(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海200129)

全球未開(kāi)發(fā)的油氣儲(chǔ)量約1/4分布在北極，隨著全球變暖，北極地區(qū)油氣開(kāi)采步伐正在加快。亞馬爾項(xiàng)目是我國(guó)在俄羅斯實(shí)施的首個(gè)特大型能源合作項(xiàng)目，是目前全球在北極地區(qū)最大的LNG工程，針對(duì)該項(xiàng)目的船舶訂單需求，滬東中華開(kāi)發(fā)出具備艏艉雙向自主破冰能力的大型極地破冰型LNG船目標(biāo)是可全年通航北極航線(xiàn)。為此，基于國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)規(guī)范的PC冰級(jí)和俄羅斯規(guī)范設(shè)計(jì)滿(mǎn)足PC3、PC4和Arc7高冰級(jí)要求的結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)有限元直接計(jì)算模擬冰載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

1 中剖面布置及計(jì)算

本船的中剖面布置是在常規(guī)的LNG船幾何形狀與結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以滿(mǎn)足極地冰區(qū)加強(qiáng)的強(qiáng)度要求。由于冰帶上沿在15338平臺(tái)下方，從舭部往上到15338平臺(tái)處設(shè)置成橫骨架式，縱骨調(diào)整為2倍原始間距設(shè)置一檔較大的T型材，見(jiàn)圖1。將橫艙壁和強(qiáng)框架冰帶范圍內(nèi)的肋板上的扶強(qiáng)材加密，見(jiàn)圖2、3。

圖1 橫骨架式

圖2 橫艙壁扶強(qiáng)材加密

圖3 強(qiáng)框架扶強(qiáng)材加密

先用LR的RulesCalc軟件對(duì)中剖面進(jìn)行常規(guī)的規(guī)范強(qiáng)度校核，然后進(jìn)行冰區(qū)加強(qiáng)方面的計(jì)算校核，最后綜合考慮innerdeck和innerbottom處總彎曲應(yīng)力不超過(guò)120 MPa和動(dòng)應(yīng)力幅值不超過(guò)80 MPa的要求，以及冰載荷造成的中垂彎矩影響，完成滿(mǎn)足總縱強(qiáng)度和局部構(gòu)件強(qiáng)度的中剖面結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算校核。

2 冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分

冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域的劃分跟船體線(xiàn)型、主尺度等密切相關(guān)，采用不同的骨架型式對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸有重要影響。PC和Arc冰級(jí)的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分方式截然不同，PC冰級(jí)冰帶劃分規(guī)則見(jiàn)圖4，Arc冰級(jí)冰帶劃分規(guī)則見(jiàn)圖5。該船PC冰級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分見(jiàn)圖6，Arc冰級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分見(jiàn)圖7。考慮艏艉雙向破冰，將Arc7的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域里艉部C區(qū)域調(diào)整為類(lèi)似艏部的A和A1區(qū)域。艉部相應(yīng)的區(qū)域界限再根據(jù)艉部的參數(shù)b劃分。艉部區(qū)域的A1區(qū)域由A1-I、A1-II、A1-III、A1-IV4個(gè)區(qū)域合為1個(gè)A1-I區(qū)域，要求更為嚴(yán)苛。

圖4 PC冰級(jí)的冰帶劃分規(guī)則示意

圖5 Arc系列冰級(jí)的冰帶劃分規(guī)則示意

圖6 PC冰級(jí)的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分，外板展開(kāi)示意

圖7 Arc冰級(jí)的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分及外板展開(kāi)示意

3 各區(qū)域骨架型式的選取布置

冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域的骨架型式和骨材間距的選取需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果反復(fù)優(yōu)化。冰載荷較大區(qū)域采用橫骨架式優(yōu)勢(shì)明顯，艏艉冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域采用橫骨架式，船中區(qū)域冰帶范圍采用橫骨架式，底部部分冰載荷較大的區(qū)域也采用橫骨架式，其余區(qū)域采用縱骨架式，靠近貨艙艏艉端的底部區(qū)域采用加密的縱骨架式。該船骨架型式分布見(jiàn)圖8，云線(xiàn)內(nèi)區(qū)域采用橫骨架式，云線(xiàn)外區(qū)域采用縱骨架式。

