冰撞載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)研究報(bào)告

摘 要：隨著全球變暖的不斷惡化，極地周圍的冰川開始逐漸消融，浮冰數(shù)量日趨增多。由于極地區(qū)域內(nèi)的自然資源十分豐富，大多數(shù)國(guó)家對(duì)于極地資源的開發(fā)都十分關(guān)注。因此，開發(fā)極地資源是必然會(huì)發(fā)生的。為了降低資源開發(fā)過程中船體與冰川碰撞造成船體破壞、有害物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，接下來，本文將就冰撞載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)展開討論，以此來有效提高資源開發(fā)過程中的安全性。

關(guān)鍵詞：冰撞載荷作用；船體結(jié)構(gòu)；抗沖擊設(shè)計(jì)

科技的進(jìn)步雖然在一定程度上帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使人們的生活水平得到了提高，但環(huán)境問題依舊是當(dāng)前世界各國(guó)所面臨的一個(gè)主要問題。如何保證環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，減少資源開發(fā)對(duì)環(huán)境造成的損壞，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展理念，已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的核心目標(biāo)。下文中，將就冰撞載荷作用下船體的抗沖擊設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，來有針對(duì)性的對(duì)船體運(yùn)行參數(shù)、造船材料以及造船工藝等方面進(jìn)行分析，從而更好地保證冰撞載荷作用下船只的使用安全。

一、加快冰撞載荷作用下船體抗沖擊設(shè)計(jì)研究的必要性

（一）船體與冰川碰撞危害大

由于受到氣候變暖的影響，地球兩極地區(qū)的冰川融化速度加快，從而使得浮冰數(shù)量大幅度增加，對(duì)船只的行駛安全造成不利影響，極大地增加了船只運(yùn)行的難度。尤其是那些較大的浮冰，它們露出冰面的部分僅占整體的十分之一，且邊沿較為尖銳，一旦船只在行駛過程中與之發(fā)生碰撞，輕則造成船體損壞，重則造成有害物質(zhì)泄露、乘船人員生命安全受到威脅等。除此以外，浮冰沒有固定的運(yùn)行軌跡，它很容易受到風(fēng)力、海浪以及各種洋流等自然現(xiàn)象的影響而自由移動(dòng)，一些較小的冰山甚至無法被提前勘測(cè)到，極大地增加了船只的行駛風(fēng)險(xiǎn)。

（二）開辟北極地區(qū)的運(yùn)行航道

船只與冰山碰撞所造成的安全事故時(shí)有發(fā)生，但由于北極地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的石油資源、天然氣資源以及其他的一些珍稀資源，所以世界各國(guó)對(duì)極地的探索熱情依舊十分高漲。根據(jù)數(shù)據(jù)分析顯示，當(dāng)前北極地區(qū)的冰面覆蓋面積已經(jīng)突破了同時(shí)期的最低水平。這樣一來，就為北極地區(qū)航道的開辟提供了可能。航道一旦被建成，進(jìn)入北極地區(qū)的船舶數(shù)量也就會(huì)隨之增多，如果無法有效提高船體的抗沖擊能力，就難以有效的規(guī)避船體運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了盡可能降低在對(duì)北極地區(qū)進(jìn)行探索時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)性，加強(qiáng)冰撞載荷作用下船體的抗沖擊能力是十分必要的。

二、冰撞載荷作用下船體結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)研究

（一）以常規(guī)冰區(qū)為基礎(chǔ)的船體肩部設(shè)計(jì)研究

本部分以資源豐富的北極地區(qū)為研究環(huán)境，經(jīng)實(shí)際調(diào)查分析得出，船體耐撞性可以從以下三個(gè)方面體現(xiàn)：損傷結(jié)構(gòu)形變量、外船板最大承受力和船舶構(gòu)件機(jī)體吸能狀況。其中損傷結(jié)構(gòu)形變量是從外部形態(tài)來體現(xiàn)船體耐撞性，船舶碰撞冰川時(shí)，船體結(jié)構(gòu)變形量、變形方式、損傷狀態(tài)以及破壞口徑都體現(xiàn)了船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，其本質(zhì)是碰撞產(chǎn)生力與能量吸收的轉(zhuǎn)化。根據(jù)研究表明，在撞深相同的情況下，船體結(jié)構(gòu)可以承受的碰撞力越大，反映出船體構(gòu)造剛度越好，耐撞性越強(qiáng)，因而通常也將外船板所能承受的最大碰撞力作為反映碰撞程度和檢驗(yàn)?zāi)妥残缘闹匾笜?biāo)。船舶構(gòu)件機(jī)體吸能狀況主要表現(xiàn)在，碰撞時(shí)船體與冰川減少的初始動(dòng)能用于耗散碰撞力并對(duì)雙方做功，整個(gè)碰撞過程的能量來自于船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，且動(dòng)能不斷被轉(zhuǎn)化和耗散。

