氷中旋回時に船体に働く氷荷重

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かずまさとみもと
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1 模型実験による氷荷重の船体周り分布の計測 ( その 2) 海洋開発研究領域 * 若生大輔泉山耕宇都正太郎金田成雄下田春人瀧本忠教 1. はじめにオホーツク海は冬季には海氷に覆われる氷海域である今後サハリンの資源開発にともない冬季オホーツク海の氷海域における海上交通の急激な増加が予想される氷海域を航行する船舶には通常海域を航行する船舶に対するものとは大きく異なる要求が課せられる氷中船舶の安全を担保する最も基本的要件は船体構造である氷中船舶には氷との接触による氷荷重が発生しこれに耐え得る船体構造が要求されるしかし氷荷重の挙動については未解明な部分が多い特に船体周りの氷荷重の分布は Area Factor といった形で砕耐氷構造ルールに取り入れられてはいるもののその合理的な解釈が充分に為されているとは言い難い著者らは昨年の本講演会において模型実験による船体氷荷重の分布の計測結果について報告したこの実験に引き続き同様の模型実験を実施したのでここにその結果を報告する 2. 実験今回の実験も基本的には昨年度に報告した実験と同様のものである従ってここでは前回と同じ点については割愛するか要点を述べるにとどめ本年度に新たに行った点を中心に説明する昨年との重複となる点については昨年の報告を参照されたい [1] 1 模型船昨年度の実験では砕氷型巡視船の模型を用いた実験を行ったが本年度はこれに加えて氷中可航型の商船の模型に対しても実験を実施した砕氷巡視船模型は縮尺比 1:16 でPOD 型推進器搭載模型である商船模型は縮尺比 1:36 で長い平行部を持つ一軸一舵の船型である両船の計画喫水における水線形状を図 1に示すまた供使模型船の主要目を表 1に示すなお図 1の破線は Finish-Swedish Ice Class Rulesの規定に定められる船首中央部船尾の境界線である S.S No. 図 Icebreaher Cargo Vessel Y/Lpp 水線形状の比較 2 圧力センサーシート本研究で使用した圧力計測システムは前回も使用したシステムで Tekscan 社製の I-SCAN である船体に貼り付けたセンサーシートは厚さ.3 mm のフレキシブルなシートであり 21 mm 四方の感圧面内に44 行 44 列に感圧スポットが配置されている

2 3 試験手法試験は旋回試験を除き昨年度実施した試験と同一の手法で実施した詳しい試験手法については昨年の報告を参照されたい本年度は氷中可航型の商船を用いた試験を新たに行ったが旋回試験の手法は砕氷巡視船と商船の場合で若干異なる砕氷巡視船は斜めに航走をスタートさせ模型船の速度が一定なった所で合図と共に POD を所定の角度まで旋回させた商船模型は舵が固定式のため POD のように航走開始後に旋回させることが出来ないそのため航走前に所定の舵角に設定しておき速度が一定になるまで模型船を保持し船首方位角を一定に保つ合図と共に模型船をリリースした 4 実験条件実験条件を表 2に示す実験番号は砕氷巡視船模型は商船模型を使用したまたポッド角および舵角は-が左旋回 +が右旋回となる方向にポッドおよび舵を回転させた実験番号は S 字旋回試験とし左右に旋回を行った表 1 模型船主要目模型船砕氷巡視船商船垂線間長 m 型幅.875 m.667 計画喫水.25 m.222 排水量.527 m 表 2 実験条件実験番号氷厚回転数ポッド角 mm rps deg ± ± 計測結果および考察 1 模型船の運動模型船の航跡は計測と計算からの両方から求めた詳細手法については昨年の報告を参照されたい図 2に計測と計算より求めた航跡の一例を示すこれは実験番号 434 砕氷巡視船模型のS 字旋回試験時のグラフであるこのグラフより計測と計算から得られた結果は非常に良く一致することが分かるここで得られた航跡と模型船の速度より旋回径を計算した図 3に各舵角での旋回径を船長で割ったものを示す同図は昨年の報告で示したものに今回の結果を加えたものであるグラフよりてしおは船長の 1~15 倍の旋回径となったそうやは平坦氷中は 15~2 倍流氷中で 1~15 倍の旋回径となった砕氷型巡視船模型は 3~5 倍で昨年度の結果と良く一致する商船模型は船長の 2~25 倍の旋回径となった商船模型は砕氷型巡視船よりも氷中での旋回性能が大きく劣ることが分かった同図から旋回径は POD 型推進器を搭載した模型船てしおそうや氷中可航型商船模型の順に大きくなることが分かるこの結果は氷中での操縦性能は船体の平行部は短い方が一軸一舵よりは二軸二舵が通常のプロペラ舵システムよりは POD 型推進器の方が優れているという一般的な理解を裏付ける結果となったと言うことができよう南北,m 計算実測東西,m 図 2 航跡例 ( 計測計算 )

