झुके हुए लेकिन टूटे नहीं: हल्के आइसब्रेकर

कैनेडियन पोलर आइसब्रेकर का प्रतिपादन, जो अकर आर्कटिक के सबसे हालिया संदर्भों में से एक है। कंपनी के नॉनलाइनियर FEM टूल्स ने सामान्य रूप से उपलब्ध उच्च शक्ति वाले स्टील का उपयोग करना संभव बनाया। चित्र सौजन्य: अकर आर्कटिक

लगभग पाँच साल पहले इस तकनीक को विकसित करने के बाद, अकर आर्कटिक ने अब आइसब्रेकर हल्स के लिए अपनी नई डिज़ाइन पद्धति को फिनिश-स्वीडिश आइस क्लास नियमों में स्वीकृत कराने के लिए आवश्यक शोध पूरा कर लिया है। इस पद्धति को कई क्लास सोसाइटीज़ (LR, ABS, DNV) के पोलर क्लास नियमों में भी अपनाया गया है।

हालाँकि यह शोध मुख्यतः बाल्टिक सागर में चलने वाले जहाजों पर केंद्रित था, फिर भी अकर आर्कटिक ने अपने कई हालिया नवनिर्माण डिज़ाइनों में इस पद्धति का उपयोग किया है, उदाहरण के लिए, कनाडा का नया आइसब्रेकर जो वर्तमान में निर्माणाधीन है। यह नवाचार किसी विशेष क्षेत्र या बर्फ के भार तक सीमित नहीं है, बल्कि यह स्टील प्लेट और वेब फ्रेम जैसे सुदृढीकरणों के मॉडलिंग को उन लोचदार गुणों से आगे बढ़ाता है जो डेंटिंग को रोकने में मदद करते हैं, साथ ही उस प्लास्टिसिटी को भी शामिल करता है जो यह सुनिश्चित करती है कि विकृत होने के बाद वे टूटें नहीं।

आमतौर पर, परिमित तत्व विश्लेषण (FEM) द्वारा किए गए गणितीय सूत्रों या प्रत्यक्ष रैखिक गणनाओं में केवल प्रत्यास्थ व्यवहार पर ही विचार किया जाता है, और यह माना जाता है कि उपज बिंदु से परे स्टील की सुघट्यता भी उसी रैखिक संबंध का पालन करती है। प्रत्यास्थ व्यवहार प्रकृति में काफी रैखिक होता है - जितना अधिक दबाव, उतना ही गहरा गड्ढा - लेकिन सुघट्यता रैखिक नहीं होती, इसलिए रैखिक विश्लेषण के आधार पर संरचनात्मक विफलता की भविष्यवाणी करने के लिए पूर्वधारणाएँ अपनानी पड़ती हैं। सटीक सुरक्षा सीमाएँ अज्ञात हैं।

गैर-रैखिक FEM विश्लेषण परिणामों को दर्शाती एक छवि।
छवि सौजन्य: एकर आर्कटिक "गैर-तकनीकी शब्दों में, हम बर्फ से टकराने के बाद गड्ढों की गहराई का आकलन करते हैं और तय करते हैं कि क्या हम इसे स्वीकार कर सकते हैं?" एकर आर्कटिक में स्ट्रक्चरल डिज़ाइन के टीम लीडर, जुसो लिंडरूस कहते हैं। "इससे हमें यह पता लगाने में मदद मिलती है कि किन चीज़ों को मज़बूत करने की ज़रूरत है और किन चीज़ों को नहीं। हम संरचना के सबसे कमज़ोर हिस्सों की पहचान कर सकते हैं और उस बिंदु पर स्टील की क्षमता को अनुकूलित कर सकते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि स्थायी विरूपण अभी भी सुरक्षित है - अपनी प्लास्टिसिटी सीमा के भीतर और अभी भी सुरक्षित है।"