以上述三個(gè)指標(biāo)為評(píng)判耐撞性的核心要素，以單位成品油船為研究對(duì)象，模擬船體肩部碰撞立體冰棱角（30°的碰撞角度）作出以下具體設(shè)計(jì)：簡(jiǎn)化船體貨物承載質(zhì)量，以滿載為前提，保證模型與實(shí)物重心不變，將貨物均勻分布在船舶主體模型上，參照實(shí)際狀況分布并施加載荷。當(dāng)發(fā)生碰撞變形時(shí)，碰撞部分會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中狀況，部分會(huì)出現(xiàn)失效情況；遠(yuǎn)離碰撞部分的構(gòu)件應(yīng)力相對(duì)分散，結(jié)構(gòu)部件損傷可忽略不計(jì)。碰撞力會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，體現(xiàn)在中期階段力度最大，后期基本上只有縱向摩擦。

（二）通過加裝夾層板增強(qiáng)船體的抗沖擊性

隨著極地航道的開通，船體與冰山碰撞的可能性變得更大。因此，如何增強(qiáng)冰撞載荷作用下船體的抗沖擊性，已經(jīng)成為當(dāng)前開發(fā)極地自然資源急需解決的問題。船舶在行駛過程中，不僅存在著與冰山發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，而且也面臨著與其他船舶發(fā)生碰撞的可能。從船舶研究人員多年的研究結(jié)果來看，只有提高船舶自身的抗沖擊性能，才能最大程度降低冰撞荷載作用下船舶出現(xiàn)安全事故的可能性。就當(dāng)前對(duì)冰撞荷載作用下船舶抗沖擊的研究現(xiàn)狀來看，國(guó)際上尚未對(duì)這一問題進(jìn)行深入探究。因此，為了能夠有效保證冰撞荷載作用下船只的安全，就應(yīng)該適當(dāng)借助船舶與船舶在荷載作用下發(fā)生碰撞的案例來進(jìn)行研究，從而對(duì)冰撞荷載作用下船只的抗沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過加裝夾層板來保證船舶在冰撞荷載作用下的安全，是船體增強(qiáng)抗沖擊性能最直接、有效的辦法。

從夾層板的材質(zhì)上進(jìn)行劃分，可以分為金屬性夾層板與非金屬性夾層板；從夾層板的架構(gòu)上來分，可以分為折疊式、蜂窩式以及桁架式三種，其中每一類夾層板又可進(jìn)行更加詳細(xì)的劃分。通過加裝夾層板來增強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)抗沖撞性的設(shè)計(jì)原理是，將夾層板的上層與下層作為外板結(jié)構(gòu)，夾層中心作為縱骨，且應(yīng)保證夾層板上層與下層的厚度完全相等，夾層中心厚度與縱骨結(jié)構(gòu)中腹板的厚度相同。在對(duì)夾層板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將質(zhì)量等效原則作為最基本的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)船體與冰山發(fā)生碰撞時(shí)，夾層板的上界面會(huì)由于沖擊力而發(fā)生形變，一旦上層板被沖破，夾層中心就會(huì)對(duì)冰體進(jìn)行切割，加之有下層板的保護(hù)，就能夠有效防止冰撞荷載作用下對(duì)船體的破壞。

三、結(jié)語

加強(qiáng)對(duì)冰撞荷載作用下船體結(jié)構(gòu)抗沖擊性的研究，是我國(guó)船舶生產(chǎn)過程中的一個(gè)重點(diǎn)研究項(xiàng)目，它能夠有效降低船舶運(yùn)輸中發(fā)生安全事故的可能性，提高我國(guó)造船工藝水平。因此，無論是船舶制造人員，還是船舶技術(shù)研究人員都應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，緊跟時(shí)代的發(fā)展潮流，不斷提高自身的綜合素質(zhì)水平，為我國(guó)船舶制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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