王劍華，王 亮

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226006；2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

8萬(wàn)立方米級(jí)超大型 LPG船是某公司獲得的VLGC訂單。該船主要運(yùn)載丙烷等液化氣體，貨艙內(nèi)設(shè)有獨(dú)立液艙，通過(guò)甲板集管區(qū)的各類接口進(jìn)行貨物裝/卸操作，甲板布置有滿足船舶操作和使用要求的各類液貨處理系統(tǒng)。在裝/卸貨的過(guò)程中，需要使用液貨管吊進(jìn)行輔助操作，其起吊載荷需要能承受液貨管及其附件的重量，并包括殘留在液貨管中的貨物重量。一般情況下，考慮到吊裝強(qiáng)度和剛性要求等因素，液貨管吊安裝在貨艙橫艙壁上方，這是因?yàn)闄M艙壁是一個(gè)剛度較大的強(qiáng)力支撐結(jié)構(gòu)。但在本項(xiàng)目船中，由于船東對(duì)于該船在實(shí)際營(yíng)運(yùn)、使用中的一些特殊考慮，液貨管吊布置在貨艙中間，下方僅有甲板強(qiáng)橫梁支撐。

對(duì)于該種尺度的液化氣船而言，其液貨管吊設(shè)計(jì)載荷一般為10t，臂長(zhǎng)25m左右。但本項(xiàng)目液貨管吊設(shè)計(jì)載荷增加到了 15t，臂長(zhǎng)也相應(yīng)增加，并且布置在貨艙中間，下方無(wú)橫艙壁。

本設(shè)計(jì)面臨的第一個(gè)問(wèn)題是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，在缺乏橫艙壁的支撐下，僅僅依靠甲板橫梁及相關(guān)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)支撐是否足以支撐液貨管吊正常工作，這需要運(yùn)用直接計(jì)算方法評(píng)估設(shè)計(jì)載荷下支撐結(jié)構(gòu)及周邊的應(yīng)力分布水平；第二個(gè)問(wèn)題是，在液貨管吊支座的下方，正是獨(dú)立液貨艙的頂部防橫搖裝置，兩者連接在一起。液貨管吊在正常作業(yè)時(shí)，除了引起局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布水平提高之外，是否還會(huì)引起不必要的局部結(jié)構(gòu)變形，帶來(lái)其他的問(wèn)題，影響船舶的安全性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

液貨管吊吊臂在甲板上方的高度為8.5m，臂長(zhǎng)為28m，最大起重量為15t，360°全回轉(zhuǎn)，立柱為圓形，立柱筒徑為2m。處于工作狀態(tài)時(shí)，液貨管吊下端承受載荷較大。在前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，考慮到實(shí)際情況，在液貨管吊甲板下方增設(shè)了多道縱桁和橫梁組成的結(jié)構(gòu)，以將載荷分?jǐn)倐鬟f到周邊強(qiáng)力構(gòu)件，降低應(yīng)力水平。如圖1所示，縱桁和橫梁均采用T型截面。對(duì)于此處的強(qiáng)度驗(yàn)算是液貨管吊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，但由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方法已相對(duì)成熟，本文在此不再贅述。

圖1 液貨管吊下方的縱桁和橫梁布置

船舶航行時(shí)，船體內(nèi)獨(dú)立液艙會(huì)因船舶搖晃而引起獨(dú)立液艙縱向和橫向搖動(dòng)，以及上下晃動(dòng)，因而在船體與獨(dú)立液艙之間安裝有若干個(gè)支座。這些支座包括多種類型。本船液貨管吊下方設(shè)有防橫搖支座，如圖2所示。由于液貨管吊起升高度、臂長(zhǎng)、起重量較大，這樣就會(huì)使此處的變形量比其它支座處明顯增大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，獨(dú)立液艙防橫搖支座上部分結(jié)構(gòu)與主船體相連，下部分結(jié)構(gòu)與獨(dú)立液艙相連。在液貨管吊吊裝載荷時(shí)，載荷重力使船體及獨(dú)立液艙防橫搖支座產(chǎn)生變形。在變形較大的情況下，可能會(huì)危及防橫搖支座的正常使用，產(chǎn)生不必要的應(yīng)力集中。

圖2 液貨管吊下方的獨(dú)立液艙防橫搖支座

2 計(jì)算分析與驗(yàn)證方法

按照英國(guó)勞氏船級(jí)社規(guī)范液化氣船部分（2012版本）[1]對(duì)甲板起吊設(shè)備相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，起吊能力超過(guò)一定量級(jí)的設(shè)備，其基座和相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)需運(yùn)用直接強(qiáng)度計(jì)算方法驗(yàn)證其可靠性。對(duì)于本項(xiàng)目液貨管吊支座及甲板下支撐結(jié)構(gòu)需進(jìn)行直接計(jì)算分析，如前文所述，還需考察獨(dú)立液艙防橫搖支座結(jié)構(gòu)區(qū)域的剛性。

