极地破冰船系力柱试验加强研究

王曙光 徐施红

摘 要：随着未来极地科考的发展，极地科考船必将成为一个重要船型。本文从系力柱试验加强设置角度，通过简化结构，通过有限元计算验证加强的可行性。

关键词：系力柱试验；简化分析；极地自破冰

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.043

1 研究背景

目前，在我国极地科学考察一船四站基础设施体系中，雪龙船是核心的运输工具，该船已经处于超负荷状态运转，难以兼顾和保障亟待加强的两极地区海洋环境和资源调查的需求。

2 研究目的及意义

根据破冰船螺旋桨系柱工况初步估算，在零航速时破冰船首向拉力约1640kN，尾向拉力约1370kN。要确保达到该指标，就牵涉到系柱的强度、船体结构的强度。

3 系力柱加强结构设计

3.1 系柱理论设计

破冰船系柱艏向最大拉力达到1640kN，参考目前的拖桩没有如此大规格，故需要對系柱进行全新设计。本课题参照《ISO13797-2012（E）十字带揽桩》标准的结构型式，对系柱进行结构设计，如图1所示。

3.2 系柱连接船体结构范围选择

考虑到实船试验系柱连接的船体结构强度满足要求。参考CCS规范中的选取原则，选择系柱基座有效作用平面矩形形心为中心，向四周分别扩展至少一倍。

3.3 边界条件选择

试验结构四周分别为连续的结构，对分离出的子结构有一定的约束作用。根据结构力学方法对模型的简化计算的原理，此处的边界条件选择简支。

3.4 船体结构强度校核

系柱拉力使用MPC点加载模拟。模型中共有单元1721个，节点2275个， 经过计算，甲板部位结构最大应力出现在系柱与船体结构连接的四周区域，最大应力108MPa，结构选用屈服强度为355MPa的高强度钢，满足强度要求。

加强结构的最大应力也出现在与系柱连接的附近区域，最大应力173MPa，加强结构选用屈服强度为355MPa的高强度钢，满足强度要求。

3.5 试验过程

为模拟实船系柱拖力试验过程，试验加载方案参考CB-T 3430-2013《拖船系柱拖力试验方法》。

首先将拉力机拉力逐步调整到861kN，然后在45s内将拉力机拉力调整到试验要求最大拉力1640kN，在最大拉力状态下至少保持10min。

试验过程中采集并记录载荷和位移随时间变化数据、载荷随位移变化数据，如图2、图3所示。采集并记录相关测点的应变和位移数据。

试验结果显示，在试验负荷作用下未发生破坏。

4 研究结论

综上所述，结构加强符合设计预期，能够系力柱试验要求，满足设计要求。

作者简介：王曙光（1984-），男，江苏人，本科，工程师，研究方向：船舶结构。