Λυγισμένα αλλά όχι σπασμένα: Ελαφρύτερα παγοθραυστικά

Απόδοση του Canadian Polar Icebreaker, ενός από τα πιο πρόσφατα σκάφη αναφοράς της Aker Arctic. Τα μη γραμμικά εργαλεία FEM της εταιρείας κατέστησαν δυνατή τη χρήση κοινώς διαθέσιμου χάλυβα υψηλής αντοχής. Ευγενική προσφορά εικόνας από την Aker Arctic.

Αφού ανέπτυξε την τεχνική πριν από περίπου πέντε χρόνια, η Aker Arctic έχει πλέον ολοκληρώσει την έρευνα που απαιτείται για να γίνει δεκτή η νέα της μεθοδολογία σχεδιασμού για τα κύτη παγοθραυστικών στους Φινλανδο-Σουηδικούς Κανόνες Κλάσης Πάγου. Η μέθοδος έχει επίσης υιοθετηθεί στους κανόνες Polar Class αρκετών Ενώσεων Κλάσης (LR, ABS, DNV).

Παρόλο που η έρευνα επικεντρώθηκε σε πλοία που συνήθως πλέουν στη Βαλτική Θάλασσα, η Aker Arctic έχει επίσης χρησιμοποιήσει τη μεθοδολογία σε πολλά από τα πρόσφατα σχέδια νεότευκτων πλοίων της, συμπεριλαμβανομένου, για παράδειγμα, του νέου παγοθραυστικού του Καναδά, το οποίο βρίσκεται υπό κατασκευή. Η καινοτομία δεν αφορά συγκεκριμένη περιοχή ή φορτίο πάγου, αλλά επεκτείνει την μοντελοποίηση χαλύβδινων πλακών και ενισχύσεων, όπως τα πλαίσια ιστού, πέρα από τις ελαστικές ιδιότητες που βοηθούν στην πρόληψη της εσοχής, ώστε να συμπεριλάβει και την πλαστικότητα που διασφαλίζει ότι δεν θα σπάσουν μετά την παραμόρφωση.

Συνήθως, οι μαθηματικοί τύποι ή οι άμεσοι γραμμικοί υπολογισμοί που γίνονται με ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEM) έχουν λάβει υπόψη μόνο την ελαστική συμπεριφορά, με την πλαστικότητα του χάλυβα πέρα από το όριο διαρροής να θεωρείται ότι ακολουθεί την ίδια γραμμική σχέση. Η ελαστική συμπεριφορά είναι αρκετά γραμμική στη φύση της - όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση, τόσο βαθύτερο είναι το βαθούλωμα - αλλά η πλαστικότητα δεν είναι, επομένως η πρόβλεψη της δομικής αστοχίας με βάση τη γραμμική ανάλυση περιλαμβάνει τη διατύπωση υποθέσεων. Τα ακριβή περιθώρια ασφαλείας είναι άγνωστα.

Μια εικόνα που απεικονίζει τα αποτελέσματα μη γραμμικής ανάλυσης FEM.
Ευγενική προσφορά εικόνας από το Aker Arctic «Με μη τεχνικούς όρους, υπολογίζουμε πόσο είναι το βαθούλωμα μετά από μια πρόσκρουση με πάγο και προσδιορίζουμε αν μπορούμε να το δεχτούμε αυτό;» λέει ο Juuso Lindroos, επικεφαλής ομάδας δομικού σχεδιασμού στην Aker Arctic. «Αυτό μας επιτρέπει να στοχεύσουμε τι χρειάζεται ενίσχυση και τι όχι. Μπορούμε να εντοπίσουμε τα πιο αδύναμα σημεία της δομής και να βελτιστοποιήσουμε την ικανότητα του χάλυβα σε αυτό το σημείο, ώστε να διασφαλίσουμε ότι μια μόνιμη παραμόρφωση εξακολουθεί να είναι ασφαλής - εντός του ορίου πλαστικότητάς της και εξακολουθεί να είναι ασφαλής».

