一种三艏柱港口破冰船的制作方法

1.本发明涉及一种三艏柱港口破冰船，属于船舶设计制造技术领域。


背景技术：

2.目前常规的破冰船都是单艏柱的形式，也有双艏柱的形式，如中国专利cn106275296a公开了一种双艏柱的破冰船。单艏柱的破冰船可以把冰面分成一个槽，双艏柱的破冰船可以把冰面分成两个槽；但是对于港口内，船舶需要经常进出的情况，这两种形式的破冰船冰面破碎程度不足，首先，易对无加强或加强等级较低的通行船舶的安全性造成威胁；其次，碎冰易再次凝结，造成通行困难，加快航道闭合。此外，受功率配置、船宽限制，同等吨位条件下，常规单体破冰船破开航道偏窄。故而，本技术领域亟需一种使冰面破碎程度更为优良的船首形式，更重要的是在不付出吨位增加过大的代价的前提下，在功率限制基础上尽可能实现船宽加大，以增加单次作业破冰所开拓的航道宽度，提高港口清冰效率。故此，本发明提出一种三艏柱港口破冰船，破冰的时候在冰面上开出三个槽，使冰面更加破碎，三个艏柱的破冰船在同等吨位条件下船宽较宽，在很宽的范围内把冰面开出三个槽，可以在港口的大面积水域内进行破冰作业，提高了作业效率，三个艏柱采用两种不同的破冰方式，使得港口内的冰面更加破碎，非常适用于连续破冰作业，利于清冰作业。更重要的是在不付出吨位增加过大的代价的前提下，在功率限制基础上尽可能实现船宽加大，以增加单次作业破冰所开拓的航道宽度，提高港口清冰效率；解决现有技术中存在的一些问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为解决现有的破冰船受功率配置、船宽的限制，同等吨位条件下，常规单体破冰船破开航道偏窄，冰面破碎程度不足；常规单艏柱或者是双艏柱破冰船不能够在很宽的船宽范围内一次性破冰的技术问题。
4.为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种三艏柱港口破冰船，包括单船体和设于单船体前端首部区域的三个并列的破冰船首；三个并列的破冰船首依次为左侧船首、中间船首和右侧船首；三个并列的破冰船首与单船体之间设有水密横舱壁。
5.优选地，所述三个并列的破冰船首通过焊接与单船体连接。
6.优选地，所述左侧船首和右侧船首设有相同结构类型的破冰艏柱。
7.优选地，所述中间船首设有与左侧船首和右侧船首不同的结构类型的破冰艏柱。
8.优选地，所述左侧船首和右侧船首设有前倾的艏柱，前倾的艏柱与破冰水线成一角度θ；左侧船首和右侧船首与单船体之间设有一道水密横舱壁。
9.优选地，所述角度θ为用于破冰作业时，使位于水线以上的船首把冰面向下弯曲的前倾角，角度θ的变化范围为20度-50度。
10.优选地，所述中间船首设有后倾的艏柱，后倾的艏柱与破冰水线成一角度α；中间
船首与单船体之间设有一道水密横舱壁。
11.优选地，所述角度α为用于破冰作业时，使位于水线以下的船首把冰面向上抬起的后倾角，角度α的变化范围为20度-50度。
12.优选地，所述右侧船首的宽度等于左侧船首的宽度，中间船首的宽度等于1.0倍-2倍的右侧船首的宽度。
13.优选地，所述左侧船首和右侧船首设有后倾的艏柱，所述中间船首设有前倾的艏柱。
14.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
15.通过本发明可以提高冰面破碎程度，有利于通航及船舶安全；在不付出吨位增加过大的代价的前提下，在功率限制范围内，增大单次作业破冰所开拓的航道宽度，提高港口清冰效率。本发明有利于简化艏柱局部线型设计，降低艏柱制造复杂度。在适宜的层冰厚度与吃水条件下，三艏柱可诱导层冰弯曲破坏，在不突破吨位、功率限制的前提下，实现航道拓宽、提高清冰效率。
16.本发明可应用于轻型破冰船、港口破冰船。本发明中三艏柱交错配合，不存在船体上冲冰面的风险，前倾式艏柱无须设置下缘冰趾，有利于简化局部线型设计，降低艏柱制造复杂度。
附图说明
