攀登杯极地航道破冰装置研发

1、极地航道破冰装置研发摘要 ：我国是海上贸易大国，与欧洲美洲的贸易尤为频繁。在通往欧洲与美洲的航线上，与绕行巴拿马运河、运河甚至是好望角的传统航线相比，极地航线极大的缩短了航行距离。极地航道的开发和利用，对于我国的经济和民生都有着十分重要的意义。但由于极地航道常年被冰雪覆盖加强的普船在没有破冰船领航的情况下，难以安全航行于极地航道。随着全球气温变暖，北极冰区面积和冰层厚度逐年下降。对于普船，极地航道的通航已经成为了可能。基于航道冰区状况的改变，传统的破冰船在经济性和便捷性上已经不能满足普船通行极航道的需要了。该文设计的破冰装置，为水陆两栖破冰设备，能够挂载于商船之上，在需要的时候下海破冰，满足普

2、船直接通行于极地航道的要求，保证我国的大型商船能够及时安全的通行极航线。： 极地航道；破冰装置；两栖；挂载Design of the ice-breaking equipment for Arctic sea routeAbstract : China is a big marine-trade country, espelly with Europeand America. Compared with the sea route via the Panama C, theSuez C, as well as the Cof Good Hope, to Europe and America,A

3、rctic sea route abbreviatesthe distance very much. To develop andexploit the Arctic sea routeis of great importance for the domesticeconomy and the peoples livelihood. However, as the Arctic sea route iscovered with ice the whole year, it is difficult for the non-enhancedmerchant ships to voyage the

4、re, without the help of the big ice-breakers.With the accretion of the temperature, the proportion and the depth ofthe ice in North Polar Area shrink perennially. It issible for normalmerchant ships to pass the Arctic sea route. As a result of the change inthe condition of the ice-covered area, norm

5、al icebreakers cant meet theneeds of the normal merchant ships when pass the Arctic sea route,considering the expense and the convenience. This pr devises anhibious device, which can be placed on the normal merchant shipsand breaks the ice after launched onto the sea when in need. It cansatisfy the

6、needs of the normal ships passing the Northern Sea Routeand Southwest Passage, which ares the safety and the instancy of thebig merchant ships in our country, passing the Arctic sea route.Key words: Arctic sea route; ice-breaker;hibian; portable.1. 研究背景1.1 研究意义1.1.1 极地航道及经济效益北极是亚、美、大洲的顶点，由于地理原因，北极航线

7、便成为了联系欧洲、洲和东亚地区的海上捷径。北极航线主要包括俄北部沿岸的“东北航道”和洲北极地区的“西北航道”。东北航道又称“北海航线”，西起俄港，东到俄东亚的符拉迪沃斯托克港，全长约 5620 海里。西北航道东起巴芬岛，西至海，全长约 800 海里。1图 1北极航线示意图1相比于传统航线，由于极地航线极大的缩短了航行距离，因而有着巨大的经济效益。以东北航道为例，传统的连接东南亚与欧洲的海上线路为经由运河的航线，通过在地图上的对比可以直观的看到东北航线相较于航线缩短了较长的距离（图 2）。对比从欧洲到远东的各条航线，可以看出，在距离上，东北航道较之传统航线有着无可比拟的优势2（见表 1）。图 2

8、东北航道与传统航线的对比表 1欧洲至远东的海上航线距离对比注：1 nm=1.852 km航线东北航道西北航道巴拿马运河航线运河航线好望角航线英国伦敦至横滨的距离/nm72008600125801140014750相对距离100%119%175%158%205%1.1.2 通航条件及对我国的意义是阻碍北极航道通航的主要。但受到近年来全球气温变暖的影响，北极地区的气温不断升高，的覆盖区域逐年减少，冰层厚度也不断降低，夏季无冰期更是不断延长。1880 年至 2006，北极的年平均气温从-1逐渐升高到了 23（图 3）。由 1979 年 9月与 2003 年 9 月北极冰层覆盖面积的对比，可以更清晰的

