多功能破冰船初步設(shè)計(jì)特征及優(yōu)化

楊 鵠，朱成華，陳艷霞

(1. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

世界各國(guó)為提升在極地區(qū)域航行能力、資源開(kāi)發(fā)與利用、兩極旅游以及綜合補(bǔ)給保障能力，正在設(shè)計(jì)建造或計(jì)劃建造以下極地裝備：用于極地海域的油輪，包括LNG油輪；極地集裝箱船；破冰船；極地科考船；在北極大陸架上工作的平臺(tái)和裝備；極地沿岸發(fā)電設(shè)施，包括利用潮汐、水流、風(fēng)等可再生能源；在北極地區(qū)處理天然氣的浮動(dòng)設(shè)施[1-2]。

各國(guó)在極地區(qū)域的需要是多方面，但極地裝備技術(shù)難度高、造價(jià)高、建造維護(hù)難等問(wèn)題，因此，各國(guó)在綜合評(píng)估國(guó)家極地戰(zhàn)略需求、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求、極地船舶發(fā)展現(xiàn)狀、科技工業(yè)應(yīng)用水平等多方面因素的基礎(chǔ)[3]，新建極地船舶正朝著功能綜合化、多樣和高效破冰、適應(yīng)性強(qiáng)、尺度和功率大型化發(fā)展[4]，尤其是多功能破冰船受到世界各國(guó)的青睞。

1 初步設(shè)計(jì)要素和特征性能

1.1 初步設(shè)計(jì)流程

多功能破冰船初步設(shè)計(jì)主要任務(wù)及流程如圖1所示。

1）確定多功能破冰船的概念，即主要功能和服務(wù)對(duì)象。

2）確定多功能破冰船的設(shè)計(jì)要素和最佳特征性能指標(biāo)，特別是考慮到總體系統(tǒng)變化的多樣性，確定多功能破冰船的設(shè)計(jì)要素和優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)比原則顯得尤為重要。

3）確定主要設(shè)計(jì)要素和設(shè)計(jì)限制。

4）定義多功能破冰船子系統(tǒng)并將其表示為由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。

5）定義船舶所需要的設(shè)計(jì)特征向量，并通過(guò)指定下列數(shù)值來(lái)定義船舶的特征。

根據(jù)第2項(xiàng)和第3項(xiàng)任務(wù)確定對(duì)各設(shè)計(jì)要素的限制條件；根據(jù)第4項(xiàng)任務(wù)確定船舶設(shè)計(jì)要素矢量。

6）構(gòu)建包含多功能破冰船設(shè)計(jì)要素和特征性能指標(biāo)的平衡關(guān)系公式，比如排水量平衡方程。

7）在設(shè)計(jì)要素和特征性能指標(biāo)中找到功能和參數(shù)之間的關(guān)系，包括參數(shù)相對(duì)大小。

8）根據(jù)船舶在冰層中的破冰能力、推進(jìn)特性以及設(shè)計(jì)限制，考慮船舶的尺度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)船在冰層中的航行性能進(jìn)行分析評(píng)估。

9） 多功能破冰船的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)取決于船舶功能特性、設(shè)計(jì)限制條件和主要參數(shù)，通過(guò)建立效用函數(shù)、經(jīng)濟(jì)和功能目標(biāo)函數(shù)，以確定船的設(shè)計(jì)要素和最佳特性值。

10）對(duì)多功能破冰船的冰區(qū)適航性、敞水性能、結(jié)構(gòu)抗冰能力、建造投資等船舶設(shè)計(jì)要素和特征性能進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)驗(yàn)證，確定船舶設(shè)計(jì)要素和特征性能的滿足。

其中，第2～5項(xiàng)任務(wù)的目標(biāo)都源于對(duì)第1項(xiàng)任務(wù)的分析，其最終目標(biāo)是確定多功能破冰船最佳特征性能指標(biāo)。

因此，最重要的是要正確分析并解決第1項(xiàng)任務(wù)-確定多功能破冰船的概念，即主要功能和服務(wù)對(duì)象。在確定船舶功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定目標(biāo)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式和設(shè)計(jì)上的限制條件，即船舶設(shè)計(jì)要求，這將有助于確定多功能破冰船的最佳特征性能。

1.2 設(shè)計(jì)要素和特征性能

船舶是由多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，可以從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，如冰區(qū)和敞水適航性、結(jié)構(gòu)抗冰強(qiáng)度、動(dòng)力裝置效率或輔助機(jī)械性能等。但在對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)研究時(shí)，子系統(tǒng)之間的匹配特性會(huì)缺失。因此，多功能破冰船各子系統(tǒng)之間的耦合特性也是非常重要的分析項(xiàng)目。

多功能破冰船作為其子系統(tǒng)及子系統(tǒng)之間耦合特性的綜合體，在初步設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)層級(jí)的任務(wù)分為外部設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)部設(shè)計(jì)任務(wù)[5]，其中：