इससे डिज़ाइनरों को पतवार की संरचना को सरल बनाने में मदद मिलती है, कम ब्रैकेट के साथ, और प्राथमिक संरचनाओं के स्कैंटलिंग में उल्लेखनीय कमी के साथ, जिससे पोत का स्टील का भार कम हो जाता है। इसलिए, आइसब्रेकर डिज़ाइन में सरल और निर्माण में आसान होते हैं।
एकर आर्कटिक ने पाया है कि एक सामान्य आइसब्रेकर में स्टील के भार में 100 से 300 टन की बचत संभव है। यह जहाज़ ज़्यादा ईंधन या माल ढो सकता है या उथले पानी वाले क्षेत्रों के लिए कम दबाव वाले छोटे जहाज़ का डिज़ाइन तैयार किया जा सकता है। और चूँकि स्टील के उत्पादन से बड़ी मात्रा में CO2 उत्सर्जित होती है, इसलिए इसके पर्यावरणीय लाभ भी हैं।

लिंडरूस का कहना है कि नई कार्यप्रणाली विकसित करने की प्रेरणा उन्हें पोलर क्लास की आवश्यकताओं को पूरा करने वाले आइसब्रेकर बनाने के अनुभव के बाद मिली। जब 2006 में पोलर क्लास नियम लागू किए गए थे, तो उनके कारण शेल और फ्रेम संरचनाओं की तुलना में प्राथमिक भार वहन करने वाले तत्व अत्यधिक भारी हो गए थे, जबकि संहिता से पहले निर्मित पुराने जहाजों का सुरक्षा रिकॉर्ड सिद्ध था।

एकर आर्कटिक के स्ट्रक्चरल इंजीनियर विले वाल्टोनन ने इस मुद्दे की जाँच करने वाले एक समूह का नेतृत्व किया, जिसमें एकर आर्कटिक के रॉब हिंडले और एबीएस के जेम्स बॉन्ड शामिल थे। उन्होंने 2020 में वैज्ञानिक पत्रिका "मरीन स्ट्रक्चर्स" में अपना शोध प्रकाशित किया। इसने FEM का उपयोग करके उनकी नई, मज़बूत मूल्यांकन पद्धति और स्वीकृति मानदंडों का दस्तावेजीकरण किया और यह प्रदर्शित किया कि एक अरैखिक विश्लेषण पतवार संरचनाओं के व्यवहार की बेहतर जानकारी प्रदान करता है। सरल, निषेधात्मक सूत्रों को पूरा करने के लिए अनावश्यक स्टील जोड़ने के बजाय संरचना को मज़बूत करने के लिए लक्षित समाधान तैयार किए जा सकते हैं।

यद्यपि रैखिक FEM विधियाँ सरल और व्यापक रूप से प्रयुक्त हैं, वे यह पूर्वानुमान नहीं लगा सकतीं कि उपज के बाद क्या होगा, जिसमें बकलिंग के बाद का व्यवहार भी शामिल है और विफलता का तरीका क्रमिक होगा या अचानक। गैर-रैखिक विधि इस व्यवहार का सटीक पूर्वानुमान लगा सकती है, लेकिन इसके लिए सामग्री मॉडलिंग हेतु अधिक मापदंडों और सूत्रों की आवश्यकता होती है।

डिज़ाइन लोड लागू करने और हटाने के बाद संरचना का स्थायी विरूपण।
छवि सौजन्य: एकर आर्कटिक

लिंडरूस का कहना है कि यह रैखिक प्रत्यास्थ विश्लेषण की तुलना में अधिक श्रमसाध्य प्रक्रिया है, लेकिन लागत बचत और अन्य लाभ, जैसे कि मरम्मत में आसानी, अतिरिक्त कार्य की भरपाई कर देते हैं, विशेष रूप से उच्च बर्फ वर्ग के जहाजों के लिए।

अकर आर्कटिक ने गैर-रेखीय गणनाओं के परिणामों की तुलना वास्तविक बर्फ क्षति के उदाहरणों से की है। गणना किए गए विफलता भार और संरचना के विफल होने का तरीका, देखी गई क्षति से बहुत निकटता से मेल खाता है, जिससे इस पद्धति की सटीकता और विश्वसनीयता पर विश्वास होता है। "सुरक्षा की दृष्टि से हम कुछ भी नहीं खोते हैं। विफलता मॉडलिंग के बारे में अधिक विश्वास होने का अर्थ है कि हम जोखिमों को कम कर सकते हैं।"

यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि शैल प्लेटिंग में छोटी-मोटी स्थानीय डेंटिंग तब तक स्वीकार्य है जब तक प्लेट संरचनाओं के टूटने या मुड़ने जैसी अन्य गंभीर विफलताओं के विरुद्ध पर्याप्त गुंजाइश हो। झुकने से पहले और बाद में संरचना का सटीक आकलन विश्लेषण मानदंडों और वांछित परिणाम के बीच सीधा संबंध स्थापित करता है, जो यह है कि सामान्य सेवा में बर्फ पर नौवहन से होने वाली स्थायी विकृतियाँ कम रहती हैं और संरचना में आकस्मिक अधिभार परिदृश्यों में सुरक्षित व्यवहार सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त आरक्षित क्षमता होती है।

नई पद्धति का उपयोग करके विकसित की गई पहली पोत परियोजना स्वीडिश समुद्री प्रशासन के लिए एकर एआरसी 130 एस बाल्टिक सागर एस्कॉर्ट आइसब्रेकर थी। इस मामले में लॉयड्स रजिस्टर ने पद्धति का मूल्यांकन और अनुमोदन किया। खरीद प्रक्रिया जारी है।

कैनेडियन पोलर आइसब्रेकर, अकर आर्कटिक के सबसे हालिया संदर्भों में से एक है। अकर आर्कटिक के नॉनलाइनियर एफईएम उपकरणों ने सामान्य रूप से उपलब्ध उच्च शक्ति वाले स्टील का उपयोग करना संभव बनाया। बचत के बिना, अतिरिक्त उच्च शक्ति वाले स्टील का उपयोग करना पड़ता, जिसे प्राप्त करना और वेल्ड करना अधिक कठिन होता। 158 मीटर लंबा और 28 मीटर चौड़ा, पोलर क्लास 2 पोत पूरे वर्ष उच्च आर्कटिक में आत्मनिर्भरता से संचालित होने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह कनाडा में अब तक के किसी भी आइसब्रेकर की तुलना में अधिक उत्तर में, अधिक कठिन बर्फीली परिस्थितियों में और अधिक समय तक संचालित करने में सक्षम होगा।

इस बीच, एकर आर्कटिक शोध निष्कर्षों के आधार पर एक नया मसौदा फिनिश-स्वीडिश नियम लिखा गया और वर्गीकरण समितियों और अंतर्राष्ट्रीय वर्गीकरण समिति संघ के हल पैनल के बीच प्रसारित किया गया। टिप्पणियाँ प्राप्त होने के बाद, नियम को अंतिम रूप दिया गया और उम्मीद है कि इसे वर्तमान निर्देशात्मक पद्धति के विकल्प के रूप में फिनिश-स्वीडिश हिम वर्ग नियमों के अगले संस्करण में अपनाया जाएगा।

इस कार्य के पूरा होने के साथ, अकर आर्कटिक अपना शोध जारी रखे हुए है। इस वर्ष, वाल्टोनन ने अरैखिक पद्धति का उपयोग करते हुए एक और अध्ययन प्रकाशित किया, जिसमें यह जांच की गई कि पतवार का आकार बर्फ के भार को कैसे प्रभावित करता है। बर्फ तोड़ने वाले जहाजों के लिए पतवार का आकार महत्वपूर्ण है क्योंकि अंतिम बर्फ तोड़ने वाला बल संपर्क बिंदु पर पतवार के आकार पर निर्भर करता है। इस अध्ययन ने पतवार की संरचना को अनुकूलित करने, माल ढुलाई क्षमता बढ़ाने और लागत कम करने के लिए डिज़ाइन किए गए बर्फ भार को परिष्कृत किया। इससे ध्रुवीय श्रेणी के नियमों और फिनिश-स्वीडिश बर्फ श्रेणी के नियमों सहित बर्फ तोड़ने वाले जहाजों के डिज़ाइन मानकों में सुधार की उम्मीद है।

नए स्वीडिश आइसब्रेकर डिजाइन का प्रतिपादन, जिसके लिए अकर आर्कटिक ने गैर-रेखीय एफईएम विश्लेषण प्रदान किया।
छवि सौजन्य: एकर आर्कटिक