9、看出，北极通航已经可以提上日程。图 3北极年平均气温的变化1880-2006图 41979 年 9 月与 2003 年 9 月北极冰层覆盖面积对比北极地区不但拥有渔业、木材、风力、水力等丰富的自然资源，而且还拥有着维系国家命脉的矿产、石油等资源。我国是海上贸易大国，又是临北极第二层位的国家。探索和开发北极航道，并能够抓住机遇，让我国的商船能够及时安全的通行极航线，不仅能让我国的航运业在与欧洲、的商业贸易中减少航行距离，缩短贸易周期，节约成本，提高利润，同时也能大大促进国内贸易产值的提高，有利于国家资源的，对我国的经济、贸易乃至国内民生都有着很大的意义。1.1.3 研究的应用价值与意义的破冰船，

10、大多是采用重力式破冰的方法。这种方法虽然可以应对绝大多数的冰况，然而由于采用重力式破冰的方法要求破冰船有足够的排水量和强度，因而该类破冰船的体积十分庞大，多为百米长、排水量上万吨级的大型破冰船。这种破冰船成本较高，施工难度也比较大。商船雇佣该类破冰船领航，费用十分高昂。为了减少平均的费用负担，远洋公司通常雇佣一艘破冰船领航，带领一支商船队，完成一次海上贸易。然而这种方法极大的限制了商船的机动性，也难以满足商业上的对于灵活性的要求。由于气候的影响，北极航线上的的厚度已经有了明显的降低。因此，本文中设计的破冰设备，脱离了传统的破冰方法的限制，针对冰层厚度降低，冰区面积减少的情况，应用机械式辅以化学

11、式破冰的方法，来完成破冰任务。该设备为两栖式破冰船，在冰面上单独实施作业。由于其体积较小，重量较轻，大型商船可以直接挂载或者放在甲板上。遇到冰情时，可用船上的普通作业用的吊装起重机械将设备放到海中，实施作业，待开出航道便可通行。应用这种破冰设备的商船，可以在除冰情十分严重的情况下的任何时间通行极航线。既不需要进船坞加强改造，也不需要等待船队雇佣大型破冰船。除却政治上的，待北极航线开通后，所有商船便可直接通行极航道。因此，该设备不仅与商船、远洋公司的利益关，同时也关乎国家的经济和层面的利益。1.2 国内外研究现状目前，国内外在极地地区应用较为广泛的破冰设备为大型的破冰船。1.2.1 破冰船的主要

12、特点的用于极地地区的破冰船，有着以下的特点：相对于船身尺寸，具有更大的自重，可更加有效的压垮；水线下船壳使用低温高性能的钢材，在船首、船尾和水线附近进行额外加厚；具有更加平缓角度的船首，使破冰船更易冰；没有减摇装置和船体突出部；大功率的推进器，多数使用柴油机，也有蒸汽或核动力推进器，装机功率应至少达到一万马力；船身的形状有利于保护舵和螺旋桨，防止时舵和桨被撞坏；配备直升机用于冰区探路和导航4。能够在南极或北极的区域航行；抗冰性足以承受；1.2.2 现有破冰船的破冰方法破冰船常用的连续破冰层次有三种：冰层较薄时只需要开足马力前进，就能冲破同时自身不受损；图 5传统破冰过程冰层较厚但不超过 1.5

13、 米时，采用“连续式”破冰法，主要靠螺旋桨的力量和船头把冰层劈开撞碎；冰层超过 1.5 米或者遇上冰山时，采取“冲撞式”破冰法。破冰船先一段距离，然后开足马力冲上冰层，把船下的冰层压碎，或是把船尾的水仓灌满水，使穿的重心后移而船首抬高，然后压到厚冰层上，再将船尾水仓抽空，同时把船首的水仓灌满，船首一般重达1000 吨左右，足以压破冰层5。当厚度超过船舶连续破冰能力时，必须采用如下的特殊破冰方法。旋回破冰法。船身与浮冰区边缘呈 30角，船速 7-8kn 破冰。破冰时根据当时浮冰厚度和性质需及时调整舵角。若使用舵角太小、用舵太导致船身进入浮冰区太深，以致船身被浮冰卡住无法旋回；反之，则会减少前进距

