摘要：本文對國內(nèi)和國外目前先進破冰技術(shù)和學(xué)者們對破冰技術(shù)的研究進行歸納和整理，重點介紹新涌現(xiàn)的極地破冰船的破冰技術(shù)，并對未來破冰船的發(fā)展趨勢進行研究，為極地破冰船未來發(fā)展的研究方向提供有益參考。

　　關(guān)鍵詞：破冰技術(shù);發(fā)展趨勢;破冰船

　　全球氣候變暖導(dǎo)致北冰洋冰川融化加劇，北冰洋的冰域面積不斷縮小，這使得北極航道的通航成為可能。北極航道的開通意味著全球航運格局將發(fā)生巨大變化。2019年1月，中國政府發(fā)表了《中國的北極政策》白皮書，以加強北極地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和數(shù)字化建設(shè)為核心綱領(lǐng)，以北極航道和能源合作開發(fā)作為經(jīng)濟投資重心，并與多方共同建設(shè)“冰上絲綢之路”。

　　作為擔(dān)負開辟航道、運輸物資、科研考察任務(wù)的極地船舶，在開拓北極航道和發(fā)展北極經(jīng)濟圈中扮演著重要角色。目前中國僅有兩艘具有破冰能力的極地破冰船，分別是破冰等級為PC6級的“雪龍”號和PC3級的“雪龍2”號，無法滿足日益增長的極地科學(xué)研究和戰(zhàn)略發(fā)展的需求，因此發(fā)展和提高各類極地船舶的自主設(shè)計能力刻不容緩。

　　1 國內(nèi)破冰船技術(shù)

　　1.1 破冰船的特點及破冰等級

　　破冰船一般依賴船體線型和動力推進破碎冰層，開辟航道。為獲得更大的破冰寬度，船身長寬比值較小，首柱較為尖削，以一定角度前傾?？傮w強度高，首尾和水線區(qū)具有結(jié)構(gòu)加強。破冰船的推進系統(tǒng)多采用多螺旋槳，對螺旋槳和舵有防護裝置。破冰船以柴油機或核動力為動力推進?？傮w來說，船體短而寬，船體強度高是破冰船的主要特點[1]。

　　極地船舶的冰級劃分可參考lACS冰級要求，見表1。

　　1.2 破冰船的破冰方式

　　破冰船在破冰作業(yè)時，船艏擔(dān)任主要的破冰任務(wù)，受到集中載荷的作用;船體與海冰發(fā)生碰撞，受到?jīng)_擊載荷的作用。傳統(tǒng)的破冰方式主要有連續(xù)破冰法和沖撞破冰法[2]。

　　(1)連續(xù)破冰法：在冰層較薄的冰區(qū)，一般冰層厚度低于1.5米時，使用連續(xù)破冰法。破冰船以一定航速，利用螺旋槳的推力、船體破冰線型直接將冰層破開撞碎。如圖1所示。

　　(2)沖撞破冰法：在冰層更厚的冰區(qū)、復(fù)雜的堆積冰區(qū)或冰脊區(qū)，采用沖撞破冰法。首先，破冰船需倒退約兩個船長的距離，然后加速向前沖，沖撞式破冰船艏部吃水較淺，船體會沖上冰面將冰層壓碎，若冰層未完全破開，可利用左右壓載水艙交替注水，使船體左右一定幅度搖晃，以達到開辟航道的目的。如圖2所示。

　　1.3 國內(nèi)破冰船現(xiàn)狀

　　目前我國帶高等級冰級的極地船舶較少，擁有兩艘抗0.8m以上浮冰的極地船舶，大量的極地船舶能抵抗的浮冰厚度在0.4m以下[3]。這兩艘極地破冰船，分別是由烏克蘭購進并改造而來的“雪龍”號極地科考船和我國第一艘自主研發(fā)的“雪龍2”號科考船。

　　“雪龍2”號是全球第一艘采用雙向破冰技術(shù)的極地科考船，也是第一艘我國自主研發(fā)的高冰級破冰船。能夠在1.5米厚冰條件下連續(xù)破冰航行，填補了我國在極地科考重大裝備領(lǐng)域的空白[4]。“雪龍2”號的動力系統(tǒng)為全電力推進，尾部的螺旋槳吊艙可360。旋轉(zhuǎn)，即槳舵合一，既是螺旋槳也是舵，因此其非常靈活，可實現(xiàn)船體原地調(diào)頭。推進性能和機動性能更加優(yōu)越，利用船尾可突破極區(qū)20米當(dāng)年冰冰脊。“雪龍2”號科考船代表了我國極地破冰船的先進制造技術(shù)。