圖8 全船骨架型式分布示意

4 PC冰級(jí)與Arc冰級(jí)的校核方法

PC冰級(jí)的冰載荷基準(zhǔn)值為Bow區(qū)域，其他冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域的計(jì)算所用冰載荷用Bow區(qū)域的基準(zhǔn)值乘以各自的AF系數(shù)進(jìn)行折減，AF系數(shù)通過(guò)查規(guī)范表得到。Bow區(qū)域冰載荷基準(zhǔn)值計(jì)算公式如下。

P=F0,22C2DAR0,3

(1)

F=faCCΔ0.64

(2)

AR=7.46 sinβ′AR≥1.3

(3)

式中：fa為形狀系數(shù)，根據(jù)其他公式計(jì)算；Δ為排水量，t；β′為考慮位置處的橫截面輪廓線(xiàn)在水線(xiàn)高度處沿垂直方向的切角，(°)；CC和CD查規(guī)范表。

PC冰級(jí)共分10個(gè)冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域，采用不同的冰載荷進(jìn)行計(jì)算，LR的Rulescalc軟件里集成了PC冰級(jí)計(jì)算的規(guī)范公式，各個(gè)區(qū)域不同的骨架型式采用單獨(dú)的表格分別進(jìn)行校核。

Arc冰級(jí)的冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域見(jiàn)表1。Arc冰載荷基準(zhǔn)值分為AI區(qū)域、A1I區(qū)域、BI區(qū)域，其他垂向的冰區(qū)劃分區(qū)域計(jì)算所用冰載荷值為各自I區(qū)域的基準(zhǔn)值乘以akl系數(shù)進(jìn)行折減得到。該船線(xiàn)型決定A區(qū)域也只考慮AI，沒(méi)有II，III，IV區(qū)域。

表1 雙向破冰的Arc7冰級(jí)所需計(jì)算區(qū)域

AI、A1I、BI區(qū)域冰載荷基準(zhǔn)值相關(guān)的計(jì)算公式如下。

(4)

(5)

(6)

式中：a1、a2、a3為系數(shù)，取值2.95、3.06、1.84；vm為各個(gè)區(qū)域里形狀系數(shù)v的最大值。

垂向II、III、IV區(qū)域載荷值為I區(qū)域載荷值做相應(yīng)折減，折減值查規(guī)范表。

冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域板和骨材的強(qiáng)度校核根據(jù)規(guī)范里板的最小厚度和骨材的最小剖面模數(shù)計(jì)算公式編制電子表格進(jìn)行計(jì)算。

5 PC3、PC4與Arc7冰級(jí)分析對(duì)比

從冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域劃分來(lái)看，PC與Arc冰級(jí)在垂向分布的高度值比較接近，尤其船舯區(qū)域的垂向分布非常相似，只是PC的Ml區(qū)域近似于Arc冰級(jí)的BII和BIII區(qū)域的并集。顯著不同的是中部區(qū)域Arc比PC范圍明顯縮小，而Arc艏艉區(qū)域和艏艉及舯部過(guò)渡區(qū)域的范圍明顯較大。Arc艏部的各區(qū)域界限位置跟線(xiàn)型因素相關(guān)性更大，對(duì)線(xiàn)型角度值更為敏感。

PC3、PC4與Arc7各區(qū)域計(jì)算所得冰載荷壓頭值見(jiàn)表2。

表2 PC3、PC4與Arc7各區(qū)域計(jì)算所得冰載荷壓頭值 MPa

由表2可見(jiàn)，在艏艉區(qū)域Arc7比PC4和PC3的冰載荷要大得多，而船中底部和舭部區(qū)域則PC4比Arc7都略微大些，PC3比Arc7大得更多。綜合比較，Arc7和PC3要求相對(duì)接近，PC4要求則低一些。Arc7冰級(jí)在艏艉區(qū)域大面積使用E500鋼級(jí)，部分厚度超過(guò)40 mm且設(shè)計(jì)環(huán)境溫度達(dá)-50℃的區(qū)域板材甚至需用到FH500鋼級(jí)，Arc7整體厚度要比PC4厚約30%，比PC3厚約15%，而PC冰級(jí)底部區(qū)域板厚卻又大于Arc7，Arc7采用橫骨架型式的區(qū)域更大一些。