計(jì)算分析步驟遵循有限元分析的過(guò)程，即建立模型、施加載荷和邊界條件、計(jì)算、評(píng)估和結(jié)果分析。本項(xiàng)目采用MSC.Patran建立了液貨管吊甲板下支撐結(jié)構(gòu)和獨(dú)立液艙防橫搖支座結(jié)構(gòu)的有限元模型，根據(jù)液貨管吊的實(shí)際設(shè)計(jì)載荷加載，并利用MSC.Nastran對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，校核了液貨管吊作業(yè)時(shí)的安全性和可靠性。

2.1 模型

以液貨管吊筒體為中心，選取局部艙段為結(jié)構(gòu)模型，用shell單元模擬液貨管吊筒體部分。以筒體頂端圓心為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，用向筒體上的自由節(jié)點(diǎn)發(fā)散的MPC單元來(lái)模擬液貨管吊吊臂。甲板及甲板以下橫梁和縱桁的腹板用shell單元模擬，橫梁和縱桁的面板用beam單元模擬，并用beam單元模擬甲板縱向骨材，骨材截面為矩形。在建立獨(dú)立液艙防橫搖支座模型時(shí)，只建立其與主船體相連接部分，與獨(dú)立液艙連接部分可以不建。

2.2 施加載荷及邊界條件

施加載荷時(shí)考慮最大起重量為15t，臂長(zhǎng)為28m。因液貨管吊吊臂用多點(diǎn)約束MPC單元模擬，運(yùn)用力的平移原理，作用在MPC獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上的力可拆分成垂向力與水平力矩的組合。垂向力為15t，方向向下。水平力矩大小為4200000N·m。因液貨管吊在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，水平力矩取每旋轉(zhuǎn)45°為一載荷工況。因船體左右舷對(duì)稱，因此力矩取在左舷內(nèi)旋轉(zhuǎn)的工況即可。邊界條件：對(duì)艙段邊界施加X(jué)/Y/Z三個(gè)方向的位移約束。

2.3 計(jì)算分析[2]

提交帶有載荷和邊界條件的模型，由求解器MSC.Nastran對(duì)上述各工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出結(jié)果。

2.4 分析結(jié)果

表1給出了各個(gè)載荷工況下獨(dú)立液艙防橫搖支座上部分面板處的橫向位移。經(jīng)有限元分析計(jì)算與比較，當(dāng)水平力矩沿船長(zhǎng)方向作用時(shí)，防橫搖支座上部分面板處的橫向位移最大，位移值為1.39mm，但仍在預(yù)計(jì)值的控制范圍之內(nèi)。

表1 各個(gè)載荷工況下獨(dú)立液艙防橫搖支座上部分面板處的橫向位移

圖3為水平力矩沿船長(zhǎng)方向作用下，液貨管吊甲板下支撐結(jié)構(gòu)及獨(dú)立液艙防橫搖支座的變形云圖。由圖可見(jiàn)，防橫搖支座上部分面板處的橫向位移（圖3中a處）在安全范圍內(nèi)。在該工況下，相當(dāng)于液貨管吊吊臂恰好旋轉(zhuǎn)到與船長(zhǎng)方向的夾角為90°處。由經(jīng)典力學(xué)可知，此時(shí)防橫搖支座上部分面板處的橫向位移最大，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文結(jié)果的正確性。

圖3 液貨管吊下方支撐結(jié)構(gòu)及獨(dú)立液艙防橫搖支座變形圖

3 結(jié)論

本項(xiàng)分析工作，對(duì)一個(gè)全新船型的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的新問(wèn)題進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估。對(duì)于不能確定的技術(shù)點(diǎn)，采用直接計(jì)算分析方法，直觀、定量地計(jì)算，驗(yàn)證了液貨管吊區(qū)域的應(yīng)力分布水平，同時(shí)也對(duì)局部結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了考察，確定其在控制范圍之內(nèi)。

本項(xiàng)工作的計(jì)算及分析，數(shù)據(jù)翔實(shí)，過(guò)程清晰，結(jié)論準(zhǔn)確。整個(gè)計(jì)算過(guò)程和相關(guān)報(bào)告，得到了第三方審核機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，有力地保證了整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的順利推進(jìn)。同時(shí)也是利用現(xiàn)代工程CAE工具，解決實(shí)際項(xiàng)目中新問(wèn)題的一個(gè)有益嘗試。

[1]Rules and Regulations for the Construction and Classification of Ships for the Carriage of Liquefied Gases in Bulk.Lloyd’s Register Rules and Regulations,October 2012.

[2]張延輝, 張少雄, 曾濤.獨(dú)立式液貨艙瀝青船支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].船海工程, 2013,42(1): 14-16.