大型薄膜型LNG船結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)

江克進(jìn)，戴 立，王輝輝，李 迎

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi) LNG船經(jīng)歷了從無(wú)到有，從技術(shù)引進(jìn)到獨(dú)立自主開發(fā)的過程。目前國(guó)內(nèi)在建的大型薄膜型LNG船，符合國(guó)際最新設(shè)計(jì)方向，在國(guó)際造船市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力。在大型薄膜型LNG船自主設(shè)計(jì)中，由于規(guī)范規(guī)則要求高且復(fù)雜，為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足船東和船級(jí)社對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞壽命和振動(dòng)特性等的技術(shù)要求，需要進(jìn)行大量的計(jì)算和優(yōu)化工作。

大型薄膜型LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了滿足船級(jí)社規(guī)范、IGC CODE（國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則）以及圍護(hù)系統(tǒng)專利公司GTT等的相關(guān)要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算、疲勞分析（FDA Level 2）、液貨艙晃蕩（Sloshing）分析、艙段有限元計(jì)算、固有頻率初步估算等工作，結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行修正，并作相應(yīng)優(yōu)化。為后期詳細(xì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供充分技術(shù)保證，使船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理、安全和可靠，有效控制空船重量。

1 船舶概況

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司自主研發(fā)的170000m3系列LNG船采用薄膜型結(jié)構(gòu)，縱向艙室布置見圖1。貨艙區(qū)的典型結(jié)構(gòu)型式為雙層底、雙層殼、雙層橫艙壁、雙圍阱甲板?？傞L(zhǎng)290m，型寬43.35m，型深26.25m，載貨量約170000m3，分為4個(gè)獨(dú)立的液貨艙。

2 大型薄膜型LNG船規(guī)范計(jì)算

2.1 LNG船中剖面設(shè)計(jì)

舯剖面計(jì)算采用LR RULES CALC 軟件進(jìn)行，并用SPREAD SHEET對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

LNG船中剖面設(shè)計(jì)的特殊性，在于滿足圍護(hù)系統(tǒng)專利公司GTT的相關(guān)要求。對(duì)于薄膜型LNG船，主要應(yīng)該滿足：1) 液貨艙幾何尺寸、布置的規(guī)定；2) 裝載率；3) 船體構(gòu)件總體性能達(dá)標(biāo)。

按照 GTT要求確定結(jié)構(gòu)型式，特別注意船體內(nèi)殼的布置；初步確定結(jié)構(gòu)型式后，在規(guī)范計(jì)算中，按照GTT對(duì)船體內(nèi)殼的最大彎曲應(yīng)力的要求，驗(yàn)證總縱強(qiáng)度。

計(jì)算局部強(qiáng)度時(shí)，主要是考慮液貨裝載工況，動(dòng)、靜載荷作用在船體結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)。

結(jié)合舯剖面計(jì)算結(jié)果，對(duì)全船結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步規(guī)范計(jì)算，完成基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 液貨艙晃蕩（Sloshing）響應(yīng)計(jì)算

液貨艙內(nèi)液貨裝載量的不同將引起不同的晃蕩載荷，因此各艙的裝載量可以從5%到95%，以5%遞增，從而得出19組數(shù)據(jù)。薄膜型LNG船的晃蕩主要考慮：橫搖（Roll），縱搖（Pitch）。根據(jù)船級(jí)社建議，橫搖狀態(tài)下液貨晃蕩周期與船體搖擺周期差在5s以外的狀態(tài)可以忽略，因?yàn)榈贸龅慕Y(jié)果較小，主要考慮5s以內(nèi)的狀態(tài)；同樣的，縱搖狀態(tài)下考慮3s以內(nèi)的狀態(tài)[1]。通過分析，在縱搖狀態(tài)下，內(nèi)底、艙壁、內(nèi)甲板等處出現(xiàn)晃蕩載荷比較嚴(yán)重的區(qū)域。液貨艙結(jié)構(gòu)所受晃蕩載荷見圖2。

圖2 液貨艙結(jié)構(gòu)所受晃蕩載荷

如圖2中橢圓圈內(nèi)所示，縱搖的影響主要體現(xiàn)在橫向艙壁頂部等區(qū)域。其中第1液貨艙的晃蕩載荷最小，第2和第3液貨艙橫向艙壁上的扶強(qiáng)材需要加強(qiáng)，而第4液貨艙的晃蕩載荷最大，修改的部分較多，包括inner deck上的扶強(qiáng)材也需要適當(dāng)加強(qiáng)，以確保液貨的晃蕩載荷不會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成很大的影響。

