冰级船舶的设计和建造 （四）

冰区航行船舶的设计理念

从本系列的最后一部分开始，我们将深入探讨冰级船舶的设计考虑因素。现在一个显而易见的问题是，破冰船、冰级船舶和冰级船舶在设计上是否存在差异？答案是肯定的。

不过，简单来说，避免混淆的最好方法是将这三者按等级进行排序，因为破冰船需要大部分破冰能力，因为它们专门用于破冰，并经常在冰封的水域护送其他船只，其次是冰行和冰级，正如上一篇文章中描述的。

冰级/冰级加强型船舶与破冰船和冰级航行船之间存在显著差异，因为它们是通用船舶，能够在冰冷的水域中行驶，就像破冰船一样有护航，还记得吗？因此，它们缺乏其他两种船舶的一些功能和设计能力。我们在最后一节简要总结了冰级船舶，因为它们的船体形状没有太大的复杂性。

重申我们之前的文章，冰区航行船舶的船体形状设计考虑了船首角、船外角和水线入口角等参数角度。船舶基本角度

破冰船等冰区航行船舶的船体形状一直是人们争论的话题。多年来，船体形状经历了多次演变、转变和发展，以提高破冰和航行性能，同时又不影响推进效率。

讨论所有这些发展的历史是费时的，如果需要的话可以参考可靠的资源。但设计适合冰船的船体形状的关键在于降低整体冰阻力，同时有效破冰和清冰。

我们知道，冰层因挤压而产生的阻力比因剪切力而弯曲的阻力高出几倍。因此，主要目标是尽可能减少这种“挤压”阻力。此外，开阔水域阻力（主要是摩擦阻力）也不会受到影响。因此，多年来，从经验和理论分析来看，不同国家的冰船船体形状已发生了显著变化。

影响冰区航行船舶设计的因素如下：

• 船梁

• 船舶角度

• 船体状况

• 冰况

• 速度

• 船舶服务

在与船舶相互作用时，冰对各种故障模式（如挤压、弯曲和屈曲）的反应各不相同。因此，船体形状首先要设计得能有效地承受冰载荷，其次要加强船体，以在各种载荷条件下抵抗冰载荷响应，而不会发生结构故障。

估算冰载荷是一项非常具有挑战性的任务。这些取决于各种复杂且不确定的因素，如冰分布、冰类型、冰运动，事实上，整个船舶与冰相互作用过程本身。冰载荷对船体产生局部影响，影响局部结构并引起高压局部“点”或“集中”载荷，而整体载荷则影响整个船体结构。现代模拟技术增强了计算船体大梁以及整个船舶局部区域可能产生的载荷的范围。有时，小规模模型实验也有帮助。但从材料和结构上对船体进行万无一失的加固很重要，船体形状的精确创建也同样重要。

一个简单的事实是，阻力响应不能与负载混淆，尽管两者错综复杂。如果阻力问题可以解决，并不意味着即将到来的负载问题也得到了解决，反之亦然。选择合适的材料和强化方法可以在一定程度上改善对负载的响应。

归根结底，完整的船体形状决定了船体对载荷和阻力的有效响应。实现具有最大效率的理想设计很难实现。但是，过去的设计数据使设计师了解了特定设计的优缺点，为即兴发挥或重新设计留出了空间。

首先，船头是需要特别注意的，因为它会切开或撞破冰层，将冰层分解并清理干净，为冰层过渡开辟通道。因此，在大多数现代设计中，船头都是锋利的“V 形”，以增强切冰能力。

由于通过剪切破冰来产生低值剪切阻力是最重要的，因此船首角应尽可能小，因为据观察，较大的船首角会增加抗压强度，从而增加总抗冰强度。发现尖锐的倾斜角（即较小的船首角）可通过产生升力来突出施加的冰载荷的垂直分量，从而产生较大的弯矩，使所需的剪切阻力比高模量抗压强度更重要。虽然没有关于船首角的硬性规定来满足最大的冰清除效率，但事实证明，15-20 度的角度可以产生理想的效果。

船首区域的船体宽度也是一个关键因素。与其他通用船舶的船中区域不同，船舶的最大宽度应出现在船首附近，这是理所当然的。这是为了确保迎面而来的冰块更容易破碎，并最终快速流到船尾螺旋桨冲流附近，这是减少冰阻的重要现象。

但应注意避免船首区域船体呈凸起形状，因为这会妨碍大块冰的有效破冰，同时也会增加阻力。船舶的抗冰性能主要取决于冰厚、船速和船宽。

良好的设计应采用尖锐的 V 形船头，船头附近应有宽阔的船梁。这样，纵向重心 (LCG) 应位于船中部前方，因为它将形成典型的狭窄锥形船尾，从而减少冰堆积的可能性，也有助于清除下洗气流中的冰。

此外，船中部前方的线条应该不那么平滑，以增强清除冰的能力并避免粘在船体上。因此，以这种方式，打捞的浮冰最终会进入螺旋桨冲流或被横向“推”，而不是形成通道。两个典型的例子是勺形船首和方形船首，也称为 Thyssen-Was 船首。这两种船首已被证明在减轻冰阻力方面非常成功。它们取代了之前存在的楔形船首，后者已被证明效率不高。

典型的楔形船首 

典型的勺形船头

典型的方形船头

一般情况下，人们会避免使用球鼻艏，因为人们发现它会增加冰阻力。此外，由于在结冰的水域中，波浪较少，船只的前进速度在正常范围内，波浪阻力不是问题，因此，球鼻艏即使不会造成负担，也是完全多余的。

