劉玉智

(上海交通大學(xué)， 上海 200240)

LNG運(yùn)輸船C型獨(dú)立液貨罐鞍座加強(qiáng)計(jì)算研究

劉玉智

(上海交通大學(xué)， 上海 200240)

闡述了LNG運(yùn)輸船C型獨(dú)立液貨罐鞍座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如何利用有限元分析校核鞍座加強(qiáng)的強(qiáng)度，并以一艘28 000 m3LNG運(yùn)輸船的C型獨(dú)立雙耳液貨罐鞍座加強(qiáng)為例，分析有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

LNG C型獨(dú)立液貨罐 鞍座 無因次加速度 有限元計(jì)算

1 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,縮寫LNG)是一種清潔能源，主要成分是甲烷，在常態(tài)下沸點(diǎn)為-161℃,空氣中可燃極限為5%～15% ，是目前地球上最為純凈且方便高效的能源之一，已成為近年來世界上增長速度最快的礦物燃料。隨著LNG海上運(yùn)輸需求量的日益增大，LNG運(yùn)輸船的開發(fā)與研究已成為當(dāng)今船舶制造業(yè)的熱點(diǎn)問題。

一般來說，載貨量在100 000 m3以內(nèi)的LNG運(yùn)輸船稱之為中小型LNG運(yùn)輸船，中小型LNG船液貨艙系統(tǒng)采用C型獨(dú)立艙?，F(xiàn)階段，國內(nèi)對(duì)于液化氣船的研究主要集中在LPG船，且相關(guān)設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)問題已經(jīng)基本解決，而對(duì)于開發(fā)難度大的中小型LNG運(yùn)輸船來說研究工作只是剛剛開始，對(duì)于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)——鞍座設(shè)計(jì)，尚處以摸索階段。

2 C型獨(dú)立液貨罐的鞍座結(jié)構(gòu)形式

C型獨(dú)立液貨罐的鞍座分前后兩部分組成。一部分為固定支座，典型結(jié)構(gòu)形式見圖1，圖中嵌入層壓木中與液貨本體連接的止移扁鋼用于承受作用于液貨艙上的碰撞力。另一部分為活動(dòng)支座，典型結(jié)構(gòu)形式見圖2，圖中兩層層壓木之間嵌以不銹鋼薄板，可以允許液貨艙與支座之間有微量的移動(dòng)，用以承受液貨艙在溫度變化和船體變形時(shí)的收縮和膨脹[1]。

如圖1和圖2所示，層壓木位于鞍座頂板上，固定支座的層壓木前后用高腹板扁鐵加以固定，承受液貨罐縱向沖力，活動(dòng)支座兩層層壓木分別用小腹板扁鐵加以橫向固定，承受的縱向力很小，整個(gè)鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得非常強(qiáng)。常用的LPG運(yùn)輸船都是采用這種鞍座結(jié)構(gòu)，鞍座左舷到右舷橫向布置，鞍座下面固定在內(nèi)底上，左右舷固定在底邊艙斜板上，并與加大加強(qiáng)的舷側(cè)主肋骨固定連接，如圖3、圖4所示。

還有另一種鞍座結(jié)構(gòu)形式，鞍座結(jié)構(gòu)與層壓木反轉(zhuǎn)，將鞍座與液貨罐本體連接在一起，然后通過層壓木與船體內(nèi)底連接。鞍座結(jié)構(gòu)似碗狀，兩舷與底邊艙斜板留有間隙，不固定連接，如圖5所示。

鞍座結(jié)構(gòu)同樣分為兩部分，固定支座和活動(dòng)支座，如圖6、圖7所示。

3 C型獨(dú)立液貨罐的鞍座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)受力分析

以圖6的鞍座結(jié)構(gòu)形式為例，鞍座與層壓木連接，對(duì)于層壓木的屬性，在有限元模型(見圖8)中無法有效地模擬，因此為了計(jì)算鞍座下雙層底內(nèi)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，需要求出層壓木與內(nèi)底接觸面的垂向支反力及層壓木的橫向固定擋板的縱向支反力。

為了得到層壓木接觸面垂向支反力，有限元模型 (見圖8) 包括整個(gè)液罐與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鞍座結(jié)

構(gòu)，液貨罐邊界加載垂向壓力，用彈簧單元模擬層壓木，彈簧剛度通過在內(nèi)底上施加垂向單位力讀取相應(yīng)位移來得到，在層壓木與內(nèi)底接觸的位置加垂向線位移約束，層壓木接觸面垂向支反力可通過有限元計(jì)算直接讀取。

為了得到層壓木橫向固定擋板縱向支反力，有限元模型(見圖8)包括整個(gè)液罐與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鞍座結(jié)構(gòu)，用體單元模擬層壓木，液貨罐邊界加載縱向壓力，在層壓木擋板接觸的位置加縱向線位移約束，擋板縱向支反力可通過有限元計(jì)算直接讀取。

4 計(jì)算實(shí)例與分析

下面以筆者所做的28 000 m3LNG運(yùn)輸船的鞍座加強(qiáng)計(jì)算為例，分析鞍座加強(qiáng)的受力情況。

4.1 計(jì)算相關(guān)參數(shù)