2.3 疲勞（FDA Level 2）計(jì)算

按照要求，貨艙區(qū)次要構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度需滿足北大西洋40a的要求。應(yīng)用勞氏船級(jí)社的疲勞計(jì)算軟件ShipRight Software-Fatigue Design Assessment（Level 2）進(jìn)行分析。

根據(jù)疲勞計(jì)算要求，工況分別選取壓載和滿載出港時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。壓載狀態(tài)選取的是壓載裝滿燃油出港工況；滿載狀態(tài)選取的是均質(zhì)結(jié)構(gòu)吃水（燃油滿載）的出港工況。航線的定義根據(jù)勞氏船級(jí)社的設(shè)定，波浪載荷根據(jù)IACS北大西洋設(shè)定；航行時(shí)間根據(jù)要求設(shè)定為40a，平均每年的入塢時(shí)間設(shè)定為1.5d。通過疲勞強(qiáng)度分析，貨艙區(qū)疲勞強(qiáng)度不滿足要求的外板骨材及位置分布見表1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于表1中不滿足疲勞要求的縱骨節(jié)點(diǎn)，一般通過增大縱骨尺寸或修改縱骨與肋板的連接形式達(dá)到滿足抗疲勞要求。為避免增加重量，設(shè)計(jì)中選擇修改連接形式的優(yōu)化方案。其他縱骨如甲板、內(nèi)底、內(nèi)殼、底邊艙斜板上縱骨疲勞強(qiáng)度均滿足北大西洋海況40a要求。

表1 疲勞強(qiáng)度不滿足要求的外板骨材及位置分布

3 大型薄膜型LNG船有限元計(jì)算

為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深化，引入有限元計(jì)算。相關(guān)計(jì)算滿足LR的要求，使用船級(jí)社軟件加載、前后處理。重點(diǎn)關(guān)注IGC CODE 和GTT等關(guān)于薄膜型LNG船的特殊要求，結(jié)合大型LNG船的特殊裝載工況，通過艙段有限元計(jì)算評(píng)估結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。在各動(dòng)、靜等工況下，分析船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，提出相關(guān)結(jié)構(gòu)的修改意見。

當(dāng)然 IGC CODE 對(duì)于全船結(jié)構(gòu)有限元分析有相應(yīng)的要求，而在開發(fā)設(shè)計(jì)階段，艙段有限元的計(jì)算更加實(shí)用和有效[2]。按照LR船級(jí)社建議，通過LNG船艙段有限元分析，對(duì)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、修改，為確定LNG船貨艙區(qū)構(gòu)件尺寸提供了依據(jù)。

3.1 主要承受載荷

由于各個(gè)構(gòu)件受力復(fù)雜，根據(jù)規(guī)范要求需對(duì)艙段在十余種工況下的應(yīng)力進(jìn)行校核[3]。對(duì)于每種工況，艙段所受的載荷分為總縱彎矩、水壓力和貨物載荷等。

1) 總縱彎矩：分為靜水彎矩和波浪彎矩，靜水彎矩即總體專業(yè)根據(jù)配載情況給出船中彎矩最大值，而波浪彎矩則根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算；

2) 水壓力： 分為靜水壓力和附加水壓力，附加水壓力反應(yīng)船舶外板上某處位于波峰或波谷時(shí)，該處水壓力發(fā)生的變化；

3) 貨物載荷： 分為貨物自重載荷和貨物附加載荷，貨物附加載荷用于反應(yīng)船體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度，貨物受加速度影響對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的額外載荷。

3.2 計(jì)算工況

船舶在營(yíng)運(yùn)過程中，船體結(jié)構(gòu)承受來(lái)自自身裝載的載荷以及外部載荷，同時(shí)載荷又是時(shí)刻變化的，不是所有載荷變化都會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成損害，因此只需要選擇幾種典型工況對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

根據(jù)LR船級(jí)社的船體結(jié)構(gòu)評(píng)估要求，主要分為11種典型工況（見表2）進(jìn)行計(jì)算分析。

表2 典型工況

3.3 屈服結(jié)果分析

通過LR船級(jí)社的后處理軟件ShipRight進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)的屈服和屈曲校核。

各個(gè)船體結(jié)構(gòu)區(qū)域的Combined Stress(σe)，Direct Stress(σ)，Shear Stress(τxy)需要滿足不同工況下的衡準(zhǔn)要求。前述需要校核的應(yīng)力分別對(duì)應(yīng)于ShipRight軟件中的Von-Mises Stress, Global Stress, Shear Stress。