Αυτό επιτρέπει στους σχεδιαστές να κάνουν τη δομή του κύτους απλούστερη, με λιγότερες βάσεις και με σημαντική μείωση των γωνιών των κύριων δομών, μειώνοντας το βάρος του χάλυβα του σκάφους. Τα παγοθραυστικά είναι επομένως απλούστερα στο σχεδιασμό και στην κατασκευή.
Η Aker Arctic διαπίστωσε ότι είναι δυνατό να επιτευχθεί εξοικονόμηση βάρους χάλυβα από 100 έως 300 τόνους σε ένα τυπικό παγοθραυστικό. Το πλοίο μπορεί να μεταφέρει περισσότερα καύσιμα ή φορτίο ή ένα μικρότερο σκάφος μπορεί να σχεδιαστεί με μικρότερο βύθισμα για περιοχές με ρηχά νερά. Και καθώς η παραγωγή χάλυβα εκπέμπει μεγάλες ποσότητες CO2, υπάρχουν και περιβαλλοντικά οφέλη.

Ο Lindroos λέει ότι η ώθηση για την ανάπτυξη της νέας μεθοδολογίας προήλθε από την εμπειρία στην κατασκευή παγοθραυστικών που πληρούν τις απαιτήσεις της Polar Class. Όταν θεσπίστηκαν οι κανόνες της Polar Class το 2006, οδήγησαν σε υπερβολικά βαριά πρωτεύοντα στοιχεία μεταφοράς φορτίου σε σύγκριση με τις δομές του κελύφους και του πλαισίου, παρόλο που τα παλαιότερα πλοία που κατασκευάστηκαν πριν από τον Κώδικα είχαν αποδεδειγμένο ιστορικό ασφάλειας.

Ο μηχανικός κατασκευών Ville Valtonen από την Aker Arctic ηγήθηκε μιας ομάδας που διερεύνησε το ζήτημα, στην οποία συμμετείχαν ο Rob Hindley από την Aker Arctic και ο James Bond από την ABS. Δημοσίευσαν την έρευνά τους στο επιστημονικό περιοδικό Marine Structures το 2020. Αυτή τεκμηρίωσε τη νέα, ισχυρή μεθοδολογία αξιολόγησης και τα κριτήρια αποδοχής τους χρησιμοποιώντας FEM και απέδειξε ότι μια μη γραμμική ανάλυση παρέχει καλύτερη εικόνα για τη συμπεριφορά των δομών του κύτους. Θα μπορούσαν να σχεδιαστούν στοχευμένες λύσεις για την ενίσχυση της δομής αντί της προσθήκης περιττού χάλυβα για την ικανοποίηση απλών, περιοριστικών τύπων.

Ενώ οι γραμμικές μέθοδοι FEM είναι απλές και χρησιμοποιούνται ευρέως, δεν μπορούν να προβλέψουν τι συμβαίνει πέρα από την διαρροή, συμπεριλαμβανομένης της συμπεριφοράς μετά την κάμψη και εάν η λειτουργία αστοχίας θα είναι σταδιακή ή αιφνίδια. Η μη γραμμική μέθοδος μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια αυτή τη συμπεριφορά, αλλά απαιτεί περισσότερες παραμέτρους και τύπους για την μοντελοποίηση υλικών.

Μόνιμη παραμόρφωση μιας κατασκευής μετά την εφαρμογή και την αφαίρεση του φορτίου σχεδιασμού.
Ευγενική προσφορά εικόνας Aker Arctic

Είναι μια πιο επίπονη διαδικασία από τη γραμμική ελαστική ανάλυση, αλλά η εξοικονόμηση κόστους και άλλα οφέλη, όπως η ευκολότερη επισκευή, αντισταθμίζουν την επιπλέον εργασία, λέει ο Lindroos, ιδιαίτερα για σκάφη υψηλής κατηγορίας πάγου.

Η Aker Arctic έχει συγκρίνει τα αποτελέσματα από τους μη γραμμικούς υπολογισμούς με περιπτώσεις πραγματικής ζημιάς από πάγο. Τα υπολογισμένα φορτία αστοχίας και ο τρόπος με τον οποίο μια κατασκευή αστοχεί ευθυγραμμίζονται πολύ στενά με την παρατηρούμενη ζημιά, δίνοντας εμπιστοσύνη στην ακρίβεια και την αξιοπιστία της μεθόδου. «Δεν χάνουμε τίποτα από άποψη ασφάλειας. Έχοντας μεγαλύτερη εμπιστοσύνη στη μοντελοποίηση αστοχιών σημαίνει ότι μπορούμε να μετριάσουμε τους κινδύνους».