14、离，降低破冰效率6。徒步破冰法。利用8-10kn 速度冲撞冰面，利用船体运动能量破冰前进。第一次冲撞后，使船身倒出一定距离，再进行第二次冲撞。第二次破冰方向为第一次破冰方向的旁侧，控制破冰距离，第三次冲撞破冰时，破冰方向为第一次冲撞破冰时的方向，一次左右交替破冰。需要根据浮冰厚度控制好船速，破冰距离不宜过长，防止船身被左右舷浮冰卡住。同时，合理掌握好距离能提高破冰效率6。图 6旋回破冰法图 7徒步破冰法除以上传统的破冰方法，还有一些新式的破冰船和破冰方法如下。半潜式破冰船。可以在水面上航行，也可以半潜式航行。它以特别加强的船壳结构和：“梳子”式的破冰设备来破冰。在冰层相对厚的情况下，可先潜入一

15、个预定的深度，然后快速排出压载水上浮，从。破冰能力提高许多，可破碎厚达五米的冰层7。而将冰层图 8半潜水式破冰船脉冲碎冰法。由脉冲力发产生的冲击确保在冰区的安全快速航行，驱动力通过实验评估具体不同的冰层厚度需要多少的能量。同时，不同外形的电机均被加以实验过。上述几种破冰方法为世界上普遍采用的应用于破冰船的破冰方式。然而由于其对破冰船的排水量以及特种技术等方面的要求，使其经济性和实用性都难以符合现今情况下即将航行于极地航道的商船的需要。1.2.3 破冰船的由于普通破冰船的百分之十三的排水量用以装载几千吨，一昼夜的消耗量巨大，所以不可能离开海港太久，很难适应普船在极地的破冰要求。带原子发的破冰船一

16、昼夜耗油量仅若干公分，航行范围极大8。同时，核动力推进装置热效率高，能长久运行确保续航力要求，对后勤保障要求不高，非常适合作为破冰船的动力装置9。现今的大型破冰船一般选用核能推进的方式。然而，对于普用船舶而言，租赁核能推进破冰船的花费过高，经济性较差，即便能够满足通航要求，也由于其不符合商业的基本要求，而难以广泛的运用到商业模式之中。由此也可以看出，在极地航道冰况较好，冰区面积日益减少，冰层厚度逐渐降低的今天，需要一种既能够满足破冰要求，应对当前极地航道上的冰况，同时又合乎经济性的要求，应用较为方便的小型破冰装置。2.设计原理2.1 工况分析及设计原理物理性质及工况2.1.1的重要物理性质包括

17、冰的温度，盐度，密度以及冰的抗压强度，弯曲强度，剪切强度，拉伸强度，它们在环境条件的影响下，随时间空间变化很大，导致受力以后的变形行为极为复杂。本破冰装置采用机械向上提拉冰层而使冰层发生弯曲破坏，所以着重考虑的弯曲强度。的弯曲强度随着应力率、盐水体积和加载方向的变化而变化。由于实际环境中，冰是各向异性介质，因此很难准确的确定的弯曲强度。这里根据以往文献中对于弯曲强度的研究，采用-10的弯曲强度平均值作为分析的工况，取值情况见表 2。由于冰层在向上加载时的弯曲强度小于向下加载时的弯曲强度10。因此，该破冰装置采用机械向上提拉冰层的方法也比较合理。的主要物理参数见表 2。表 2冰层主要参数1011