3 Dt/Lpp Teshio Soya_LevelIce 22_ 砕氷巡視船模型 Soya_PackIce 23_ 砕氷巡視船模型 24_ 砕氷巡視船模型 h=5 24_ 砕氷巡視船模型 h=31 24_ 貨物船模型舵角および POD 角ある図中のは砕氷巡視船模型は商船模型の結果であるこれらの結果は縮尺の異なる模型についての実験結果であり氷厚と速度は共に異なるために両者のRaw Sumの絶対値の比較はここでは意味が無い以下船体周りの分布の相対的な形状について議論する砕氷型巡視船模型が氷中を航行する際の氷荷重は船首部から平行部直前 ( ショルダー部 ) に卓越し船体中央から船尾にかけて減少していくことが分かるこれは前述のように砕氷現象が主に船首で起こり船体中央から船尾にかけては割れた氷と擦れることによる荷重だと考えられるまた図 4 及び図 5 に見られるように平行部以後では氷荷重の発生頻度が下がりこれが平均値で見た場合の値を下げていることもこの理由であろう 14 図 3 旋回径の比較 2 時氷荷重図 4, 図 5に砕氷巡視船模型の航行時のセンサーシートにかかる荷重の時系列データを示すここに両図に示した値は Raw Sumであるこれは各センサーシートは列で約 2 点の感圧点を持つが本研究では各シートの感圧点の計測値の合計を計算し各センサーシートの計測値としたものである図 4は船首部 (SSNo 8.5) 図 5は平行部 (SSNo 4.5) にかかる各荷重を示すグラフより船首部では比較的ピークは低いが頻度の高い荷重がかかり平行部では発生頻度は低いが大きい荷重がかかることが分かる船首部での砕氷現象は曲げ破壊となるが船体平行部では割れた氷盤のエッジに船体が押しつけられての圧縮破壊が発生する場合がある平行部での大きな荷重は圧縮破壊によって発生した荷重と考えられるこれは船体が左右に横揺れしたときに氷盤に押しつけられ大きな荷重が発生したものと考えられるこのような荷重の特徴は昨年度の試験においても観測されている商船模型についても基本的に同様の結果が得られている時の氷荷重分布結果を図 6に示す図 6 はRawSumの平均の船体周りの分布を示したもので Time 図 4 航行時の船首部での荷重 Time 図 5 航行時の平行部での荷重