以底部結(jié)構(gòu)為例，對(duì)于雙層底肋板，根據(jù)LR要求，需要分別對(duì)Static Cases和Dynamic Cases兩種工況對(duì)應(yīng)的 Von-Mises Stress，Shear Stress校核。圖 3、4為雙層底肋板 Static Cases下各個(gè)子工況的最大Von-Mises Stress及Shear Stress結(jié)果圖。同樣，根據(jù)LR要求，該工況下Von-Mises Stress的材料利用因子不大于0.75；Shear Stress不大于110.25MPa（見圖4），在靠近底邊水艙的位置Shear Stress較大，出現(xiàn)了大于應(yīng)力衡準(zhǔn)的區(qū)域，需要針對(duì)LR要求，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行修改。

圖3 Static Cases下Von-Mises Stress結(jié)果

圖4 Static Cases下Shear Stress結(jié)果

3.4 屈曲結(jié)果分析

由于屈曲分析是基于凈尺寸模型，需將原有限元模型轉(zhuǎn)為用于屈曲分析凈尺寸模型。同時(shí)，ShipRight會(huì)自動(dòng)根據(jù)主要構(gòu)件和次要構(gòu)件作為邊界，將各個(gè)板架生成用于屈曲計(jì)算的 PANEL單元，進(jìn)行屈曲分析并顯示結(jié)果。

采用Factor against Buckling(λ)作為屈曲評(píng)估依據(jù)，對(duì)于縱向構(gòu)件，需要滿足λ＞1；對(duì)于橫向構(gòu)件，需要滿足λ＞1.1。圖5為底部外板不符合屈曲衡準(zhǔn)的區(qū)域，主要顯示了3號(hào)貨艙的底部外板部分。

圖5 外底板屈曲不符合要求的區(qū)域

根據(jù)艙段有限元模型的屈服及屈曲計(jì)算結(jié)果，對(duì)不滿足LR要求的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸或形式的修改，如增加板厚或增加加強(qiáng)筋。設(shè)計(jì)過程中控制修改范圍，達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。同樣對(duì)于應(yīng)力較小的區(qū)域還可以適當(dāng)減少板厚或構(gòu)件，以降低材料重量。

4 船體總振動(dòng)固有頻率預(yù)報(bào)

船舶振動(dòng)直接影響船體結(jié)構(gòu)安全性和人員居住的舒適性，是船舶性能的重要指標(biāo)之一。在船舶設(shè)計(jì)前期，為避免共振，降低振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)船體梁固有頻率的預(yù)報(bào)是相當(dāng)重要的[4]。然而在開發(fā)設(shè)計(jì)階段，往往資料及數(shù)據(jù)欠缺。因此通過幾種經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于 LNG船進(jìn)行總振動(dòng)固有頻率預(yù)報(bào)。隨著設(shè)計(jì)的深入，進(jìn)一步采用有限元法，對(duì) LNG船進(jìn)行總振動(dòng)固有頻率計(jì)算。同時(shí)，將經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的結(jié)果與有限元結(jié)果比較分析，探討其對(duì)于LNG船進(jìn)行總振動(dòng)固有頻率預(yù)報(bào)的適用性。

設(shè)計(jì)船在滿載及壓載狀態(tài)下應(yīng)用各方法計(jì)算的船體總振動(dòng)固有頻率結(jié)果見表3、4。

表3 滿載狀態(tài)固有頻率預(yù)報(bào) 單位：Hz

表4 壓載狀態(tài)固有頻率預(yù)報(bào) 單位：Hz

結(jié)果表明，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式中，“型船法”的計(jì)算結(jié)果和實(shí)船相對(duì)比較吻合。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇“型船法”進(jìn)行固有頻率預(yù)報(bào)。為主機(jī)選型和螺旋槳葉數(shù)的確定提供依據(jù)，從而避免共振，力求降低實(shí)船的振動(dòng)水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

在LNG船開發(fā)設(shè)計(jì)階段，通過大量的分析計(jì)算，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、可靠性。改變了LNG船設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來(lái)依靠國(guó)外設(shè)計(jì)的局面，為自主開發(fā)設(shè)計(jì)更大型的LNG船積累了經(jīng)驗(yàn)，也為實(shí)現(xiàn)LNG產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

[1] 英國(guó)勞氏船級(jí)社. Structural Design Assessment — Primary Structure of Membrane Tank LNG Ships (Guidance on Direct Calculations)，2008 [S].

[2] 戴 立，雷杜輝，江克進(jìn). 有限元計(jì)算在大型LNG船開發(fā)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程，2013，增刊1.

[3] 劉文華. 中小型LNG船C型獨(dú)立液貨艙載荷分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (2): 1-6.

[4] 中國(guó)船級(jí)社. 船上振動(dòng)控制指南[M]. 北京：人民交通出版社，2012.