外部設(shè)計(jì)任務(wù)，即確定船舶特征性能指標(biāo)，主要包括設(shè)計(jì)載重量DW、重載排水量、空載排水量DP、總登記噸位GRT、凈登記噸位NRT、有限裝載空間、居住和辦公空間、敞水和冰區(qū)航行速度，特別是連續(xù)破冰厚度h等；

內(nèi)部設(shè)計(jì)任務(wù)的目標(biāo)是確定船舶的主尺度、船體系數(shù)以及特殊區(qū)域結(jié)構(gòu)特征等。

采用系統(tǒng)方法原理，可以將船舶各類設(shè)計(jì)參數(shù)分為：未知設(shè)計(jì)要素變量X、船舶子系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征參數(shù)Y以及船舶設(shè)計(jì)限制參數(shù)Z，即一個(gè)綜合特征參數(shù)。船舶設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)中通常使用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括總收益I、運(yùn)營(yíng)成本C、總投資MV或重置成本RC。

確定多功能破冰船最佳特征性能的目標(biāo)函數(shù)f，一方面可以由變量X、設(shè)計(jì)參數(shù)Y和設(shè)計(jì)限制Z表示，另一方面也可以由船舶主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)收益I、運(yùn)營(yíng)成本C和投資MV或RC表示。

船舶未知設(shè)計(jì)變量X包括：設(shè)計(jì)載重線的排水量D，設(shè)計(jì)載重量DW，載重量PG，總登記噸位GRT，凈登記噸位NRT，有效功率Ne，破冰推進(jìn)功率Nice，敞水航速Vs等，這些變量對(duì)以函數(shù)f具有重大影響。

破冰船設(shè)計(jì)要素的選擇，如船舶主尺度、船型系數(shù)、船體形狀以及推進(jìn)系統(tǒng)的要素等，都服從于破冰功能需求，但最終的設(shè)計(jì)方案不太符合敞水區(qū)域的操縱性能要求。

圖2 目標(biāo)函數(shù)與特征參數(shù)之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between objective function and characteristic parameters

破冰船設(shè)計(jì)要素與破冰功能相一致，并不意味著船舶自身重量相對(duì)于無(wú)冰級(jí)船舶的空船重量增加，但在尺寸特性方面（如載重量和艙容）可以對(duì)比，但這些船舶在設(shè)計(jì)要素方面會(huì)有根本的不同，如總體尺度、船體形狀、推進(jìn)裝置以及在敞水區(qū)域航行性能。

同時(shí)，具有相似主尺度、船體形狀特征以及推進(jìn)裝置的破冰船，根據(jù)指定的破冰等級(jí)不同，其空船重量可能會(huì)顯著不同。其中，凈重或有效載重量與排水量之比可作為不同破冰等級(jí)船舶的特征。

船舶子系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征參數(shù)Y包括：設(shè)計(jì)船長(zhǎng)L，船寬B，型深H，吃水T，方形系數(shù)CB，相對(duì)L/B，B/T，H/T，L/H等要素，以上參數(shù)對(duì)最佳特征性能的影響不如船舶未知設(shè)計(jì)變量X。

設(shè)計(jì)限制Z是一個(gè)綜合特征參數(shù)，包括對(duì)RC*補(bǔ)貼的限制、附加功能任務(wù)、破冰厚度h、關(guān)稅等，特別冰區(qū)航行可能遭遇的冰的類別、冰區(qū)航行距離、航行季節(jié)性等。

1.3 設(shè)計(jì)要素之間的關(guān)系

通過(guò)收集排水量在7 600～91 200 t之間的多功能破冰船參數(shù)[6]，分析發(fā)現(xiàn)其船舶尺寸設(shè)計(jì)要素的取值范圍如下：

長(zhǎng)寬比L/B介于4.06～4.76之間；船寬與吃水比B/T介于2.34～4.97之間；型深與吃水比H/T介于1.32～1.50之間；方形系數(shù)CB介于0.596至0.710之間。

不同多功能破冰船主尺度系數(shù)（L/B，B/T，CB）與船長(zhǎng)L、與排水量D之間存在如下歸納關(guān)系：

以上有關(guān)多功能破冰船的設(shè)計(jì)早期階段確定的設(shè)計(jì)特征參數(shù)Y（如L，B，H，T，L/B，B/T，H/T，L/H等）和設(shè)計(jì)未知變量X（D，PG，GRT，NRT，Ne，Nice，Vs等）系指在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段所確定的各種可能數(shù)值的范圍，其中設(shè)計(jì)特征參數(shù)Y及其系數(shù)（L/B，B/T，H/T，L/H，CB等）在設(shè)計(jì)中受最大連續(xù)破冰厚度h的影響很大。