4 RAW SUM IceBreaker CargoShip 図 6 3 旋回時氷荷重氷荷重分布平均値旋回航行時の氷荷重結果については砕氷巡視船については実験番号 433 と 436 の比較の上で考察する 436 は一回の実験で左右両方向に旋回したもので 433 は同じ条件での航行試験である商船については実験番号の比較の上で考察するは左右に旋回したもので 438 は同じ条件での航行試験である砕氷巡視船模型の計測結果を図 7 図 8 図 9 に示す図 7は航行試験と左右に 3 度で旋回した時の右舷にかかるRawSumの平均の船体周り分布を示している同図から旋回航行時に船体にかかる氷荷重は船首部からショルダー部までは航行時と旋回航行時では有意な差が見られない一方船体平行部から船尾にかけては荷重の値が旋回の内側と外側で大きく異なることが分かる旋回の内側では試験と同様に平行部から後ろは荷重が減少するがこの低下量は時より大きいこれは船尾の内側が船首で割った水開き部分を通るために荷重がかからなかったと考えられる一方旋回の外側では船体平行部から船尾にかけても大きな荷重がかかることが分かるこれは旋回時には POD が船尾を旋回外側に押す方向に推力を向けその結果として船尾は外側の氷に押しつけられることにより船尾付近にも大きな荷重がかかるためと考えられる図 8 図 9は非超過確率 9% 及び 99% の氷ピーク荷重値を示したものであるピークの図も平均と同様の傾向があるが差はより大きくなっている 99% では特に平行部から後ろでの差が大きくなる以上のような結果は基本的には前回の実験においても見られたものであるしかしながら今回の実験では旋回の内側において船体中央部に大きな荷重が発生していることは注目すべきである商船模型の計測結果を図 1 図 11 図 12 に示すセンサーシートは全て右舷側に貼っている図 1は航行試験と左右に 3 度の旋回時に右舷にかかるRawSumの平均の船体周り分布を示しているショルダー部までは砕氷船の場合同様旋回の内側外側共に荷重に変化は見られないショルダー部においては旋回内側に大きな荷重が掛かっていることが分かる旋回外側には大きな荷重は見られないショルダー部から船尾に掛けては緩やかに荷重が減っていくことがわかる旋回試験では平行部に入ってすぐでは旋回の外側内側共に荷重が低くなるしかしながら砕氷船の場合と同様に船体平行部の中心付近では旋回の内側で氷からの荷重がピークを迎えているこれに比べ旋回外側の荷重は船体中央部では小さくその後部の平行部が終わる直前では荷重の大きなピークが来る並行部の後ろでは旋回の内側には荷重がほとんど掛からない図 1 1 図 12には非超過確率 9% および 99% の氷からのピーク荷重値を示したものであるこれは砕氷船と同様の傾向を示す

5 左旋回右旋回 RawSUM 左旋回右旋回図 7 氷荷重分布平均値 ( 左右 ) 図 1 氷荷重分布平均値 ( 左右 ) 左旋回右旋回 RawSUM 左旋回右旋回図 8 氷荷重分布最大値 (.9) 図 11 氷荷重分布最大値 (.9) 左旋回右旋回 RawSUM 左旋回右旋回図 9 氷荷重分布最大値 (.99) 図 12 氷荷重分布最大値 (.99)

6 4. まとめ本報告では昨年度に引き続き船舶による砕氷現象について圧力センサーシステムを用いた水槽実験結果を報告した自由航走する模型船にかかる氷荷重を船体全体にわたり圧力センサーシートを貼り付け航行旋回航行時に船体にかかる氷荷重を計測した航行時に船体にかかる氷荷重は船首からショルダー部までが最も大きく船尾に近づくにしたがい小さくなることが分かったこれは砕氷型巡視船も商船模型も同様の傾向を示す一方旋回試験では船首部については旋回の内側外側ともには航行時の氷荷重と同様の結果となり船尾では内側はほとんど荷重を受けないのに対し外側では大きな荷重を受けたこれは船尾を外側に押し出すようにして旋回するために船尾の外側が氷盤に押しつけられ結果として大きな荷重を受けるためと考えられる上記のような砕氷船の試験結果は前回の試験結果と基本的には同様の結果である前回の試験においては POD 型推進器という旋回能力の高い推進器を用いたために特にこのような違いが強調されるものとなったと考えられたしかし今回の試験において旋回性能の低い商船模型の計測でも同様の結果が得られたということは氷中を航行する船舶全般についても旋回時に船尾において高い氷荷重が発生すると言えると考えられよう今回の結果は砕耐構造のあり方を考える上で重要な結果と考えるこの一方今回の実験では砕氷船と商船ともに平行部の前部においては旋回の内側でも大きな荷重を受けることが分かったこのような荷重は前回の試験では見られていないこの点については砕氷船については前回の試験と氷厚の違う条件における試験であることがその理由かもしれない氷厚の違いは船首部における砕氷パターンの違いを生みこれが平行部における氷と船体との接触パターンの違いにつながった可能性があるしかしながらこのような旋回中の船体中央部における高い荷重は商船模型においても計測されているこれがどのようなメカニズムでもたらされたかについては現時点では不明である今後氷荷重の挙動の詳細解析を含めてこの点について研究を続けて行きたい 5. 参考文献 [1] 模型実験による氷荷重の船体周り分布の計測その1 海上技術安全研究所研究発表会 ( 平成 16 年 )

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