一种适用于极地抗冰平台的桁架式强框结构

技术领域

本发明涉及一种极地抗冰平台设计领域，尤其涉及一种极地抗冰平台的桁架式强框结构。

背景技术

极地船舶的舷侧结构需承载各种形式的冰载荷，作为主要承力构件，横向强框结构应满足设计冰载荷下的强度和刚度要求。常规极地船型的冰载荷以航行、破冰工况为主，而极地抗冰平台具有特殊性，平台长期冻结在冰层中，会受到海冰的挤压作用，同时海冰的生长和堆积会导致平台的升沉运动，抗冰平台与海冰之间会产生摩擦/挤压，因此船体结构会承受海冰挤压和摩擦作用产生的冰载荷。另外,作为布置型船舶,一种极地抗冰平台的特点为设计水线以上的主船体型线做内折型设计以限制其升沉运动,且平台型深较大，内部设有多层平台,舷侧布满各类液舱。对于此种新型极地船舶，在保证船体结构安全的基础上，拟对抗冰平台横向强框结构进行优化设计，以更加高效的形式抵御海冰的摩擦/挤压作用。

现有技术中，高冰级极地船舶横向强框结构如图1所示，设置舷侧纵桁与平台间的水平桁材11，水平桁材之间设置加密的水平加强筋12，水平加强筋12之间设腰圆孔13,腰圆孔13靠近外板一侧设置垂向加强筋14。该形式的横向强框结构虽能满足船体强度和刚度的要求，但结构的冗余度较高，整体应力水平分布不均匀，部分区域应力水平较低，未能充分利用结构材料。

极地抗冰平台舷侧区域布满各种类型的液舱，为减轻船体结构重量，同时提高液舱内液体的流通性，可在横向强框架应力水平较低区域设置大开孔，改进方案的结构形式如图2所示。在远离外板的低应力区域设置大开孔21，开孔边缘设置垂向加强筋22，相邻开孔之间留有合适的距离，大开口区域外设置水平加强筋23，大开孔21与外板间设置加密的屈曲筋24以抵御冰载荷作用。

然而，此改进方案也有一定的局限性，并不完全适宜极地抗冰平台。与常规极地船舶不同，抗冰平台外的海冰摩擦/挤压作用是常年持续存在的，其作用方向也是全方位的，改进方案中大开口区域对于舷外传递来的斜向冰载荷缺少有效支撑，易造成该部分结构应力水平偏高，甚至无法满足结构强度与刚度的要求，另外此方案中大开孔设置在水平加强筋23之间，也限制了开孔的范围和面积。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种适合极地抗冰平台的桁架式强框结构，拟解决或改善以下技术问题：

(1)现有极地船舶典型横向强框结构冗余度高，能量传递效率较低，应力分布不均匀，船体结构重量偏大，与极地抗冰平台的结构载荷特点不匹配；

(2)极地抗冰平台舷侧区域布满了各类液舱，现有典型横向强框结构开孔范围和开孔面积受限，很难满足部分液舱对流通面积和流通速率的要求。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种适用于极地抗冰平台的桁架式强框结构，在舷侧冰载荷传递路径上设置多根水平撑杆和斜撑杆结构，在横向强框结构应力较小区域设置大开孔，形成桁架式强框结构。

进一步，所述横向强框结构采用加筋板形式，能一定程度上简化船厂的加工工艺。

进一步，所述大开孔边缘距离舷侧保留一定距离，为舷边强框结构，既可承受舷外冰载荷直接作用也可承受舷侧纵桁传递来的船体载荷。

进一步，所述大开孔角隅半径≥200mm，并在其边缘设置加强筋。

进一步，在甲板、平台、内底与舷侧纵桁之间设置水平撑杆结构，将作用在船体结构上水平方向的载荷直接传递到甲板、平台和内底等强结构上。

进一步，所述水平撑杆结构之间设置上下朝向不同的斜撑杆结构，以有效抵御舷外海冰各方向的冰载荷作用。

进一步，所述斜撑杆结构靠近舷侧的一端位于舷侧纵桁附近，斜撑杆结构靠近内壳的一端靠近甲板、平台、内底，并在斜撑杆结构端部设置横向大肘板作为其端部支撑，斜撑杆结构与水平线的角度在15°到45°之间。