18、度也是一个十分重要的参数，但是由于极地航道海区面积极广，航道附近冰况十分复杂，冰层厚度随季节和温度变化较大，因而暂时还无法得到详细的度数据的科学研究也集中在的覆盖面积上，通过研究覆盖面积的变化，数的研究涉及到了度，但也仅限于部分海域，没有对于极地航道冰厚度的研究资料。现今测定度通常采用多点采样取平均值的方法。由于这种方法的限制，使得极地航道冰厚度的准确数据更加难以得到。综合现有数据，参国雪龙号极地船的数据采样，再通过对北极实拍冰况的分析，将该设备需要应对的极地航道冰厚度定为 1m 是比较合理的。因此本破冰装置以 1m 冰厚为基准进行相应的设计。图 9 为作为参考分析用的雪龙号实拍的北极的示例。

19、材料密度（kg/m3）900剪切模量（GPa）2.200屈服应力（Mpa）2.120弹性模量（N/m2）109塑形失效应变0.35泊松比0.33弯曲强度极限（MPa）1.130图 9雪龙号极地船拍摄的（摄于 2012 年 8 月）2.1.2 设备设计思路及原理该破冰装置以船舶为载体，动力装置为螺旋桨和，保证其能在海水中航行，同时在登上冰面之后，可以安全稳定的进行破冰作业。破冰方式为机械式破冰和化学制剂破冰相结合的新方法，在设备登上冰面并向前行进的过程中，破冰装置中部的融冰设备在冰面上切出凹槽，同时向其中注入融冰制剂，造成一定的融宽和融深。装置尾部的机械会从冰层端部，深入到冰层之下，并扣住冰层，

20、向上提拉。由于融道的作用，会在其周围造成应力集中，因而机械提供的力量可以将起始作业端部至融道间的冰层折断。随着设备的不断前行，中部的融冰设备同尾部的机械连续协同作业，可以很快开出一条冰间航道。受设备作业面宽度的限制，若需要领航的船舶型宽较大，且需要作业的冰盖宽度较大，可以使设备采取 S 型作业的方式，从冰层边缘处开始，进行 S 形行进，以较快速度开出适合被领航船舶通行的航道。设备的总布置图如图 10 所示，三维图如图 11 所示。主船体模块装载，其间设置融冰设备，尾部安装机械。图 11破冰设备三维效果图2.2 设备系统该破冰装置主要由三个模块组成，分别为主船体模块，机械设备模块，融冰设备模块。

21、2.2.1 主船体模块极地航道破冰装置的主船体部分包括船体、主机，主要起承载破冰机械设备在水中及冰面上行进的载体作用。既要求船体能够满足破冰作业时的稳性和强度需求，同时也需要限制破冰装置的总重量，保证其能够安置在商船之上，并能够被船上的吊装设备安全的吊放到海里。船舶的主尺度以及一些性能参数如表 3 所示。表 3破冰装置船体主尺度及性能参数总长 Loa(m)16.5垂线间长 Lpp(m)15型宽 B（m）4型深 D（m）1.6吃水 T（m）0.8排水量 W（t）31.1399航速 v（kn）5冰上速度 v（m/s）3.2破冰装置的总重量的组成如下表 4 所示。其中，主机的附属设备包括轴、轴承、齿

22、轮箱、的重量。其它重量包含管系、舾装、电器设备等部分机械设备的重量。表 4破冰装置的总重量组成船体呈流线型，首尾部分型线变化较大，中部为平行中体，型线变化缓和，便于装配以及化学融冰的辅助设备。船体型线图如图12-14 所示。类别重量（t）船体外板5.7首楼2机械10主机及其附属设备3.46其它4合计31.1图 15装配示意图122.2.2 机械设备模块极地航道破冰装置机械，利用了挖掘机的工作原理，重视可性与高度灵活性。机械是一种多度的工程机械。这些主要机构经常启动、制动、换向，外载变化很大，工作条件恶劣，冲击与振动多，因此对其有较高的设计要求。机械主要分为动臂、斗杆、铲板、摇杆。在斗杆与铲板上