方形和匙形弓可增加断裂剪切力，并减少阻力。圆形弓也已被证明是有效的，但会引起猛击问题。

在现代冰区航行船舶的船首设计中，船头的宽梁迅速变细至船首是一种成功的趋势，但这可能会导致船体伸长以弥补其载重量的问题。另一方面，较长的船体可能会在冰区转弯和横向移动时带来问题。

经过实践检验的高效船舶的船尾可以设想为尖锐、陡峭和狭窄，以实现良好的耐波性和破冰性能。船尾通常保持很高的高度，有足够的螺旋桨间隙，以适应较少的积冰或“粘着”冰，并在专用破冰船的情况下促进更好的航道的形成。破冰船和冰强化船等抗冰船的特点是框架快速折叠，以便更好地处理破碎的冰，将其推离航道或将其推向螺旋桨冲流。

经过验证的高效现代破冰船船体形状

冰区船舶的另一个有趣特征是船头和船尾附近都有扩口器。扩口器是船头和中船体在前部以及船尾和中船体在后部的合并点。它们就像尖锐的关节一样，可以阻挡冰楔，将它们推到冰墙边界下方的通道旁边。

船尾铰刀同样也能在船尾操作时在船中部船尾部破冰并将冰推入航道下方。关于水线，入口的半角应与船首/船首角保持在同一数量级，因为据说水线的细度会产生弯曲所需的巨大向下力，从而产生剪切力。阻塞系数是可变的，主要取决于船首和船尾的形状以及容量，但尽量保持在较低水平。

船中剖面系数可能有所不同，但出于适航性和稳定性考虑，可以保持较高的值，并且通常可以补偿由于其典型的船体形状而导致的船首和船尾区域可用空间较小。这些船的外展一直是一个有争议的话题。

多年来，一部分设计师一直认为，较小的外展角有利于提升需要通过弯曲破冰的船只，而另一部分设计师则认为较大的外展角同样合适。目前尚无确切的判断。然而，美国海岸警卫队的论证和几项最新的俄罗斯设计都证实了外展角至少应为 10-20 度。

现代破冰船的另一项常见技术是船头和船尾螺旋桨，这有助于清除、分解和冲掉冰块，也有利于碎冰在下洗流中的正常流动。

冰上作业简介

毋庸置疑，所有冰上航行船只都受不同的分类规则管辖，这些规则规定了它们的品牌、建造材料、设计、布置、结构、功能、设备、稳定性、机械、安全性等。

所有船舶，如破冰船、冰级船舶和其他冰区航行船舶，都属于冰级分类规则。但是，如上所述，“冰级”船舶是指任何其他通用船舶，这些船舶经过冰级强化，并在设备和操作性方面进行了一些改进，以便在寒冷的冰水中航行，并在中度至重度冰况下配备必要的护航船，如破冰船。它们的船体形状设计没有发生重大变化。

一些（但不是全部）船级社都有一套自己的规则，称为极地船级社 (PC)，该规则规定了所有这些船舶在冰冷水域航行的能力。此外，国际海事组织还采用了一套专有的通用法规，即《极地水域航行船舶国际规则》。

几乎所有船级社都遵循的首要分类是基于适用性的船舶分类。它们根据船舶的服务、冰况以及最重要的作业时间从 PC 1-7 开始递减。

此外，DNV-GL 等船级社也有自己的一套分类，还有另一套规则，称为芬兰-瑞典冰级规则。例如，根据 DNV 规则：

• 冰级 1A*：最高级别标记，指船舶可在所有冰况下航行，从极端冰况到中等冰况，无需破冰船协助。显然，这包括冰区航行船舶和破冰船，绝对不是简单的冰级加固船舶。

• 冰级 1A：在破冰船护航下，能在困难的冰况下行走。

• 冰级 1B：中等冰况，需使用破冰船。

• 冰级 1C：轻冰状况，需破冰船。大多数情况下，货船能够在极寒地区停泊。

另外，国际海事组织的《极地水域船舶国际规则》也有自己的分类，即 A、B、C 类。我们不会深入研究分类的每个方面。但分类的一个关键方面是材料的选择和强化。

毋庸置疑，冰级船舶在加固和材料选择方面都得到了格外的关注，以保证其正常运行。冰级定义了船体中可能发生最大合理冰载荷的区域，并将其命名为“冰带”。这一划分有助于确定冰中可能产生最大合理载荷的区域。

符合船级规范的冰区船舶的冰带划分

冰带两侧是上冰水线 (UWIL) 和下冰水线 (LWIL)。分类指南在强度、尺寸和加固安排方面对冰带区域给予了特别的关注。UWIL 和 LWIL 分别是冰水域水线的上限和下限，用于估计船舶可行的冰载荷区域。

因此，在所有能够应对冰区的船舶中，冰区所用的材料都是各种等级的高强度钢，如 AH、DH、EH。其他区域可以根据要求使用不同尺寸的高强度钢或低碳钢（B、D、E、F 等）。所有此类规则和条例的详细信息均可在分类文件中找到。

显然，与普通冰级相比，破冰船和冰区航行船舶的冰带有所不同。毋庸置疑，在易受冰荷载影响的区域，加强筋和框架布置是根据即将到来的冰荷载的脆弱性而特别决定的，其中加强筋（如冰桁等）可能具有较高的尺寸，并且间距很近。

由于船体外壳板在寒冷条件下极易受到腐蚀、冻害、脆化和磨损，因此还根据分类指南提供防腐蚀和防磨损保护。

至此，我们关于冰船的四篇文章长篇讨论就结束了。

冰级船舶的设计和建造 （三）
船舶上的不同类型的冰载荷 （二）

冰积对船舶稳性的影响 （一）

——END