17.图1为本发明一种三艏柱港口破冰船的概貌图。
18.图2为本发明一种三艏柱港口破冰船中间船首的侧视图。
19.图3为本发明一种三艏柱港口破冰船左侧船首、右侧船首的侧视图。
20.图4为本发明一种三艏柱港口破冰船的俯视图。
21.图5为本发明一种三艏柱港口破冰船首部的横剖面图。
22.图6为本发明一种三艏柱港口破冰船破冰时受力示意图。
23.附图标记：1.右侧船首；2.左侧船首；3.中间船首；4.船体；5.横舱壁；6.冰面；7.左侧艏柱处冰面受力方向；8.右侧艏柱处冰面受力方向；9.中间艏柱处冰面受力方向。
具体实施方式
24.为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
25.如图1-6所示，本发明所采取的技术方案是提供一种三艏柱港口破冰船，包括单船体4和设于单船体4前端首部区域的三个并列的破冰船首；三个并列的破冰船首依次为左侧船首2、中间船首3和右侧船首1；三个并列的破冰船首与单船体4之间设有水密横舱壁5。三个并列的破冰船首通过焊接与单船体4连接。左侧船首2和右侧船首1设有相同结构类型的破冰艏柱。中间船首3设有与左侧船首2和右侧船首1不同的结构类型的破冰艏柱。左侧船首2和右侧船首1设有前倾的艏柱，前倾的艏柱与破冰水线成一角度θ；左侧船首2和右侧船首1与单船体4之间设有一道水密横舱壁5。角度θ为用于破冰作业时，使位于水线以上的船首把冰面6向下弯曲的前倾角，角度θ的变化范围为20度-50度。中间船首3设有后倾的艏柱，后倾的艏柱与破冰水线成一角度α；中间船首3与单船体4之间设有一道水密横舱壁5。角度α为用于破冰作业时，使位于水线以下的船首把冰面6向上抬起的后倾角，角度α的变化范围为20
度-50度。右侧船首1的宽度等于左侧船首2的宽度，中间船首3的宽度等于1.0倍-2倍的右侧船首1的宽度。在另一实施例中，左侧船首2和右侧船首1设有后倾的艏柱，中间船首3设有前倾的艏柱。
26.本发明要解决的技术问题是：常规单艏柱或者是双艏柱破冰船不能够在很宽的船宽范围内一次性破冰，因此，本发明提供的技术方案可以一次破除更宽的冰面，提高了破冰作业面积。
27.本发明提供一种更宽船宽的破冰船，可以一次破除更宽的冰面，三个艏柱中两边使冰面6向下弯曲，中间艏柱使冰面6向上弯曲，形成了剪力，把冰面6减碎。三艏柱的船首可以在不付出吨位增加过大代价的前提下，在功率限制范围内增大单次作业破冰所开拓航道的宽度，提高港口清冰效率。
28.本发明的具体实施步骤如下：
29.如图1-6所示，三艏柱港口破冰船包括右侧船首1、左侧船首2、中间船首3、单船体4和横舱壁5。如图6所示，展示的是破冰时的受力模型，包括冰面6、左侧艏柱处冰面受力方向7(向下)、右侧艏柱处冰面受力方向8(向下)、以及中间艏柱处冰面受力方向9(向上)；破冰水线是wl；中间艏柱与破冰水线wl成的α角度，α为后倾角。右侧艏柱、左侧艏柱与破冰水线wl成的角度为θ，θ为前倾角。右侧船首1、左侧船首2的长度为l1，中间船首3的长度为l2。右侧船首1或左侧船首2与中间船首3的距离为b。
30.如图1所示，三艏柱港口破冰船由一个单船体4和三个船首组成，三个船首焊接在单船体上，三个船首和单船体4之间有一个水密的横舱壁5隔离。三个船首彼此相互独立的设置在首部。如图6所示，展示的是破冰时的受力模型，通过控制层冰破坏模式(以弯曲破坏为主，尽量减少压溃失效)，在同等耗散能量条件下，提高破冰效率。从操纵性角度考虑，以两舷下压，中间上顶为宜。
31.如何确定三个船首的宽度。如何合理的分配三个船首自身的宽度需要采用计算流体力学和离散元技术进行精准的破冰阻力预报，并且结合整个船舶的排水量，确定三个船首各自的排水量。确定方案后通过离散元技术、数值分析技术、冰池试验进行阻力预报及主机功率匹配。
