منحنية ولكن غير مكسورة: كاسحات الجليد الأخف

رسم تخطيطي لكاسحة الجليد القطبية الكندية، إحدى أحدث مراجع شركة أكر أركتيك. أتاحت أدوات FEM غير الخطية من الشركة استخدام فولاذ عالي القوة متوفر بكثرة. الصورة مقدمة من أكر أركتيك.

بعد تطوير هذه التقنية قبل نحو خمس سنوات، أكملت شركة Aker Arctic البحث اللازم لقبول منهجيتها الجديدة لتصميم هياكل كاسحات الجليد في قواعد فئة الجليد الفنلندية-السويدية. كما تم اعتماد هذه الطريقة في قواعد فئة القطب الشمالي للعديد من جمعيات التصنيف (LR، ABS، DNV).

على الرغم من أن البحث ركّز على السفن التي تُبحر عادةً في بحر البلطيق، فقد استخدمت شركة "أكر أركتيك" هذه المنهجية في العديد من تصاميمها الحديثة للسفن الجديدة، بما في ذلك، على سبيل المثال، كاسحة الجليد الكندية الجديدة التي لا تزال قيد الإنشاء. لا يقتصر هذا الابتكار على منطقة أو حمولة جليدية محددة، بل يمتدّ ليشمل نمذجة الصفائح الفولاذية والتعزيزات، مثل إطارات الشبكة، بما يتجاوز خصائص المرونة التي تساعد على منع الانبعاج، ليشمل أيضًا اللدونة التي تضمن عدم تكسرها بعد التشوه.

عادةً ما تُراعي الصيغ الرياضية أو الحسابات الخطية المباشرة المُجراة باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEM) السلوك المرن فقط، مع افتراض أن لدونة الفولاذ بعد نقطة الخضوع تتبع نفس العلاقة الخطية. السلوك المرن خطيٌّ إلى حدٍّ كبير - فكلما زاد الضغط، زاد عمق الانبعاج - لكن اللدونة ليست كذلك، لذا فإن التنبؤ بالفشل الهيكلي بناءً على التحليل الخطي يتطلب وضع افتراضات. هوامش الأمان الدقيقة غير معروفة.

صورة توضح نتائج تحليل العناصر المحدودة غير الخطية.
الصورة مقدمة من شركة أكر أركتيك . يقول جوسو ليندروس، قائد فريق التصميم الإنشائي في شركة أكر أركتيك: "بمعنى آخر، نحسب مقدار الانبعاج بعد الاصطدام بالجليد، ونقرر إن كان هذا مقبولًا". ويضيف: "هذا يسمح لنا بتحديد ما يحتاج إلى تقوية وما لا يحتاج إليها. يمكننا تحديد أضعف أجزاء الهيكل بدقة، وتحسين قدرة الفولاذ عند تلك النقطة لضمان استمرار التشوه الدائم، ضمن حدود مرونة الهيكل، مع الحفاظ على سلامته".

يُمكّن هذا المصممين من تبسيط هيكل الهيكل، باستخدام عدد أقل من الأقواس، مع تقليل كبير في هياكل الهياكل الأساسية، مما يُخفّض وزن السفينة الفولاذي. وبالتالي، تُصبح كاسحات الجليد أبسط تصميمًا وتركيبًا.
وجدت شركة Aker Arctic أنه من الممكن تحقيق وفورات في وزن الفولاذ تتراوح بين 100 و300 طن في كاسحة جليد نموذجية. تستطيع السفينة حمل المزيد من الوقود أو البضائع، أو يمكن تصميم سفينة أصغر غاطسًا أقل للمناطق الضحلة. ونظرًا لأن إنتاج الفولاذ ينبعث منه كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، فإن له فوائد بيئية أيضًا.

يقول ليندروس إن الدافع لتطوير المنهجية الجديدة جاء بعد خبرته في بناء كاسحات الجليد التي تلبي متطلبات فئة بولار. عندما وُضعت قواعد فئة بولار عام ٢٠٠٦، أدت إلى ثقل مفرط في عناصر حمل الحمولة الأساسية مقارنةً بهياكل الهيكل والهيكل، على الرغم من أن السفن القديمة التي بُنيت قبل المدونة كانت تتمتع بسجل سلامة مُثبت.

قاد مهندس الإنشاءات فيل فالتونين من شركة أكر أركتيك فريقًا بحثيًا في هذه القضية، ضمّ روب هيندلي من شركة أكر أركتيك وجيمس بوند من ABS. نشر الفريق بحثهم في المجلة العلمية "مارين ستركشرز" عام ٢٠٢٠. وثّق هذا البحث منهجية التقييم الجديدة والمتينة ومعايير القبول باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM)، وأثبت أن التحليل غير الخطي يُتيح فهمًا أعمق لسلوك هياكل الهياكل. ويمكن تصميم حلول مُستهدفة لتقوية الهيكل بدلًا من إضافة فولاذ غير ضروري لتلبية الصيغ البسيطة والمُقيدة.