23、分别配备斗杆缸与铲板缸，同时辅以动臂缸。极地航道破冰装置利用机械，通过在的边缘处提供向上的拉力，使冰受到弯曲作用，产生弯曲破坏，完成破冰作业。本装置可在破冰设备向前行进的过程中连续作业，类似于挖掘机的挖掘。机械的高度灵活性正是体现了极地航道破冰装置的灵活性，也为 S 形破冰方案提供了可能。机械一个作业循环的组成和动作复合主要包括提拉与卸载13。提拉过程采用铲板缸与斗杆缸及动臂缸共同进行提拉，将冰扣住并提起，使冰弯曲破坏，因此，在此过程中主要是铲板、斗杆、动臂的复合动作。卸载过程需要收起铲板并脱离已经破坏的冰进行卸载，以完成接下来的动作。通过斗杆缸调节卸载半径，然后铲板缸回缩，铲板卸载。同时，为

24、了调整卸载位置，还需要动臂缸的配合，此时是斗杆和铲板的复合动作，间以动臂动作。机械作业范围示意图可以参考类似的挖掘机的机械工作示意图，如图 16 所示。图 13机械作业范围示意图对于此破冰装置，最为重要的机械参数为机械的提拉力。提拉力指在机械提拉时，提拉力的大小与挖掘工况、工作装置姿态、系统参数和传动效率有关。提拉力可分为缸提拉力和整机理论提拉力，而提拉力的提供，则是由缸提供结合材料及破冰装置不同的动作形态，参考现有的挖掘类设备的机械的性能参数，通过提拉力的分析计算，得出该破冰设备的机械相应技术参数如表 7 所示。表 7破冰设备的机械技术参数由于机械在作业过程中，是由铲板和斗杆协同工作的，因此

25、设备的总的提拉力为铲板提拉力与斗杆提拉力的和，即 30.7t 的提拉力。而根据有限元的模拟，在 1m 冰厚的情况下，结合的边界条件，计算出在冰层边缘施加 60t 集中力造成冰层的破坏面积是比较可观的（有限元分析的结果见本文 3）。考虑到设置两个机械能够使该设备处理应对各种复杂情况时有的作业方案，如在面对厚度较小的冰层时可以只动用一个机械进行破冰作业，在面对上述 1m 左右的厚度较大的冰层时可动用两个机械共同作业。因此，在破冰设备上安装两个机械，使其相互耦合，共同完成破冰作业，是比较合适的。机械的结构图和三维效果图分别如图 14 和图 15 所示。类别数值额定功率kw70铲板提拉力t17.5斗杆

26、提拉力t13.2最大提拉高度mm10000最大卸载高度mm7035最大提拉深度mm6920最大垂直提拉深度mm6010动臂与斗杆总长mm15380动臂与斗杆材料Q550 钢动臂与斗杆总重t4.2铲板总重t0.8铲板材料结 16Mn 钢图 15 机械三维效果图2.2.3 融冰设备模块融冰设备布置在破冰装置中部，主体为滴注设备，在滴注设备前装有钢结构的底部锋利的挡板，垂向上延伸到与冰面的接触面以下。该挡板的作用是保护滴注设备，同时在破冰装置行进的同时，在冰面上留下豁口，使安装在其后的滴注设备滴注的融冰制剂完全灌注于豁口之内，有效的将融冰制剂的作用集中，降低融宽，增加融深。融冰制剂需要满足作业温度低

27、，融冰速率高，对金属腐蚀性差，对环境无污染，成本低的要求。参考文献15，选择 CMA（醋酸钙镁）型PSA 全有机融冰剂。PSA 以传统氯盐为突破口，以冰点降低理论、金属防腐理论、植物机理为依据，研究了不同氯盐的加合增效、冰点降低规律，同时兼顾了其融冰化雪时的热效应。PSA 共有三种适合于不同温度的融雪剂主物料配方，见表 8。可以根据航道上不同的环境条件选取不同的配比方案，满足作业温度对于融冰制剂的要求。表 8适用于不同温度的 PSA 主物料配方进行了融雪剂融冰速率测定。结果发现在-10下，PSA 系列的融冰速率很高，是氯化钠的 2 倍左右，是 CMA 的 3 倍左右；在-20下，PSA 系列融