　　1.4 國內(nèi)破冰技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　近幾年，我國在破冰船設(shè)計和技術(shù)的發(fā)展上取得了不錯的成績，相關(guān)科研工作也在積極開展。相較于美俄等擁有先進破冰船制造技術(shù)的國家來說，我國的破冰船舶的制造技術(shù)還有提升的空間，隨著國家極地戰(zhàn)略發(fā)展的需求，吸引了越來越多的學(xué)者展開深入的研究。

　　隨著有限元技術(shù)在工程設(shè)計和科研領(lǐng)域的逐步成熟，眾多學(xué)者利用非線性有限元軟件做了大量的研究。

　　關(guān)于冰一船碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)和冰載荷計算方面，楊亮等利用有限元軟件LS-DYNA進行了船舶與海洋平臺之間在海冰為介質(zhì)的作用下的仿真分析[5]，分析海冰對海洋平臺碰撞的影響。王凱民基于經(jīng)驗公式和LS-DYNA中的ALE流固耦合算法對船舶破冰阻力預(yù)報研究[6]，同時也對水介質(zhì)中破冰船艏部結(jié)構(gòu)響應(yīng)及極端應(yīng)力進行了研究。馮衛(wèi)永等基于瞬態(tài)動力學(xué)分析法對破冰船沖撞式破冰過程進行有限元數(shù)值仿真研究[7]，并建立計算破冰船沖撞式破冰過程船體應(yīng)力的方法。任奕舟等介紹一種破冰船在冰層中連續(xù)破冰的冰材料數(shù)值模型并進行驗證[8]，并對破冰船的破冰阻力進行計算。蘇干利用LS-DYNA軟件結(jié)合ISO推薦壓強一面積理論曲線驗證數(shù)值模型可靠性[9]。楊征基于多年海冰的力學(xué)特性與數(shù)值仿真模型對極地重型破冰船冰載荷計算方法和冰帶典型結(jié)構(gòu)區(qū)域極限承載能力進行研究[10]。周峰等通過數(shù)值模擬為冰區(qū)船舶預(yù)報破冰載荷提供技術(shù)參考[11]。

　　關(guān)于破冰船結(jié)構(gòu)、線型研究以及新型破冰設(shè)計方面，哈爾濱工程大學(xué)的王川使用MSC.Dytran軟件對破冰船首柱傾角對破冰速度的敏感性進行分析[12]。上海交通大學(xué)的王健偉使用LS-DYNA軟件對楔形首和勺形首對船舶破冰時冰層的變形損傷和破冰阻力的影響進行分析[13]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的史江海比較了前傾首、飛剪首、直立首、球鼻首和破冰首的破冰能力[14]，發(fā)現(xiàn)在相同情況下破冰首的破冰能力最好。丁悅等開發(fā)PC6冰級的阿芙拉油船線型并探究破冰船破冰線型的基本特點[15]。朱彬研究了破冰結(jié)構(gòu)和船體艏艉線型形狀對破冰效率的影響[16]，并提出了破冰船的破冰冰刀設(shè)計方法。劉林偉設(shè)計研發(fā)了一種具有破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船[17]。白旭等通過數(shù)值模擬得到破冰結(jié)構(gòu)角度對整冰失效模式的影響[18]。高嵩等分析了極地氣墊破冰和運輸平臺破冰機理以及關(guān)鍵技術(shù)[19]。

　　關(guān)于破冰船推進動力以及輔助破冰方式方面，翟燕對艦船混合動力系統(tǒng)的優(yōu)化配置與控制進行了仿真研究這20]。吳文翔分析吊艙推進器艉部型線特征，即艉部較寬[21]，型深和干舷較大，剖面呈V型等。黃嶸通過突變負載的仿真實驗，驗證了“雪龍2”號吊艙推進器控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制的可靠性[22]。王平團等介紹幾種主要的壓載水調(diào)駁技術(shù)[23]，并對比分析其優(yōu)缺點。

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