体的重屯、向尾部偏移，运时船体重屯、设为G2。冰 层厚度为H，破冰船的储水舱尺寸为BiXLiX化，储水舱个数为2Z个，前后储水舱的距离为 AXi，船体重屯、G1距冰层接触点的距离为1。
[003引则船体重屯、G1至G2移动的距离为：
[0039]
[0040] 式中，P= 1. 025Xl〇3kg/m3
[00川则整船的力矩平衡方程；（1+A讶XG-FX1 = 0
[0042] G = Fb
[0043] 对W上两式求解可得：
[004引其中，k为比例系数
其反映了擦冰式破冰船所能产生的破 冰力大小与船舶重力大小的关系。
[0047] 本发明破冰船腊形状通过W下方式设计：
[0048] 1.破冰船的首部形状通常考虑四个基本设计特征（见图2-图4):
[0049] 第一外倾角5,影响破冰船的下浸性能，该第一外倾角是艇侧与船体中纵剖面之间 的夹角形成的夹角；第二外倾角6,影响排冰效能，该第二外倾角是船体中纵剖面船腊切线 与设计水线面形成的夹角；水线角7,影响破冰和下浸效能，该水线角7是船腊切线与船体 中纵剖面形成的夹角；前体形状又与排冰效能相联系。
[0050] 新型船腊的破冰船采用凹形腊柱，接近船紳部采用较大外倾角，水线角7大致在 10° -15°，底部前伸较大。运样使得新型破冰船腊部结构可W较容易地深入冰层W下，从 而达到擦冰的目的。另外，较大外倾角的设置则可W提高排冰效能。
[0051] 2.船紳的第一外倾角5的设计：
[0052] 在横剖面上，船体艇侧的冰层作用点处有冰对船体的压力，认为船体重力全部由 浮力提供，故该合压力P沿水平方向作用于船体。
[0053] 将压力P分解为垂直于船艇的力R和相切于船艇的力F，合力P与R之间的夹角 a等于船艇对竖直线的倾斜角，则由力R产生的冰对船艇的摩擦力与由F产生的运动趋势 方向相反，设该摩擦力为Q，等于力R乘W摩擦系数，即Q= yR，其中y =0.2。
[0054] Q与F共线且方向相反。如果Q比F小，则船相对向下移动，冰向上移动，相当于向 外倾斜的艇侧把压在船身上的冰推到水里去。运时，冰就沿着船艇滑动，在水平方向上远离 船体，并不损坏船；反之，如果Q比F大，船身相对向上移动，冰向下移动，冰块越来越靠近船 体，长期W往会将船艇压坏。
[00巧]为了保证船在冰块中间安全航行，则需满足：
[0056] Q < F
[0057] 旨P a > arctan ( y )
[0058] 将y = 0. 2代入上式，求得外倾角5的角度a〉ir。
[0059] 故在设计本破冰船时，应将其艇侧与竖直线之间的夹角即外倾角5的角度a设置 为ir W上，W降低冰层对船体艇侧的损坏。
[0060] 3.船紳的第二外倾角6的设计：
[0061] 在设计水线附近，第二外倾角6在65°左右。随吃水增加，第二外倾角6逐渐减小 至30。左右。
[0062] 4.船紳的水线角7的设计：
[0063] 水线角7约为20。。
[0064] 本发明提供的破冰船可W实现"擦冰式"破冰：通过调节船体的压载水分布，使船 腊提高自下而上的辅助船舶动力装置进行破冰的方式，即为"擦冰式"。
[0065] 本发明提供的擦冰式破冰船，其工作过程如下：
[0066] 正常航行状态，首部锥型结构物可伸入冰层W下。
[0067] 采用连续式破冰方法时，船腊4伸到水下，船舶前行，依靠船舶前进的推力和特殊 船腊结构4自然产生的上翅力将冰擦碎，推进力由尾部螺旋奖推进器3提供。此时的船体 呈小角度腊倾。
[0068] 采用反复式擦冰方式时，特殊船腊结构4伸入冰层底部，通过船上的压载水系统， 使压载水的的分布发生很大变化，从而使得船舶整体的重屯、后移。在中纵剖面上，产生使 船腊上翅的力矩，水下锥形破冰结构从冰层底部产生向上位移，对冰层造成沿竖直方向的 冲击。同时，动力推进下前进的船体，其锥形破冰结构产生向前位移，对冰层造成沿船长方 向的冲击。两个方向的共同作用，实现"擦冰式"破冰的过程。
【主权项】
1. 一种破冰船，包括船体，其特征是一种撬冰式破冰船，其船体的首部是具有锥型型线 的船艏（4)，该船艏的内部设有与之焊接相连的中间肋骨和抗冰纵横结构，船体的舷侧具有 大外飘角的结构。2. 根据权利要求1所述的破冰船，其特征在于该破冰船采用凹形艏柱，接近船舯部采 用较大外倾角。3. 根据权利要求1所述的破冰船，其特征在于所述大外飘角包括第一外倾角（5)、第二 外倾角（6)、水线角（7)，它们分别是影响破冰船的下浸性能、影响排冰效能影响破冰和下 浸效能。4. 根据权利要求3所述的破冰船，其特征在于所述第一外倾角（5)是指舷侧与船体中 纵剖面之间的夹角，该夹角的角度设置为多11°。5. 根据权利要求3所述的破冰船，其特征在于所述第二外倾角（6)是指船体中纵剖面 船艏切线与设计水线面形成的夹角，该夹角的角度设置为30° - 65°。6. 根据权利要求3所述的破冰船，其特征在于所述水线角（7)是指船艏切线与船体中 纵剖面形成的夹角，该夹角的角度设置为10° - 20°。7. 权利要求1至6中任一权利要求所述破冰船的应用，其特征是在无需克服水给冰的 浮力、具有自下向上辅助破冰力的破冰方式中的应用。8. 根据权利要求7所述的应用，其特征在于破冰时，该船体的首部伸入冰层以下，在冰 层较薄处使用"连续式"破冰方法，在冰层较厚处使用"反复撬冰式"破冰方法。9. 根据权利要求8所述的应用，其特征在于所述"连续式"破冰方法具体为：将船艏 (4)伸入冰层以下，微调船体的压载水舱，使船舶重心后移，船艏产生作用于冰层向上的力， 结合船舶的推进力实现"撬冰式"破冰。10. 根据权利要求8所述的应用，其特征是在冰层较厚处，即破冰船不能按照"连续式" 破冰方法破冰前进时，使用"反复撬冰式"破冰方法，该方法具体为：将船艏（4)伸入冰层以 下，大幅度调节压载水舱，在船舶安全、性能允许范围内加大船舶重心后移程度，使船艏作 用于冰层向上的力增大，结合船舶的推进力进行破冰，若冰层仍未破碎，调节压载水舱，使 船舶重心前移，重复以上过程直至冰层破碎。
【专利摘要】本发明公开了一种撬冰式破冰船，其船体的首部是具有锥型型线的船艏(4)，该船艏的内部设有与之焊接相连的中间肋骨和抗冰纵横结构，船体的舷侧具有大外飘角的结构；该破冰船在无需克服水给冰的浮力、具有自下向上辅助破冰力的破冰方式中的应用。本发明采用自下而上的破冰方式，无需克服水对冰层的浮力，较现有破冰方式省力；减小了冰对航行的阻力，提高了破冰效率。
【IPC分类】B63B3/14, B63B35/08, B63B3/46
【公开号】CN105173017
【申请号】
【发明人】朱凌, 卓思雨, 黄炜祥, 马栋梁, 邱晓明, 何旭, 韩尚臻
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年6月19日