28、冰速率有稍微降低，氯化钠此时几乎“失效”；在-30下，PSA 还具有较好的融冰能力；初始阶段 PSA 系列的融冰速率较大，是氯化钠 45 倍，是 CMA 的 10 倍；从融冰速率和低温下融冰效果上看，PSA 系列均优于氯化钠和 CMA，CMA 在-10融冰速率非常小了，在低于-15两者均失去了融冰能力。在金属挡板作用的豁口的集中作用和的碾压作用下，预计在几分钟的时间里便可达到 1015cm的融深，满足破冰设备对于融冰速率的需要。为降低 PSA 对于等金属设备的腐蚀，需要在 PSA 中添加一种高效缓蚀剂。以 w（PSA1）=3溶液为腐蚀液，通过三次正交实验筛选出了 PSA 系列融雪剂的高效缓蚀剂

29、（记为 H），其组成成分分别为T、磷酸二氢锌、硫脲，组成缓蚀剂 H 各物质质量关系为 m（T）m（磷酸二氢锌）m（硫脲）=612，在 PSA 系列溶液中，以 H计，质量浓度为 450mgL，即 c（H）=450mgL 时有较好的缓蚀效配方w（CaCl22H2O）w（MgCl26H2O）w（L）适用温度区间（）配方一（PSA1）70%20%10%-35，-30配方二（PSA2）50%40%10%-25，-20配方三（PSA3）30%60%10%-15，-10果。该复合缓蚀剂用量少，原料廉价，对碳钢的缓蚀率高，而且磷的含量也符合我国农田灌溉水质标准 GB 5084-92。进行了碳钢和混凝土腐蚀实验

30、。结果发现氯化钙对碳钢的腐蚀最为严重是氯化钠的 1.5 倍；氯化钠对碳钢坑蚀最为严重；添加缓蚀剂的 PSA 系列对碳钢腐蚀极小，均不到氯化钠的 50，比纯水的腐蚀性还低。进行了融雪剂冰点下降测试、值测试和植物耐盐实验。结果发现 PSA 系列冰点均在-30以下，值均在 69 之间，耐盐量均在 150gm2 以上，符合环保标准。综上，PSA 系列融雪剂既保留了传统融雪剂的优点，原料廉价易得，冰点低；兼有 CMA 的优点，对钢铁几乎无腐蚀，环境友好，可有效辅助机械破冰。3. 工作原理及性能分析说明极地破冰设备的工作原理时，以破冰装置的设计极限度 1m 为例。挂载破冰装置的商船在极地航线上遇见冰情之后

31、，可利用其上的吊装设备将破冰装置放入海里，之后破冰装置开动主机，在螺旋桨的推进下驶向需要作业的。该情况的三维模拟图如图 16 所示。图 16破冰装置下海航行三维模拟图当破冰装置驶近后，向位于船体尾部的压载水舱注入压载水。密度为 900kg/3,此处以为浮冰的情况作为研究对象，取海水密度为 1025 kg/3,由定律计算得水上厚度为0.12m，水下厚度为 0.88m。由的布置位置及破冰装置吃水状况得出该装置上冰的纵倾角度至少为4。破冰装置漂心 =-0.972m，压载水舱中心距离破冰装置漂心为 5m，由尾倾角计算公式：( )tan =(其中为注入的压载水的重量，x 为压载水的重心位置，为漂心位置，

