CN108622309A - 共振破冰船舶艏部结构 - Google Patents

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庞福振
李玉慧
陈海龙
韩端锋
李海超
杜圆
单衍贺
霍瑞东
彭德炜
李硕
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Harbin Engineering University
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Harbin Engineering University
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    • B63B3/14—Hull parts
    • B63B3/46—Stems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
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Abstract

本发明提供一种共振破冰船舶艏部结构，在船舶艏部壳体的外表面设置有波浪形共振结构，在船舶艏部壳体的内部设置有刚度加强结构，所述波浪形共振结构的截面形状为凹凸状且波浪形共振结构形成破冰接触区，破冰接触区频率ωn和波浪形共振结构频率f的耦合频率与冰的固有频率ωni相等。本发明具有结构简单、能耗低、环境适应性强、生存能力强、破冰效果显著等优点。

Description

共振破冰船舶艏部结构
技术领域
本发明涉及一种共振破冰船舶艏部结构，技术基础与运用范围属于与船有关的结构形式。
背景技术
随着中高纬度海域油气资源的开发与利用，需要进行设备运输、资源回运、寒冷地带基地建设、救助以及物资补给等，因此，为确保冰海航行畅通，破冰船成为必不可少的工具。
但传统极区破冰船多依靠重力作用破冰，存在破冰能力差、破冰能力严重依赖排水量和主机功率等问题。针对此问题，公开号为CN104527919A的一种新型破冰船船首及破冰方法利用倾斜向后的船首线型,并在船首上方设置倾斜的破冰刃,破冰刃对于薄冰层具有自后下、往前上方向的破冰作用力,更有利于薄冰层的破碎；但对于极区较厚冰层，该发明破冰刃磨损率高，破冰能力较差。为此，本发明提供一种共振破冰艏部结构形式，共振附加重力效应，在排水量不显著增加的情况下有效提升破冰能力。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种共振破冰船舶艏部结构。
本发明的目的是这样实现的：在船舶艏部壳体的外表面设置有波浪形共振结构，在船舶艏部壳体的内部设置有刚度加强结构，所述波浪形共振结构的截面形状为凹凸状且波浪形共振结构形成破冰接触区，破冰接触区频率ωn和波浪形共振结构频率f的耦合频率与冰的固有频率ωni相等。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.根据确定波浪形共振结构的波长，其中v为航速。
2.所述刚度加强结构为设置在船舶艏部壳体内部的T型材，且其刚度k满足：其中：m为破冰接触区的模态质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首次提出通过共振效应进行破冰，通过设置的波浪形共振结构可以与待破的冰产生共振效应，也即本发明的破冰船舶艏部结构与冰层发生共振，共振附加重力效应，在排水量不显著增加的情况下有效提升破冰能力。本发明具有结构简单、能耗低、环境适应性强、生存能力强、破冰效果显著等优点。
附图说明
图1是本发明的破冰船共振破冰船舶艏部结构图；
图2是本发明的破冰船船艏波浪形共振结构示意图；
图3a是设计前刚度加强结构形式，图3b设计后刚度加强结构形式。
图中：1-外部壳体；2-破冰接触区；3-波浪形共振结构；4-刚度加强结构