进一步，所述水平撑杆结构、斜撑杆结构的板厚和截面积需满足极地抗冰平台设计冰载荷下的强度和刚度要求。

进一步，所述水平撑杆结构、斜撑杆结构边缘设置与撑杆朝向一致的屈曲加强筋，以提高冰载荷作用下撑杆的刚度。

进一步，靠近舷侧的强框结构上加密设置屈曲加强筋，以提高舷边强框结构的屈曲强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了一种适用于极地抗冰平台的桁架式强框结构，在保证结构安全的前提下，可提高舷外冰载荷作用于船体时的能量传递效率，使得整个横向强框结构应力水平分布较均匀，提高了船体钢料的利用率，实现了船体轻量化的目标；

(2)本发明减少了舷侧强框开孔范围的限制，能够增加横向强框的开孔面积，提高了舷侧液舱内液体的流通性。

附图说明

图1为现有的高冰级极地船舶常规横向强框结构示意图；

图2为现有的改进的高冰级极地船舶横向强框结构示意图；

图3为本发明的极地抗冰平台桁架式强框结构示意图；

附图中：11-水平桁材，12-水平加强筋，13-腰圆孔，14-腰圆孔边缘加强筋，21-大开孔，22-大开孔边缘垂向加强筋，23-水平加强筋，24-近舷侧屈曲加强筋，31-大开孔，32-大开孔边缘加强筋，33-舷侧纵桁，34-舷边强框结构，35-近舷侧屈曲加强筋，36～39-水平撑杆，310～314-斜撑杆，315-横向大肘板。

具体实施方式

本说明书中附图所显示的比例、大小等仅为示意作用，用以说明具体实施的方式方法和注意事项，并非限定本发明的实施条件，不影响本发明所产生的功效。本说明书中所述的“内”、“外”、“上”、“下”等位置关系仅是为了方便描述，而非限定本发明的可实施范围，其相对关系的改变，在无实质变更技术内容下亦视为本发明的可实施范畴。

本发明实施例提供一种极地抗冰平台桁架式强框结构，首先考虑极地抗冰平台特有的摩擦/挤压工况，利用拓扑优化技术寻找冰载荷在舷侧区域的能量传递路径，在能量传递路径上设置船体结构，在应力较小区域设置大开孔，综合考虑加工制造可行性、船级社规范要求等因素设计出最适合极地抗冰平台的横向强框形状，横向强框最终呈现为包括大开孔31、水平撑杆36～39和斜撑杆310～314的桁架式结构，如图3所示。

横向强框上设置大开孔31，大开孔的角隅半径不小于200mm。

大开孔边缘距离舷侧保留一定距离，这部分结构不仅会直接承受舷外冰载荷作用还会间接承受舷侧纵桁33传递来的船体载荷，称为舷边强框结构34。

在甲板/平台/内底与舷侧纵桁之间设置水平撑杆结构36～39，将作用在船体结构上水平方向的载荷直接传递到甲板、平台和内底等强结构上。此外，在水平撑杆结构之间设置上下朝向不同的斜撑杆结构310～314，以有效抵御舷外海冰各方向的冰载荷作用，斜撑杆结构靠近舷侧的一端位于舷侧纵桁33附近，斜撑杆靠近内壳的一端应尽量靠近甲板、平台、内底，并在斜撑杆端部设置横向大肘板315作为其端部支撑，斜撑杆与水平线的角度不能太大，介于15°到45°之间。

水平撑杆、斜撑杆的板厚和截面积应满足极地抗冰平台设计冰载荷下的强度和刚度要求。

横向强框采用加筋板形式，可一定程度上简化船厂的加工工艺，水平撑杆和斜撑杆边缘设置加强筋，加强筋方向应与撑杆朝向一致，提高斜撑杆的承载能力。

上述实施例仅用以说明本发明专利的原理和功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士可以在不违背本发明的精神和范畴下很容易对这些实施例作出各种修改。因此，本发明不限于上述实施例，所属领域的通常技术人员在未脱离本发明所揭示技术思想下所完成的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。