1991.