32、为纵稳性高，其计算过程参见 4.1)可求出在尾倾角为4的情况下需要压载水重为 10.5t。当向尾部压载中注入 10.5t 的压载水时，破冰装置可驶上冰面。该情况的三维模拟图如图 17 所示。图 17破冰装置上冰三维模拟图当破冰装置驶上冰面时，融冰设备便可开始工作，在中部挡板留下的豁口中注入融冰制剂。同时，当船体完全驶上冰面，停留在冰层端部时，机械便可海水中，向上提拉冰面的端部，开始作业。随着冰面被提起，破冰设备在驱动下缓缓前进，融冰设备同机械协同工作，直至一条可供所属船只通行的航道。该情况的三维模拟图如图 18 所示。图 18破冰设备破冰三维模拟图破冰效果可由有限元方法分析。在研究载荷方面,应

33、用最广泛的有限元方法是将冰作为浮在海水上的半无限大的平板，将海水的浮力作为弹性地基。此处做保守的校核，认为破冰设备需要在 1m 厚的无限大冰盖前为后面的船只开辟一条安全的航道。以体单元为基本元素创建冰层模型。设定该模型密度，泊松比，弹性模量如表 2 所示，长宽高分别为 20m*20m*1m，将其看作无限大冰面上的一部分，因为周围的冰对其有约束作用，因而将约束条件定为四端刚固。在其上正中位置相隔 4m 利用布尔运算创建出 2 个凹槽， 尺寸为15m*0.1m*0.1m，将其看作船体中部融冰设备融开的凹槽。在模型上加载载荷。端部自下向上加载由机械产生的提拉力，在距离端部5m 处，即机械加载力的位置

34、同最末端接地位置的距离处，加载由设备总重量和提拉的反作用力共同的自上向下加载的均的接地面积。加载之后，对其求解，依据 von-不力，作用面积同mises 应力，即第四强度理论的等效应力测定冰层断裂程度。单机械作业，即端部加载的提拉力为 30t 时的有限元计算结果如图 19 所示。图 19单机械作业有限元模型双机械协同作业，即端部加载的提拉力为 60t 时的有限元计算结果如图 20 所示。图 20 双机械作业有限元模型注：图 19 和图 20 中数据的均为 MPa由表 2 知冰层的弯曲强度为 1.13MPa。比较两图的结果，可以看出，图 19 中的冰面断裂部分面积为 1m*3m，图 20 中的冰

35、面断裂部分面积为 3m*16m。所以两个机械协同作用下的破冰面积是十分可观的，破冰设备的作业速度也会因此加快，可以更快的打开一条冰间航道，让后面的船舶等待较短的时间即可通行。由此也可以得到2.2.2 中设计两个机械的原因。由于实际情况中，冰是各向异性介质，并非均匀材质，同时因为浮力向上作用，会与提拉力共同作用产生更好的效果，因此上述有限元模型的计算是偏于保守的，实际效果应当比模拟的效果更好。4安全性校核4.1 破冰装置浮态及稳性分析破冰装置上的设备以及船体均为对称布置，因而静浮状态下不会产生横倾。在此主要校核纵倾的状况。船体吃水为 0.8m，此时求得的浮心纵向坐标为-0.572（纵向相对于船中

36、，下同），浮心垂向坐标为0.478（垂向相对于龙骨，下同）。由下式到纵稳性高：= 其中，为纵稳性高，为纵稳心半径，为水线面面积对于横向中心轴线（在船中位置）的纵向惯性矩，为排水体积。且求得 =737.57 4， = 30.15m3 。 带 入 公 式 中 得 到 =24.46m。假设船的重心原本位于漂心垂直线上，后移动到现有位置：即纵向坐标变为-1.413m。故由下式得到破冰装置纵倾角的正切值：(21)Tan =其中，2为装置重心纵向坐标，1为装置浮心纵向坐标，得 Tan =0.034。即破冰装置在静水中正浮状态下倾角 = 1.9，为尾倾。此状态下整个破冰装置尾部吃水高于首部吃水，船首，便于船舶上冰作业。同理，由以下公式到横稳性高： =GM = BM + KG K