B1*级冰区航行船舶舷侧骨架加强的计算与校核

王 中 华

（中国船级社审图中心，上海 200135）

0 引 言

随着全球变暖步伐的加快，北极冰层逐渐减少，北极通航及北极油气资源开采[1]成为国际海事界的热点，越来越多的船东在他们的新造船意向中增加了冰区加强的技术要求。随着我国对南、北极区域的科学考察工作深入开展，对在冰区航行船舶的建造水平提出了更高的要求，为保证冰区航行船舶的安全，CCS《钢质海船入级规范》2012版[2]“第4章 航行冰区的加强”较之以前版本作了较大改动，因此有必要对新增内容作深入研究并通过一些算例[3]来验证其效果。

1 冰带定义及冰级分类

2012版CCS《钢规》中对冰区加强的定义和冰级标志的划分以2010年《芬兰-瑞典冰级规则》为基础，其冰级对等关系如表1所示。

2012版CCS《钢规》较之前版本最为显著的改动体现在对“冰带外板垂向延伸范围”的确定以及“舷侧骨架加强范围的垂向范围”划分上，参见图1、表2和表3。

图1 船体的冰区加强区域

表2 船体外板冰带加强的垂向范围

表3 舷侧骨架加强的垂向范围

2 冰带强肋骨计算

2.1 设计冰压P

式中： Cd——船舶尺度和主机输出功率影响系数； Cp、 Ca——冰压概率系数。

2.2 冰带强肋骨

1) 载荷F，从冰带纵桁传递到冰带强肋骨上的载荷：

式中：P——设计冰压；h——设计冰厚；S——强肋骨间距。

2) 剖面模数 Wr和剪切面积 Ar

规范要求的有效剪切面积：

式中：Q——在F力作用下的最大计算剪应力；α——与强肋骨面板和腹板面积之比有关的系数；ReH——材料屈服应力。

规范要求的剖面模数：

式中：M——在F力作用下的最大计算弯矩；γ——与强肋骨面板和腹板面积之比有关的系数； Aa——强肋骨的实际横剖面积。

3 实船舷侧骨架抗冰能力校核

以某型具有B1*级冰区航行附加标志的船舶为例来分析其舷侧结构是否符合2012版CCS《钢规》的要求。

3.1 基本信息及主尺度（见表4）

表4 某型船基本信息

3.2 船体结构

根据船中部分外板，距基线4900mm水平桁（平台）以上至主甲板舷侧强肋骨或舷侧隔板之间的最大间距S为5个肋距左右，本文将重点校核此舷侧骨架是否能承受规范所要求的冰压。

图2 典型横剖面舷侧强肋骨

通过其典型横剖面图（图2），可以看到其舷侧主要支撑构件为开孔隔板，等效于舷侧强肋骨。

3.3 规范公式计算结果

取船平行舯体部分舷侧具有典型性的位置进行计算，以FR74和FR85两处的舷侧隔板为例（见表5）。

表5 加强前舷侧强肋骨规范要求剪切面积和剖面模数计算

从计算结果可见，舷侧隔板腹板实际剪切面积Aa= 1× ( 100-50)=50(cm2)，不满足 FR74处所需剪切面积76.59cm2的计算要求，更不满足FR85处所需剪切面积93.61cm2的要求（FR85处强肋骨平均间距为5.5×0.6=3.3m）。

解决方案：舷侧FR67至FR92区域，在FR71、FR76、FR83、FR87肋位处增设舷侧开孔隔板，即将原舷侧普通肋骨增强为开孔隔板形式的强肋骨，从而确保其舷侧强框架（强肋骨、舷侧隔板等）的间距不超过三档肋距（3×600=1800mm），并将此区域中舷侧隔板上原长轴沿水平放置的开孔（φ400×500）改为长轴沿竖直放置从而增大强肋骨的实际剪切面积，如图3所示。

图3 典型强肋骨横剖面冰区加强前后对比

在FR71、FR76设舷侧隔板后FR74处平均强肋骨间距变为2.5×0.6=1.5m，同理，FR85处平均强肋骨间距变为1.2m，重新计算结果见表6。

表6 加强后舷侧强肋骨规范要求剪切面积和剖面模数计算

由表6可见强肋骨间距S减小导致作用在强肋骨上的冰压P减小，从而强肋骨所需剪切面积 Ar和所需剖面模数 Wr也相应减小。

3.4 梁系直接计算分析

参见2012版CCS《钢规》第2篇第4章4.2.4.1，亦可对冰区加强做直接分析。

直接分析应使用4.2.4.2中定义的载荷板（ P , h和 la）。载荷板应施加于在弯曲和剪力联合作用下的结构能力最小位置处。实际上，结构的校核位置在载荷中心位于UIWL、LIWL之下0.5h和其间几个垂向位置处。也应对几个水平位置进行校核，特别是作用中心位于跨中或间距中心。接受的衡准采用Von Mises[5]屈服衡准，即：

3.4.1 模型范围

纵向：FR67～FR92（FR67、FR92为舱壁位置）；垂向：内底至主甲板。

3.4.2 边界条件及加载

舷侧隔板在主甲板处简支，在内底处刚固，舷侧纵桁在艏艉两端刚固，见图4。

舷侧为肋骨间距为半档肋距的密集型横骨架式结构，冰压按概率发生并作用在舷侧，首先由外板传递至肋骨，再由肋骨传递至4900水平桁，最终水平桁又由舷侧隔板支撑，故可将冰压转化成线性分布载荷施加在4900水平桁上，按规范求得4900舷侧水平纵桁上的冰压P4900=0.58MPa，转换成水平线载荷得Q4900=0.58×1630=945.4N/mm，（7060–3800）/2=1630mm为4900水平桁所支撑面积的平均宽度（见图2）。舷侧首架弯矩和剪力分布图参见图5、6，舷侧骨架变形图见图7。

其中各主要支撑构件有效带板的确定可参见CCS《钢规》第2篇第1章1.2.2。

图4 梁系模型范围、载荷及边界条件

图5 舷侧骨架弯矩分布

图6 舷侧骨架剪力分布

图7 舷侧骨架变形

3.4.3 计算结果

由表7梁系直接计算结果可见，舷侧强肋骨和舷侧纵桁的最大剪切应力及最大弯曲应力皆不超过许用值（表中前6行列举了原有舷侧隔板FR69、FR74、FR78、FR81、FR85、FR89在4900和6800水平桁之间开孔处加强前后的剪切和弯曲应力对比）。可见，针对具有B1*级冰区航行附加标志的本船，将其舷侧强框架（强肋骨、舷侧隔板等）的间距控制在不超过三档肋距的范围之内，并尽可能减少和减小舷侧隔板上的开孔（减轻孔、人孔等），则本船舷侧骨架的抗冰压能力得到了显著地改善和提高。

表7 梁系计算结果

4 结 语

通过对比新老规范的不同，发现2012版CCS《钢规》对冰带范围有了更为详细的划分，且规范公式也有了更为合理的改动。本文在校核某型冰级附加标志为B1*的船舶舷侧骨架的抗冰强度时，发现其不能满足规范要求后，提出了加强和改进方案，并通过梁系建模对其进行了直接计算分析，计算结果验证了规范公式的合理性，也可为船舶设计者和审图工作者提供一定的参考。

[1] 王燕舞，张达勋. 冰级定义的有关分析及建议[J]. 上海造船，2010(4): 54-58.

[2] 中国船级社.钢质海船入级与建造规范，第2分册[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] 金忠谋. 材料力学[M]. 上海：上海交通大学出版社，1991.