弯曲但不折断：更轻的破冰船
Aker Arctic公司大约五年前开发了这项技术，如今已完成必要的研究，使其新的破冰船船体设计方法获得芬兰-瑞典冰级规范的认可。该方法也已被多家船级社（LR、ABS、DNV）的极地船级规范所采用。
虽然这项研究的重点是通常在波罗的海航行的船舶，但Aker Arctic在其近期的许多新船设计中也采用了该方法，例如目前正在建造的加拿大新型破冰船。这项创新并非针对任何特定区域或冰荷载，而是扩展了钢板和腹板框架等增强材料的建模，使其不仅涵盖有助于防止凹陷的弹性特性，还涵盖了确保其变形后不会断裂的塑性特性。
通常，数学公式或有限元分析 (FEM) 的直接线性计算仅考虑了弹性行为，并假设钢材在屈服点之后的塑性也遵循相同的线性关系。弹性行为本质上是线性的——压力越大，凹痕越深——但塑性行为并非如此，因此基于线性分析预测结构失效需要做出假设。确切的安全裕度尚不清楚。
描述非线性 FEM 分析结果的图像。
图片由 Aker Arctic 供图“用非技术术语来说，我们会计算与冰撞击后凹陷的程度，并确定我们能否接受？” Aker Arctic 结构设计团队负责人 Juuso Lindroos 说道。“这使我们能够确定哪些部分需要加固，哪些部分不需要。我们可以精确定位结构中最薄弱的部分，并优化该部位钢材的承载力，以确保永久变形仍然安全——在其塑性极限内，并且仍然是安全的。”
这使得设计人员能够简化船体结构，使用更少的支架，并显著减少主要结构的尺寸，从而降低船舶的钢材重量。因此，破冰船的设计更简单，建造也更简单。
Aker Arctic公司发现，一艘典型的破冰船可以节省100至300吨的钢材重量。这样一来，破冰船就可以装载更多的燃料或货物，或者设计更小、吃水更低的船只，以适应更浅的水域。此外，由于钢铁生产会排放大量的二氧化碳，因此这样做也带来了环境效益。
林德罗斯表示，开发新方法的动力源于建造符合极地级要求的破冰船的经验。2006年极地级规范制定时，尽管在规范制定之前建造的旧船有着可靠的安全记录，但该规范导致主要承载构件相对于船壳和框架结构过重。
Aker Arctic公司的结构工程师Ville Valtonen带领一个小组研究了这个问题，该小组成员包括Aker Arctic公司的Rob Hindley和美国船级社（ABS）的James Bond。他们于2020年在科学期刊《海洋结构》上发表了他们的研究成果。该研究记录了他们使用有限元法（FEM）的全新、稳健的评估方法和验收标准，并证明了非线性分析能够更好地洞察船体结构的行为。可以设计有针对性的解决方案来加强结构，而不是为了满足简单、强制性的公式而增加不必要的钢筋。
虽然线性有限元方法简单易行且应用广泛，但它们无法预测屈服后的行为，包括屈曲后行为，以及失效模式是渐进的还是突然的。非线性方法可以准确地预测这种行为，但它需要更多的参数和公式来进行材料建模。
图片由 Aker Arctic 提供
与线性弹性分析相比，这是一个更加费力的过程，但成本的节省和其他好处（例如更容易修复）可以弥补额外的工作，林德罗斯说，特别是对于高冰级船舶而言。
Aker Arctic公司将非线性计算结果与实际冰损情况进行了比较。计算出的失效荷载和结构失效方式与观测到的损伤非常吻合，这增强了我们对该方法准确性和可靠性的信心。“从安全角度来看，我们不会有任何损失。对失效模型更有信心意味着我们可以降低风险。”
一般认为，只要船壳板具有足够的余量来抵御其他更严重的失效模式，例如板结构的破裂或屈曲，那么船壳板的小范围局部凹陷是可以接受的。对结构在屈服前后的准确评估，可以将分析标准与预期结果直接联系起来，即在正常运营中，冰区航行产生的永久变形仍然很小，并且结构具有足够的储备能力，以确保在意外过载情况下的安全性能。
采用新方法开发的首个船舶项目是为瑞典海事局建造的Aker ARC 130 S波罗的海护航破冰船。劳氏船级社已评估并批准了该项目的方法。采购流程正在进行中。
加拿大极地破冰船是Aker Arctic公司最新的参考项目之一。Aker Arctic公司的非线性有限元分析工具使其能够使用常见的高强度钢材。如果没有这些钢材，就需要使用额外的高强度钢材，而这种钢材的采购和焊接难度都更大。这艘极地2级破冰船长158米，宽28米，旨在实现在北极高纬度地区全年自给自足运营。与迄今为止加拿大的任何破冰船相比，它能够航行到更北的地方，在更恶劣的冰况下运营更长时间。
与此同时，一份新的芬兰-瑞典规则草案已根据Aker Arctic的研究结果撰写完成，并在各船级社和国际船级社协会船体专家组之间进行了讨论。在收到意见后，该规则最终定稿，预计将被纳入下一版芬兰-瑞典冰级规则，作为现行规定方法的替代方案。
完成这项工作后，Aker Arctic 公司继续开展研究。今年，Valtonen 发表了另一项研究，利用非线性方法研究船体形状如何影响冰载荷。船体形状是破冰船的重要考虑因素，因为最终的破冰力取决于船体在接触点的形状。该研究改进了冰载荷设计，以优化船体结构、提高载货能力并降低成本。预计这将改进破冰船设计标准，包括极地级规范和芬兰-瑞典冰级规范。
Aker Arctic 为其提供非线性 FEM 分析的瑞典新型破冰船设计效果图。
图片由 Aker Arctic 提供