رغم أن أساليب FEM الخطية بسيطة وواسعة الانتشار، إلا أنها لا تستطيع التنبؤ بما يحدث بعد مرحلة الخضوع، بما في ذلك سلوك ما بعد الانبعاج، وما إذا كان نمط الفشل تدريجيًا أم مفاجئًا. أما الطريقة غير الخطية، فتستطيع التنبؤ بهذا السلوك بدقة، لكنها تتطلب المزيد من المعلمات والصيغ لنمذجة المواد.

تشوه دائم للهيكل بعد تطبيق الحمل التصميمي وإزالته.
الصورة مقدمة من شركة Aker Arctic

إنها عملية أكثر صعوبة من التحليل المرن الخطي، ولكن توفير التكاليف والفوائد الأخرى، مثل سهولة الإصلاح، تعوض عن العمل الإضافي، كما يقول ليندروس، وخاصة بالنسبة للسفن من فئة الجليد العالي.

قارنت شركة أكر أركتيك نتائج الحسابات غير الخطية بحالات تلف جليدية حقيقية. تتوافق أحمال الفشل المحسوبة وطريقة فشل الهيكل بشكل وثيق مع الضرر المرصود، مما يعزز الثقة في دقة وموثوقية الطريقة. "لا نخسر شيئًا من منظور السلامة. فزيادة الثقة في نمذجة الفشل تعني أننا نستطيع التخفيف من المخاطر."

من المقبول عمومًا حدوث انبعاجات موضعية طفيفة في صفائح الغلاف، طالما كان هناك هامش كافٍ لتجنب حالات فشل أخرى أشد خطورة، مثل تمزق أو انبعاج هياكل الصفائح. يتيح التقييم الدقيق للهيكل، قبل الانحناء وبعده، الربط المباشر بين معايير التحليل والنتيجة المرجوة، وهي أن تظل التشوهات الدائمة الناتجة عن الملاحة الجليدية في الخدمة العادية ضئيلة، وأن يتمتع الهيكل بسعة احتياطية كافية لضمان سلامة الحركة في حالات التحميل الزائد العرضي.

كان أول مشروع سفينة طُوِّر باستخدام المنهجية الجديدة هو كاسحة الجليد Aker ARC 130 S لمرافقة بحر البلطيق لصالح الإدارة البحرية السويدية. وقد قامت لويدز ريجستر بتقييم المنهجية واعتمادها في هذه الحالة. ولا تزال عملية الشراء جارية.

كاسحة الجليد القطبية الكندية هي إحدى أحدث مراجع شركة أكر أركتيك. أتاحت أدوات FEM غير الخطية من أكر أركتيك استخدام فولاذ عالي القوة متوفر بكثرة. لولا هذه الوفورات، لاستلزم الأمر استخدام فولاذ عالي القوة إضافي، وهو ما يصعب الحصول عليه ولحمه. يبلغ طول سفينة بولار كلاس 2 158 مترًا وعرضها 28 مترًا، وهي مصممة للعمل باستقلالية تامة في أعالي القطب الشمالي على مدار العام. ستتمكن من العمل شمالًا، في ظروف جليدية أكثر صعوبة، ولمدة أطول من أي كاسحة جليد في كندا حتى الآن.

في غضون ذلك، وُضعت مسودة جديدة لقاعدة فنلندية-سويدية بناءً على نتائج أبحاث آكر في القطب الشمالي، ووُزِّعت على هيئات التصنيف ولجنة الهياكل التابعة للرابطة الدولية لهيئات التصنيف. بعد تلقي التعليقات، وُضعت القاعدة في صيغتها النهائية، ومن المتوقع اعتمادها في النسخة التالية من قواعد تصنيف الجليد الفنلندية-السويدية كبديل للمنهجية الإلزامية الحالية.

بعد إنجاز هذا العمل، تواصل شركة أكر أركتيك أبحاثها. هذا العام، نشر فالتونين دراسة أخرى باستخدام المنهجية غير الخطية لدراسة كيفية تأثير شكل الهيكل على أحمال الجليد. يُعد شكل الهيكل عاملاً مهمًا في كاسحات الجليد، حيث تعتمد القوة القصوى لكسر الجليد على شكل الهيكل عند نقطة الالتماس. وقد حسّنت الدراسة أحمال الجليد التصميمية لتحسين هيكل الهيكل، وزيادة سعة الحمولة، وخفض التكاليف. ومن المتوقع أن تُحسّن معايير تصميم سفن كاسحة الجليد، بما في ذلك قواعد فئة بولار وقواعد فئة الجليد الفنلندية السويدية.

تصور لتصميم كاسحة الجليد السويدية الجديدة التي قدمت لها شركة Aker Arctic تحليل FEM غير الخطي.
الصورة مقدمة من شركة Aker Arctic