Είναι γενικά αποδεκτό ότι η μικρή τοπική εσοχή της επένδυσης του κελύφους είναι αποδεκτή, εφόσον υπάρχει επαρκές περιθώριο έναντι άλλων πιο σοβαρών τρόπων αστοχίας, όπως η ρήξη ή η κάμψη των δομών πλάκας. Μια ακριβής αξιολόγηση της κατασκευής τόσο πριν όσο και μετά την διαρροή επιτρέπει την άμεση σύνδεση μεταξύ των κριτηρίων ανάλυσης και του επιθυμητού αποτελέσματος, το οποίο είναι ότι οι μόνιμες παραμορφώσεις από την πλοήγηση στον πάγο σε κανονική λειτουργία παραμένουν μικρές και ότι η κατασκευή έχει επαρκή εφεδρική χωρητικότητα για την εξασφάλιση ασφαλούς συμπεριφοράς σε σενάρια τυχαίας υπερφόρτωσης.

Το πρώτο έργο πλοίου που αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας τη νέα μεθοδολογία ήταν το παγοθραυστικό συνοδείας Aker ARC 130 S Baltic Sea για τη Σουηδική Ναυτιλιακή Διοίκηση. Το Lloyd's Register αξιολόγησε και ενέκρινε τη μεθοδολογία σε αυτήν την περίπτωση. Η διαδικασία σύναψης συμβάσεων βρίσκεται σε εξέλιξη.

Το καναδικό Polar Icebreaker είναι ένα από τα πιο πρόσφατα σημεία αναφοράς της Aker Arctic. Τα μη γραμμικά εργαλεία FEM της Aker Arctic κατέστησαν δυνατή τη χρήση κοινώς διαθέσιμου χάλυβα υψηλής αντοχής. Χωρίς την εξοικονόμηση, θα χρειαζόταν η χρήση επιπλέον χάλυβα υψηλής αντοχής, ο οποίος είναι πιο δύσκολο να αποκτηθεί και να συγκολληθεί. Με μήκος 158 μέτρα και πλάτος 28 μέτρα, το σκάφος Polar Class 2 έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί αυτόνομα στην υψηλή Αρκτική όλο το χρόνο. Θα μπορεί να λειτουργεί βορειότερα, σε πιο δύσκολες συνθήκες πάγου και για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα από οποιοδήποτε άλλο παγοθραυστικό στον Καναδά μέχρι σήμερα.

Εν τω μεταξύ, συντάχθηκε ένα νέο προσχέδιο φινλανδο-σουηδικού κανόνα με βάση τα ευρήματα της έρευνας Aker Arctic και κυκλοφόρησε μεταξύ των νηογνωμόνων και της Επιτροπής Κύτους της Διεθνούς Ένωσης Νηογνωμόνων. Μετά την παραλαβή σχολίων, ο κανόνας οριστικοποιήθηκε και αναμένεται να υιοθετηθεί στην επόμενη έκδοση των φινλανδο-σουηδικών κανόνων κλάσης πάγου ως εναλλακτική λύση στην τρέχουσα κανονιστική μέθοδο.

Με την ολοκλήρωση αυτής της εργασίας, η Aker Arctic συνεχίζει την έρευνά της. Φέτος, η Valtonen δημοσίευσε μια άλλη μελέτη χρησιμοποιώντας τη μη γραμμική μεθοδολογία για να εξετάσει πώς το σχήμα του κύτους επηρεάζει τα φορτία πάγου. Το σχήμα του κύτους είναι σημαντικό στοιχείο για τα παγοθραυστικά, καθώς η τελική δύναμη θραύσης του πάγου εξαρτάται από το σχήμα του κύτους στο σημείο επαφής. Η μελέτη βελτίωσε τον σχεδιασμό των φορτίων πάγου για τη βελτιστοποίηση της δομής του κύτους, την αύξηση της χωρητικότητας φορτίου και τη μείωση του κόστους. Αναμένεται να βελτιώσει τα πρότυπα σχεδιασμού παγοθραυστικών πλοίων, συμπεριλαμβανομένων των κανόνων Polar Class και των Φινλανδο-Σουηδικών Κανόνων Ice Class.

Απόδοση του νέου σχεδιασμού σουηδικού παγοθραυστικού για το οποίο η Aker Arctic παρείχε μη γραμμική ανάλυση FEM.
Ευγενική προσφορά εικόνας Aker Arctic