曲がっても折れない：軽い砕氷船
アーカー・アークティックは約5年前にこの技術を開発し、砕氷船の船体設計における新しい手法をフィンランド・スウェーデン氷海船級規則に採用するために必要な研究を完了しました。この手法は、複数の船級協会（LR、ABS、DNV）の極地船級規則にも採用されています。
この研究は主にバルト海を航行する船舶に焦点を当てていますが、Aker Arctic社は、現在建造中のカナダの新型砕氷船など、最近の多くの新造船設計にもこの手法を採用しています。この革新は特定の地域や氷の荷重に限定されるものではなく、鋼板やウェブフレームなどの補強材のモデリングを、へこみを防ぐ弾性特性だけでなく、変形後に破損しないことを保証する塑性特性も考慮したものに拡張しています。
一般的に、有限要素解析（FEM）を用いた数式や直接線形計算では、弾性挙動のみが考慮され、降伏点を超えた鋼材の塑性挙動も同様の線形関係に従うと想定されています。弾性挙動は本質的に非常に線形であり、圧力が高ければ高いほどへこみが深くなりますが、塑性挙動は線形ではありません。そのため、線形解析に基づいて構造物の破損を予測するには、仮定が必要になります。正確な安全余裕は不明です。
非線形 FEM 解析結果を示す画像。
画像提供：Aker Arctic 「技術的な用語を使わずに説明すると、氷との衝突後にどれだけのへこみがあるかを計算し、それを許容できるかどうかを判断します」と、Aker Arcticの構造設計チームリーダー、Juuso Lindroos氏は述べています。「これにより、強化が必要な部分とそうでない部分を的確に判断できます。構造の最も弱い部分を特定し、その部分における鋼材の容量を最適化することで、永久変形が塑性限界内で安全であることを保証できます。」
これにより、設計者は船体構造をより簡素化し、ブラケットの数を減らし、主要構造物の寸法を大幅に削減することで、船体の鋼材重量を軽減することができます。したがって、砕氷船の設計と建造はよりシンプルになります。
アーカー・アークティックは、典型的な砕氷船において、鋼材を100～300トン軽量化できることを発見しました。これにより、船はより多くの燃料や貨物を積載できるようになり、浅瀬の海域では喫水が小さい小型船を設計することも可能です。また、鋼材の生産には大量のCO2が排出されるため、環境面でもメリットがあります。
リンドルス氏によると、この新しい手法を開発するきっかけとなったのは、ポーラークラスの要件を満たす砕氷船の建造経験だったという。ポーラークラスの規則が2006年に制定された際、同規則以前に建造された旧式の船舶は安全実績が証明されていたにもかかわらず、主要な荷重支持部材が外殻構造やフレーム構造に比べて過度に重くなってしまうという事態を招いてしまった。
Aker Arcticの構造エンジニアであるVille Valtonen氏は、Aker ArcticのRob Hindley氏とABSのJames Bond氏を含むグループを率いてこの問題を調査しました。彼らは2020年に科学誌Marine Structuresに研究論文を発表しました。この論文では、FEMを用いた新しい堅牢な評価手法と受入基準が文書化され、非線形解析によって船体構造の挙動に関するより深い洞察が得られることが実証されました。単純で厳格な公式を満たすために不必要な鋼材を追加するのではなく、構造を強化するための的を絞ったソリューションを設計することが可能です。
線形FEM法は簡便で広く用いられていますが、降伏後の挙動（座屈後挙動を含む）や、破壊モードが漸進的か突発的かを予測することはできません。非線形法はこれらの挙動を正確に予測できますが、材料モデリングにはより多くのパラメータと数式が必要になります。
画像提供：Aker Arctic
これは線形弾性解析よりも手間のかかるプロセスだが、特に高耐氷クラスの船舶の場合、コスト削減や修理が容易になるなどの利点が追加作業を補うとリンドルース氏は言う。
Aker Arcticは、非線形計算の結果を実際の氷の損傷事例と比較しました。計算された破壊荷重と構造物の破壊の様子は、観測された損傷と非常によく一致しており、この手法の精度と信頼性に確信を与えています。「安全性の観点からは、何の損失もありません。破壊モデルへの信頼性が高まることで、リスクを軽減できます。」
外板の局所的な小さなへこみは、板構造の破断や座屈といった、より深刻な破損モードに対して十分な余裕がある限り、一般的に許容されます。降伏前後の構造を正確に評価することで、解析基準と望ましい結果を直接結び付けることができます。望ましい結果とは、通常運用時の氷海航行による永久変形が小さく、かつ、偶発的な過負荷シナリオにおいても安全な挙動を確保するための十分な予備容量が構造に備わっていることです。
この新しい手法を用いて開発された最初の船舶プロジェクトは、スウェーデン海事局向けのバルト海護衛砕氷船Aker ARC 130 Sでした。このケースでは、ロイズ船級協会がこの手法を評価し、承認しました。調達プロセスは現在進行中です。
カナダの極地砕氷船は、Aker Arcticの最新の実績の一つです。Aker Arcticの非線形FEMツールにより、一般的に入手可能な高強度鋼の使用が可能になりました。この節約がなければ、入手と溶接がより困難な高強度鋼を余分に使用しなければならなかったでしょう。全長158メートル、幅28メートルのPolar Class 2砕氷船は、北極圏で年間を通して自給自足で航行できるように設計されています。カナダのこれまでのどの砕氷船よりも、より北方、より厳しい氷条件下、そしてより長期間の航行が可能になります。
一方、アーカー・アークティック社の研究結果に基づき、フィンランド・スウェーデン間の新たな規則案が作成され、船級協会および国際船級協会連合（IASC）の船体パネルに回覧されました。意見を聴取した後、この規則は最終決定され、現行の規範的方法に代わるものとして、フィンランド・スウェーデン氷海船級規則の次期版に採用される予定です。
この研究が完了した後も、Aker Arcticは研究を継続しています。今年、Valtonenは非線形手法を用いて船体形状が氷荷重に与える影響を検証する新たな研究を発表しました。砕氷船にとって船体形状は重要な考慮事項であり、最終的な砕氷力は接触地点における船体形状に依存するためです。この研究では、設計氷荷重を精緻化することで船体構造を最適化し、貨物積載量を増加させ、コストを削減しました。この研究は、Polar Class規則やフィンランド・スウェーデンIce Class規則を含む砕氷船の設計基準の改善につながることが期待されています。
Aker Arctic が非線形 FEM 解析を提供した新しいスウェーデンの砕氷船設計のレンダリング。
画像提供：Aker Arctic
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