兼顾航行性能和多方面破冰能力的综合性作业破冰船艏的制作方法

1.本发明属于极地破冰船舶型线设计技术领域，具体涉及一种兼顾航行性能和多方面破冰能力的综合性作业破冰船艏。


背景技术：

2.破冰船一直以来是极地航运、资源开发、科学考察以及军事应用等极地活动和冰覆盖水域船舶作业高度依赖的开辟航道和保驾护航的交通工具。开辟航道能力是衡量破冰船性能的关键指标之一。优越的破冰能力不仅能够保证自身的安全快速航行，也为护航船舶清理航道的障碍冰从而提供更加稳定适宜的航行条件。破冰船的破冰能力包含：破开大块平整冰和冰脊的能力，清除已破碎碎冰块的能力或者推挤沉没碎冰块的能力。上述正车工况下的破冰船破冰能力主要取决于船艏形状，因此破冰船艏的型线设计是提高破冰船舶性能，提升极地装备竞争力的，支持冰区水域科学活动和行业作业的关键技术。
3.早期的破冰船大多通过倾斜敞水域航行船舶的艏柱来设计，从而在船深方向上增大垂向力造成冰面的弯曲破坏来实现破冰过程。然而这样的船艏型线往往将破碎的冰块推挤到艏部前端，造成了大量碎冰块船艏堆积并随船移动现象，降低了破冰船的航行性能和破冰效率。随着破冰船设计技术的发展，各种不同类型的船艏形状相继出现，例如v型破冰船艏、匙型破冰船艏、凹型破冰船艏以及各种现代新型破冰船艏等，如图5所示。
4.然而当前各种不同的破冰船船艏形状是针对不同的作业任务和作业环境来确定的，因此当前的船艏形状在保证单一的优越破冰性能同时会损失其他方面的性能。例如：v型破冰船艏和匙型破冰船艏有极强的破碎大面积冰的能力，清除碎冰块的能力较弱；现代新型破冰船艏具有更强的清除和推开碎冰块的能力，更适合航行在浮冰块区域；cn112373635a提出的一种更高破冰效率的船艏结构；cn105667703b提出了一种间兼顾敞水性能和破冰能力的船艏结构。由此可以发现仍旧缺乏兼顾破冰能力、清除和推开碎冰能力、推挤和浸没碎冰块能力以及敞水航行速度的考虑综合性能最佳的综合作业破冰船船艏。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种兼顾航行性能和多方面破冰能力的综合性作业破冰船艏。
6.本发明的目的通过如下技术方案来实现：采用v型船艏作为整个船艏的基础形状，采用倾斜式直线艏柱形式和宽肥型水线面形状；船艏的总体形状关于中纵剖线所在的中纵剖面对称，v度为61
°
～66
°
，外飘角为76
°
～81
°
，纵剖角为23
°
～28
°
，艏柱倾角为17
°
～22
°
，水线进流角为50
°
～55
°
。
7.本发明的有益效果在于：
8.本发明以采取破冰能力最优的v型船艏轮廓为基础，设计了横剖线图，大大增大了外飘角，进一步提升了破冰船艏的破冰能力。本发明在保证破冰艏在破冰能力优越的水平上，优化了纵剖线，采取了较小的纵剖线角和艏柱倾角，增加了破冰船艏的清冰能力。在型
线设计的过程中，本发明兼顾敞水域航行时性能不降低的原则，同时兼顾了破冰能力、清冰能力和敞水域性能的综合性能。本发明适用于多任务多航线，可以最大化利用效率，一定程度上控制了在多条单一功能破冰船制造上的经济成本。
附图说明
9.图1是本发明的侧视立体图。
10.图2是本发明的横剖面图。
11.图3是本发明的纵剖面图。
12.图4是本发明的水线图。
13.图5是不同种类型破冰船艏示意图，
14.图6是本发明的总体设计流程图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明做进一步描述。
16.本发明的目的是为了弥补上述当前破冰船艏发展不足的现状，提出一种新型兼顾航行性能和多方面破冰能力的综合性作业破冰船艏，可以实现破冰船多任务作业能力、提高破冰船技术竞争力、缩减冰区航行船舶的多余投入成本。
17.首先，破冰船艏的性能主要有四个角度来体现，分别是外飘角、水线进流角、纵剖线倾角、首柱倾角；具有优越破冰能力的船艏外飘角较大而纵剖线倾角较小，具有优越冰清除能力的破冰船艏艏柱倾角偏小且水线进六流角偏小，敞水性能好的破冰船艏一般采用v型船艏。