32.确定后倾角α。如图2所示，当船体向前运动时，水线以下的船体结构率先陷入前部水体里，紧接着艏柱与冰面6发生接触，由于整个艏柱是后倾式的，可以把整个冰面6抬离水面。在本发明中，α的变化范围为20
°‑
50
°
，当α以较低的斜度向前运动时，可以很自然的像一把尖刀先插入水下然后把整个冰面6掀起来。需要通过离散元建立冰场的数值模型，通过不断的改变的取值范围，比较分析在那个值附近破冰阻力最小，这样就得到了最优的后倾角α。
33.确定前倾角θ。不同于通常的前倾式艏柱的破冰方式，结合图3可以看出，前倾艏柱在船体接触冰面时，水线上部的船首比冰面接触点更靠前，随着船舶的向前运动，水线以上的首部“骑”到了冰面上，依靠首部自身的重力把冰面压断。前倾角θ越小，则越容易“骑”到冰面上。假如前倾角θ等于90
°
，则相当于撞开冰层，这显然是不合适的。因此，θ的变化范围取为20
°‑
50
°
。需要通过离散元建立冰场的数值模型，通过不断的改变θ的取值范围，比较分析θ在那个值附近破冰阻力最小，这样就得到了最优的前倾角θ。
34.确定右侧船首1、左侧船首2的长度l1，中间船首3的长度l2。三个首部的排水量约
占整个船舶排水量的10％，而通常中间首部的排水量等于两边首部排水量之和，而且设计之初破冰水线的高度确定，要使得破冰时，三个艏柱估计同时接触冰面。如此一来，根据三个船首各自的排水量、宽度反推出右侧船首1、左侧船首2的长度l1，中间船首3的长度l2。
35.确定右侧船首1或左侧船首2与中间船首3的距离b。结合图5，三个船首之间存在空腔，右侧船首1或左侧船首2与中间船首3的距离b的大小直接决定了空腔的容量大小。当中间船首3把冰压断向两边排出时，两边的船首刚好把冰顶离水面。距离b通常可取船宽的1/3-1/4。
36.确定三艏柱高度配合问题。三艏柱高度需要根据吃水、层冰厚度决定相互之间的高度，首先要确定船所在作业港口内冰层的厚度，可以根据往年的统计资料得到冰层的厚度，结合港口破冰船排水量，单个船首排水量等综合因素考虑三艏柱高度问题。
37.本发明的实施例完成了大量的、全面的计算流体力学和离散元技术分析工作来分析结构的合理性和可靠性。在本发明开发中应用的分析技术有：满足稳性、载重量、局部强度计算等。
38.本发明公开了一种三艏柱港口破冰船，由设置在主船体首部区域的三个破冰船首和一个单船体组成，三个破冰船首焊接在单船体上。三个破冰船首并列设置于破冰船的首部，与单船体焊接而成组成一整个港口破冰船。本发明的破冰船适用于港口破冰作业。
39.港口破冰船的三个破冰船首依次从左到右设置在首部，其中左侧船首和右侧船首具有相同类型的破冰艏柱，中间船首设置在左侧船首和右侧船首的中间，与左侧船首和右侧船首具有不同类型的破冰艏柱。右侧船首具有前倾的艏柱，与破冰水线成一角度，破冰作业时位于水线以上的船首把冰面向下弯曲。左侧船首与右侧船首具有相同的破冰艏柱类型，即都具有前倾的艏柱，艏柱与破冰水线也成一角度，破冰作业时位于水线以上的船首把冰面向下弯曲。中间船首具有后倾的艏柱，与破冰水线成一角度，破冰作业时位于水线以下的船首把冰面向上抬起。
40.本发明采用单船体加上三艏柱的破冰模式，在港口内破冰作业的时候，中间艏柱具有后倾的形状，把冰从下往上抬出水面，而两边的艏柱具有前倾的模型，把冰往下压，这样在船宽方向内，一整个冰有三个受力点，中间往上抬，两边往下压，形成了类似剪刀差的受力模型，船宽方向内的冰面被剪成三段，从而顺利破冰，在港口内开辟出一条航道。
41.本发明解决了单艏柱破冰船单一的受力模式，三个艏柱在船宽方向内给予冰面三个作用点，不同于单艏柱破船依靠单点压冰模式；三个作用点增加了破冰宽度，提高了港口内的单次破冰作业面积，而且三点破冰法使冰层更加破碎，从而减小了连续破冰时的阻力，减小了港口破冰船主机功率，减小了油耗，而且减小了浮冰对船体舷侧的侧向挤压力，减小对船体舷侧骨架形式的破坏。
42.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。