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图3b，本发明由外部壳体、波浪形共振结构以及刚度加强结构三部分构成，波浪形共振结构构成破冰接触区，根据破冰船航区冰层厚度和破冰船艏部结构特点计算破冰接触区，并将破冰接触区设计成凹凸的波浪形结构，为破冰提供激振力，由螺旋桨提供推动力，刚度加强结构安装于破冰接触区内部。
计算冰的固有频率ωni：根据破冰船航区冰层厚度、密度等参数，运用有限元软件建立该航区冰的有限元模型，并根据这一模型计算冰的固有频率ωni，破冰接触区频率ωn与波浪形共振结构频率f耦合，耦合频率在冰的固有频率ωni附近或相等，达到共振破冰效果。
计算波浪形共振结构波长λ：根据破冰船冰区航度v和波浪形共振结构频率f，由确定波浪形共振结构波长λ。
对破冰接触区进行模态分析得其模态质量m，根据计算所得模态质量m和接触刚度k设计刚度加强结构：在有限元软件中对所设计破冰船艏部破冰接触区进行模态分析，在模态分析结果文件中提取用于模态计算的基本参数，如模态频率、模态振型和质量矩阵等，计算出破冰接触区模态质量m；根据破冰接触区频率ωn和模态质量m，由确定接触刚度k,破冰接触区内部安装刚度加强结构，使该区域接触刚度达到计算值k；在有限元分析软件中通过加大加强筋尺寸或数量，增加钢板厚度等方式，使破冰接触区刚度达到计算值k。
以3000吨破冰船为例，破冰航速v＝2.5kn，冰厚d＝2m，冰密度ρ＝0.9×103kg/mm，根据上述方法设计出共振破冰船舶艏部结构，如图1所示。具体设计过程如下：
1)根据破冰船航区冰层厚度d＝2m和破冰船艏部结构特点，计算破冰接触区长为5m,宽为2m，如图3所示。
2)根据破冰船航区冰层厚度d＝2m、密度ρ＝0.9×103kg/mm等参数，运用有限元软件建立该航区冰的有限元模型，并根据这一模型计算冰的固有频率ωni＝2Hz，其中破冰接触区频率ωn＝1.5Hz与波浪形共振结构频率f＝0.5Hz耦合，耦合频率为冰的固有频率ωni，达到共振破冰效果。
3)根据破冰船冰区航度v＝2.5kn和波浪形共振结构频率f＝0.5Hz，由确定波浪形共振结构波长λ＝2.5m，波高h＝0.8m如图2所示。
4)在有限元软件中对所设计破冰船艏部破冰接触区进行模态分析，在模态分析结果文件中提取用于模态计算的基本参数，如模态频率、模态振型和质量矩阵等，计算出破冰接触区模态质量m＝5×105kg；根据破冰接触区频率ωn＝1.5Hz和模态质量m＝5×105kg，由确定接触刚度k＝1.125×106N/m；根据这一接触刚度，提出破冰船船艏破冰区内部结构形式，例如增加三根600×300×12×25mm的横向T型材如图3所示。
综上，本发明提供了一种共振破冰船舶艏部结构。共振破冰船舶艏部结构由外部壳体、破冰接触区、波浪形共振结构以及刚度加强结构四部分构成。根据破冰船航区冰层厚度计算出艏部破冰接触区；将破冰接触区设计成凹凸的波浪形共振结构，为破冰提供激振力，而推动力由螺旋桨提供；刚度加强结构安装于破冰接触区内部，使该区域接触刚度达到计算值。根据冰层厚度、密度等参数计算冰的固有频率ωni，破冰接触区频率ωn与波浪形共振结构频率f耦合，耦合频率在冰的固有频率ωni附近，根据破冰船冰区航速v和波浪形共振结构频率f，由确定波浪形结构波长λ；对破冰接触区进行模态分析得其模态质量m，由确定破冰接触区刚度k，设计出共振破冰船艏结构，共振附加重力效应，在排水量不显著增加的情况下有效提升破冰能力。具有结构简单、能耗低、环境适应性强、生存能强、破冰效果显著等优点。

Claims (3)

1.共振破冰船舶艏部结构，其特征在于：在船舶艏部壳体的外表面设置有波浪形共振结构，在船舶艏部壳体的内部设置有刚度加强结构，所述波浪形共振结构的截面形状为凹凸状且波浪形共振结构形成破冰接触区，破冰接触区频率ωn和波浪形共振结构频率f的耦合频率与冰的固有频率ωni相等。
2.根据权利要求1所述的共振破冰船舶艏部结构，其特征在于：根据确定波浪形共振结构的波长，其中v为航速。
3.根据权利要求2所述的共振破冰船舶艏部结构，其特征在于：所述刚度加强结构为设置在船舶艏部壳体内部的T型材，且其刚度k满足：其中：m为破冰接触区的模态质量。
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