6 有限元直接計(jì)算分析冰載荷對(duì)主要支撐構(gòu)件的影響

外板及普通骨材通常用規(guī)范校核即可，而局部開(kāi)孔和切口在冰載荷的規(guī)范計(jì)算里沒(méi)有考慮。所以，與外板相接的非水密肋板、艙壁和強(qiáng)桁材等主要支撐構(gòu)件的校核，船級(jí)社通常推薦使用有限元直接計(jì)算校核。為了評(píng)估冰載荷對(duì)強(qiáng)桁材、平臺(tái)和肋板的擠壓影響，創(chuàng)建局部有限元模型見(jiàn)圖9(假設(shè)船舶左右冰載荷環(huán)境一致)。

圖9 船舯局部有限元模型

模型兩端邊界條件采用剛固約束，根據(jù)BV船級(jí)社規(guī)范Note NR527里直接計(jì)算的設(shè)計(jì)冰載荷相關(guān)要求，該模型只施加結(jié)構(gòu)吃水深度的靜水載荷以及設(shè)計(jì)冰載荷，載荷大小選用PC4冰級(jí)規(guī)范計(jì)算值，模型涉及Mi、Ml、Mb3個(gè)冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域，各區(qū)域分別采用折減后的設(shè)計(jì)冰載荷值。PC4冰級(jí)對(duì)應(yīng)的載荷施加范圍為垂向厚度為1.252 m，水平方向連續(xù)的帶狀均布冰載荷，將該冰載荷分別施加在Mi、Ml、Mb3個(gè)區(qū)域的強(qiáng)桁材處兩排外板單元上(高度約等于1.252 m)，見(jiàn)圖10。

圖10 邊界條件及冰載荷施加示意

外板區(qū)域的應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。

高應(yīng)力區(qū)域集中在冰壓加載的3個(gè)區(qū)域，其中Mi區(qū)域冰壓加載處的應(yīng)力最高，約400 MPa，此處構(gòu)件的材料為E500超高強(qiáng)鋼。

平臺(tái)和肋板區(qū)域的應(yīng)力分布見(jiàn)圖12。

圖12 平臺(tái)和肋板區(qū)域的應(yīng)力分布云圖

為對(duì)比開(kāi)孔影響，將模型中一檔肋板的開(kāi)孔封閉。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在冰載荷附近且靠近外板處肋板的應(yīng)力值明顯大于其他區(qū)域，尤其帶開(kāi)孔的肋板應(yīng)力值已超過(guò)構(gòu)件的屈服值315 MPa，開(kāi)孔封閉處肋板的應(yīng)力值略微超標(biāo)。有限元計(jì)算結(jié)果與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果比較可見(jiàn)，外板比較接近，但肋板處有限元結(jié)果應(yīng)力偏大，這與有限元模型考慮了開(kāi)孔和切口因素有關(guān)。

7 結(jié)論

1)冰層冰載荷分布方向主要是水平的，縱骨架式肋骨也是水平方向，而橫骨架式肋骨方向?yàn)榇怪钡那彝ǔ８鼮槊芗?，在同樣冰載荷面積下，橫骨架肋骨與外板組成的板架結(jié)構(gòu)能更為有效地抵御冰層的擠壓和碰撞，因此在冰載荷較大區(qū)域采用橫骨架式結(jié)構(gòu)性?xún)r(jià)比更好。

2)Arc冰級(jí)各冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域界限位置(尤其艏艉區(qū)域)對(duì)線(xiàn)型角度變化值非常敏感。從冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域看，舯部區(qū)域范圍比PC小很多，而艏艉及艏艉和舯部過(guò)渡區(qū)域的范圍Arc則要大得多，可見(jiàn)高冰載荷加強(qiáng)區(qū)域范圍Arc更大、相對(duì)更保守。在艏艉區(qū)域的冰載荷值(尤其是艏艉雙向破冰時(shí))Arc7>PC3>PC4，而船舯底部和舭部區(qū)域的冰載荷值A(chǔ)rc7

3)有限元模擬高冰級(jí)的冰載荷直接計(jì)算結(jié)果顯示船舯區(qū)域外板及普通骨材與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果比較接近，其他主要支撐構(gòu)件如平臺(tái)、肋板、桁材等構(gòu)件的有限元計(jì)算結(jié)果大于規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，符合預(yù)期，驗(yàn)證了模擬冰載荷直接計(jì)算的可靠性，可為后續(xù)模擬冰載荷校核其他冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域的主要支撐構(gòu)件提供參考。

高冰級(jí)的LNG船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)尚處于探索階段，本文工作可為后續(xù)其他冰區(qū)航行的LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。