2 性能分析評(píng)估

2.1 冰區(qū)航行性能

推進(jìn)系統(tǒng)有效功率Ne與連續(xù)破冰厚度h、船舶排水量D、船體形狀的關(guān)系可以通過(guò)類比相似破冰船的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步估算建立。

圖3 顯示了多功能破冰船動(dòng)力裝置的有效功率Ne與最大破冰厚度h和設(shè)計(jì)載重量DW的關(guān)系，其中船體尺寸由設(shè)計(jì)載重量DW通過(guò)船舶排水量平衡方程來(lái)表征。

圖3 破冰船動(dòng)力總功率NP與設(shè)計(jì)載重量DW、最大的連續(xù)破冰場(chǎng)厚度h的關(guān)系Fig. 3 Relationship between the total power NP of icebreaker,the maximum continuous thickness h of ice breaking and design load DW

根據(jù)破冰厚度要求確定推進(jìn)功率和主機(jī)安裝功率，同時(shí)也應(yīng)考慮敞水區(qū)域的最低航速和為向其他船舶或岸上用戶輸送能源并儲(chǔ)存的能力要求。

多功能破冰船在敞水區(qū)域的航速Vs取決于船體形狀要素和推進(jìn)系統(tǒng)性能，在確定的最大連續(xù)破冰厚度h和船體形狀下，船舶在敞水區(qū)域航行有效功率值（Ne）約等于破冰推進(jìn)功率（Nice），即Ne≈Nice。但在最大連續(xù)破冰厚度h不變，改變其他設(shè)計(jì)參數(shù)，船舶在敞水區(qū)域中航行的有效功率Ne與破冰功率Nice成正比，因?yàn)槠票β蔔ice是確定有效功率Ne和船舶敞水航速Vs的先決條件。

敞水航速Vs與設(shè)計(jì)載重量DW和最大破冰厚度h之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 破冰船破冰功率Nice與設(shè)計(jì)載重量DW、最大的連續(xù)破冰場(chǎng)厚度h的關(guān)系Fig. 4 Relationship between ice breaking power Nice of icebreaker, the maximum continuous thickness h of ice breaking and design load DW

由于推進(jìn)功率是根據(jù)最大連續(xù)破冰厚度h確定，船舶在敞水區(qū)域航速足以滿足其較低的限制，而且考慮到船舶在敞水區(qū)域的低航速下的效率較低，因此對(duì)敞水區(qū)域航速Vs的評(píng)估采用了最高限值，該限值在一定程度上適用于一定船舶尺寸和破冰等級(jí)范圍的破冰船。

船舶總功率NP不低于有效功率Ne，總功率NP在廣泛的性能范圍主要取決于多功能破冰船的尺寸，在船舶尺寸較小的情況下，船舶總功率NP也取決于破冰厚度h。由于冰上運(yùn)動(dòng)需要更多的動(dòng)力，船用能源過(guò)剩（NP－Nice）在低冰級(jí)破冰船中更常見(jiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

在船體舷側(cè)冰帶區(qū)域接觸冰時(shí)，應(yīng)根據(jù)舷側(cè)甲板和板架結(jié)構(gòu)的彎曲和影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)估。

在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)船舶平行中體在冰場(chǎng)中的抗壓強(qiáng)度和冰載荷進(jìn)行綜合影響分析，并評(píng)估其他區(qū)域結(jié)構(gòu)的冰載荷。

可以通過(guò)以下方面提升破冰船舷側(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：

1）有可能增加舷側(cè)外板厚度以增加舷側(cè)列板的強(qiáng)度，并提高船體耐磨損能力；

2）通過(guò)加強(qiáng)橫向主框架的強(qiáng)度或減小橫向主框架間距。

作為數(shù)學(xué)模型的一部分，在確定多功能破冰船的設(shè)計(jì)特性時(shí)，應(yīng)考慮船體外板厚度，用于考慮破冰厚度的設(shè)計(jì)極限來(lái)確定船舶的排水量。

2.3 其他性能評(píng)估

考慮到船舶在冰上性能的可能差異以及船級(jí)社規(guī)定的破冰船等級(jí)，有可能針對(duì)船舶在冰上的性能進(jìn)行綜合評(píng)估，同時(shí)考慮到船舶的安全速度和連續(xù)破冰厚度，以及在破冰航行時(shí)應(yīng)克服的舷側(cè)堆積冰的摩擦力和擠壓作用。

值得注意的是，IMO《極地船舶入級(jí)規(guī)范》對(duì)在一定厚度冰域連續(xù)破冰的破冰船結(jié)構(gòu)和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范[7]，盡管連續(xù)破冰能力并不完全反映具有一定推進(jìn)功率和冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)船舶的破冰能力，可以通過(guò)改變破冰模式、調(diào)整推進(jìn)系統(tǒng)等手段使破冰船破冰性能超過(guò)其最大連續(xù)破冰厚度，但這種情況在極限冰情條件下并不常見(jiàn)。