18.由此本发明为了设计一种综合性能最优的破冰船艏，以参数化建模的方式协调修改破冰船艏的外飘角、水线进流角、纵剖线倾角、首柱倾角，以使四种决定破冰船艏的关键参数达到相互协调的最优数值，进而实现兼顾破冰性能、冰清除性能和敞水性能的最优破冰船艏，具体设计流程如图6所示。
19.1)采用兼顾敞水性能和破冰能力的v型船艏作为整个破冰船艏基础形状，如图1所示，船艏的总体形状关于中纵剖线1所在的中纵剖面对称，因此图1中只显示半个船艏形状，v型船艏的v度a优选为61
‑
66度之间，在此时船艏保证敞水域的航行性能可作为破冰船艏进而进入下一步的破冰能力优化；
20.图1中：1—中纵剖线，2—甲板边线，3—纵剖线，4—横剖线，5—水线，6—表明设计水线位置的辅助线；
21.2)如图2所示，参数化调整破冰船艏的横剖线图，横剖线4决定了外飘角b的大小，而较大的外飘角能够保证破冰艏破完整冰的能力，因此在同时协调处理角度同时，外飘角b的优选值确定为76
‑
81度。另一方面平滑缓慢过渡的横剖面线4使得破冰船的敞水域航行速度不会大程度降低(值得注意的是本步骤和3、4、5步骤需多次协调重复进行，才获得的了本发明中的结构形式和最有角度)；
22.3)如图3所示，小范围程度参数化调整破冰船艏的纵剖线图，横剖面型线参数确定之后，船艏的基本形状已经确定，因此主要保证外飘角小程度变化同时，调整纵剖线3的结构，重点关注纵剖角c不可过大，较小的纵剖角能够提升破冰船艏清除冰块和浸没冰块效
率，经过反复调整，纵剖角c优选值为23
‑
28度之间(值得注意的是本步骤和2、4、5步骤需多次协调重复进行，才获得的了本发明中的结构形式和最优角度)；
23.4)如图3所示，艏柱倾角d是纵剖线1和水平方向的夹角，艏柱倾角d和纵剖角c具有同样的作用效果，即这两个角度值越小则破冰船艏清除冰块和浸没冰块效率越高，另外，第一步船体基础轮廓确定和第三步纵剖角c确定同时，艏柱倾角也确定为最优，不需进行大幅度改动，本发明艏柱倾角优选为17
‑
22度(值得注意的是本步骤和3同时进行完成)。
24.5)如图4所示，小幅度参数化调整破冰船艏的水线图，水线进流角e决定破冰船艏将碎冰块推挤到两边的能力，即清理碎冰航道的能力和破冰船在碎浮冰区航行的能力，其角度过大使得船艏前端平缓造成碎冰堆积降低清冰能力，其角度调整的原则是首先保证步骤2、3、4中涉及到的破冰艏性能先达到最优，然后再满足能够将大量冰块清除到船体两侧的需求，经过多次试验参数化设计，本发明水线进流角最优值选为50
‑
55度(值得注意的是本步骤和2、3、4步骤需多次协调重复进行，才获得的了本发明中的结构形式和最优角度)。
25.综上，本发明设计的一种兼顾航行性能和多方面破冰能力的综合性作业破冰船艏，采用v型船艏作为整个船艏的基础形状，采用倾斜式直线艏柱形式和宽肥型水线面形状；船艏的总体形状关于中纵剖线所在的中纵剖面对称，v度为61
°
～66
°
，外飘角为76
°
～81
°
，纵剖角为23
°
～28
°
，艏柱倾角为17
°
～22
°
，水线进流角为50
°
～55
°
。
26.本发明以采取破冰能力最优的v型船艏轮廓为基础，设计了横剖线图，大大增大了外飘角，进一步提升了破冰船艏的破冰能力。本发明在保证破冰艏在破冰能力优越的水平上，优化了纵剖线，采取了较小的纵剖线角和艏柱倾角，增加了破冰船艏的清冰能力；在型线设计的过程中，时刻兼顾敞水域航行时性能不降低的原则，因此本发明是同时兼顾了破冰能力、清冰能力和敞水域性能的综合性能破冰船艏。本发明适用于多任务多航线，可以最大化利用效率，一定程度上控制了在多条单一功能破冰船制造上的经济成本。
27.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。