本船計(jì)算船長164.415 m，型寬27.60 m，型深18.50 m，設(shè)計(jì)吃水7.80 m，結(jié)構(gòu)吃水8.00 m。

貨艙結(jié)構(gòu)典型普通肋位橫剖面如圖9所示，肋距0.8 m，內(nèi)底厚度12 mm，雙層底縱骨間距750 mm，內(nèi)底縱骨型號(hào)HP240×11,管弄寬度3 m，距船中1 500 mm管弄側(cè)壁厚度15.5 mm，距船中5 250 mm和9 750 mm雙層底旁縱桁厚度13.5 mm。 全船3個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙一個(gè)雙耳型液貨罐，計(jì)算以NO.2貨艙液貨罐固定鞍座為例，鞍座中心位于FR102。NO.2液貨罐體自重750 t，罐體容積10 412 m3，液貨密度0.46 t/m3,液貨艙半徑7.5 m，液貨艙中心距基線10.1 m，距船中距離7.2 m。鞍座形式如圖5所示。

根據(jù)《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》，液貨艙重心的無因次加速度計(jì)算結(jié)果如下：

a0=0.4498，A=0.5361,az=0.4877,ay=0.5891,ax=0.2077。

建立有限元模型包括整個(gè)液罐與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鞍座結(jié)構(gòu)，液貨罐邊界加載垂向壓力P1，用彈簧單元模擬鞍座層壓木，共有57個(gè)節(jié)點(diǎn)，層壓木接觸面垂向支反力可通過有限元計(jì)算直接讀取。計(jì)算結(jié)果見圖10。

建立有限元模型包括整個(gè)液罐與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鞍座結(jié)構(gòu)，液貨罐邊界加載縱向壓力P2，用體單元模擬層壓木，共有57個(gè)節(jié)點(diǎn)，擋板縱向支反力可通過有限元計(jì)算直接讀取。計(jì)算結(jié)果見圖11。

橫向總載荷F=(液貨重量+液罐重量)·ay·g=(750+0.46×10 412)×0.5891×9.81=32 000kN,固定支座上端橫向支撐點(diǎn)承受載荷7 900kN, 固定支座下端橫向支撐點(diǎn)承受載荷8 200kN。

鞍座處雙層底內(nèi)設(shè)5檔實(shí)肋板，肋板間距0.8m，鞍座處內(nèi)底加厚至40mm，并以22mm板過渡到12mm，肋板厚度取20mm，1 500旁桁材加厚至26mm，5 250mm和9 750mm旁桁材在鞍座處加厚至20mm，距中3 000，7 500，8 250和9 000mm增加局部旁桁材，厚度16mm。具體結(jié)構(gòu)見圖12～圖15。

4.2 結(jié)構(gòu)有限元模型及其邊界條件

有限元模型：高度方向取整個(gè)型深，寬度方向取整個(gè)船寬，長度方向以FR102鞍座為中心，向艏至FR109強(qiáng)框架，向艉至FR96強(qiáng)框架，如圖16所示。

邊界條件見表1。

4.3 載荷及組合工況

承受的載荷主要有：由4.1計(jì)算的X、Y、Z方向的載荷， 載荷分布如圖17～圖19所示； 結(jié)構(gòu)重量，即模型中船體結(jié)構(gòu)的重量，由有限元程序自動(dòng)算出；考慮的載荷組合工況如下：

(1) 工況1，縱搖ax+垂蕩az；

(2) 工況2，橫搖ay+垂蕩az；

(3) 80%縱搖ax+80%橫搖ay+90%垂蕩az。4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

各個(gè)工況下鞍座下船體構(gòu)件的應(yīng)力表如表2所示。

內(nèi)底板應(yīng)力最大處位于船中管弄處；鞍座下桁材應(yīng)力很大，桁材上開孔需取消；鞍座正下方FR102肋板最舷邊處應(yīng)力較大，其余肋板應(yīng)力不大；鞍座下縱骨在靠近舷側(cè)處需改為局部桁材，因?yàn)榇颂幍拇瓜蜉d荷非常大。

5 結(jié)論

通過實(shí)例計(jì)算可以看出，鞍座區(qū)域船體承受的局部載荷較大，整體應(yīng)力水平較高，構(gòu)件規(guī)格加大很多，設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置良好的過渡，以防止結(jié)構(gòu)突變帶來的應(yīng)力集中。本文是基于規(guī)范對(duì)鞍座加強(qiáng)的研究探討，希望對(duì)LNG鞍座加強(qiáng)研究的同仁有幫助。

[1] 中國造船工程學(xué)會(huì)，中國船舶重工集團(tuán)公司，中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船體設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)結(jié)構(gòu)分冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2] 中國船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2005.

Research for Calculation of LNG Carrier C Type Independent Tank Saddle Seating Reinforcement

LIU Yu-zhi

(Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240, China)

Taking the reinforcement of one 28 000 m3LNG carrier as an example, this article mainly introduces the structure characteristic of LNG carrier C type independent tank saddle seating, researches the reinforcement of saddle seating with FEM, then analysis the FEM result.

LNG C type independent tank Saddle seating Dimensionless acceleration FEM

劉玉智(1983-)，男，工程師。

U663

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