多功能破冰船初步設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合船舶尺度對(duì)船舶可開(kāi)辟航道寬度、船舶可用于救援、巡邏、考察的空間進(jìn)行評(píng)估。

在不同設(shè)計(jì)階段必要對(duì)以下性能進(jìn)行評(píng)估[8-9]：

1）具有足夠的破冰功率Nice以滿足在一定冰厚條件下進(jìn)行連續(xù)破冰航行；

2）船舶一定冰厚中航行并具有良好的操縱性；

3）船體首尾結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度承受破冰載荷，舷側(cè)冰帶區(qū)域能夠抵御兩側(cè)堆積冰的擠壓作用；

4）其他條件。

3 多功能破冰船經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)

為了在初步設(shè)計(jì)階段針對(duì)船舶特征性能進(jìn)行評(píng)估分析，需要選取經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包括最低成本標(biāo)準(zhǔn)和最高利潤(rùn)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到多功能破冰船通常由國(guó)家投資或者補(bǔ)助金，因此，為了確定多功能破冰船的最佳設(shè)計(jì)特性，應(yīng)當(dāng)采用最低成本標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需要考慮到預(yù)算外收入對(duì)投資費(fèi)用產(chǎn)生的影響。

最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)f是以主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（收益I、成本C和投資RC）之間的關(guān)系為基礎(chǔ)。

與收益I和成本C不同，投資RC具有時(shí)間價(jià)值的特點(diǎn)，在數(shù)學(xué)模型和算法中，通常以每年計(jì)算，MV或RC的投資是一次性的或不連續(xù)的，或者可以統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為現(xiàn)值進(jìn)行估算。

為了在設(shè)計(jì)的早期階段對(duì)比多功能破冰船的設(shè)計(jì)方案，從系統(tǒng)的角度進(jìn)行性能優(yōu)化時(shí)，可采用單位效用成本進(jìn)行評(píng)估，單位效用成本的目標(biāo)函數(shù)f表達(dá)式：

其中：PW表示總費(fèi)用；E表示特征性能或設(shè)計(jì)要素的效用；CD表示預(yù)算成本；i表示投資RC的時(shí)間價(jià)值系數(shù)。

多功能破冰船功用特征性能可以[10]選取如下指標(biāo)：

船舶年運(yùn)輸能力QG，單位為貨物重量或體積或綜合統(tǒng)一單位。

船舶尺寸的特征：設(shè)計(jì)載重量DW，設(shè)計(jì)排水量D，載重量PG，登記噸位（總重量GRT或凈NRT）等該系統(tǒng)顯示它適用于其他非冰類船舶的輔助服務(wù)和航行服務(wù)，多功能破冰船攜帶專門適應(yīng)冰區(qū)航行船舶的功能設(shè)備。

船舶動(dòng)力參數(shù)：有效功率Ne，破冰推進(jìn)功率Nice，船舶功率的NP等。

單位效用成本函數(shù)可以表示為：

考慮到對(duì)DW的修正DW*，專家因素aF和補(bǔ)貼對(duì)投資RC修正RC*對(duì)單位效用成本的調(diào)整ΔPW/DW[11]。

考慮到ΔP W/DW的修正，單位效用成本目標(biāo)函數(shù)f可以表示為：

以核動(dòng)力多功能破冰船設(shè)計(jì)建造為例，對(duì)5個(gè)方案的單位效用成本進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 核動(dòng)力破冰船多方案單位效用成本對(duì)比Tab. 1 Unit utility cost comparison of multiple schemes for nuclear icebreaker

圖5 為核動(dòng)力破冰船單位效用成本（PW/Nice）與破冰功率Nice、最大的連續(xù)破冰場(chǎng)厚度h的關(guān)系。

圖5 核動(dòng)力破冰船單位效用成本（PW/Nice）與破冰功率Nice、最大的連續(xù)破冰場(chǎng)厚度h的關(guān)系Fig. 5 Relationship between unit utility cost PW/Nice of icebreaker, the maximum continuous thickness h of ice breaking and ice breaking power Nice

對(duì)研究方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表明，方案3的單位效用成本最低，方案最優(yōu)，但未考慮核動(dòng)力破冰船的年運(yùn)營(yíng)成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞多功能破冰船初步設(shè)計(jì)流程，提出了多功能破冰船初步設(shè)計(jì)需要關(guān)注的設(shè)計(jì)要素和特征性能，并歸納總結(jié)了主要設(shè)計(jì)要素之間的關(guān)系，針對(duì)冰區(qū)航行、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其他性能評(píng)估原則及注意事項(xiàng)，以單位效用成本為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)不同核動(dòng)力破冰船總體方案進(jìn)行評(píng)估分析。