某化學(xué)品船液貨艙晃蕩強(qiáng)度分析

郭 磊

（意大利船級社（中國）有限公司 上海200052）

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某化學(xué)品船液貨艙晃蕩強(qiáng)度分析

郭 磊

（意大利船級社（中國）有限公司 上海200052）

［摘 要］液貨艙內(nèi)液體的晃蕩問題是液貨船結(jié)構(gòu)分析中一項十分重要的內(nèi)容。文章根據(jù)意大利船級社規(guī)范相關(guān)規(guī)定，對一艘化學(xué)品船的兩個液貨艙進(jìn)行了晃蕩強(qiáng)度方面的校核， 為今后液貨船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)范審圖和設(shè)計提供有價值的參考。

［關(guān)鍵詞］化學(xué)品船；液貨艙；晃蕩；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

引 言

由于液貨船的液貨艙通常較大，因此船舶航行過程中，當(dāng)液艙內(nèi)部分裝載液體貨物時，在船舶搖蕩的激勵作用下，液艙內(nèi)的液體貨物會產(chǎn)生晃蕩效應(yīng)。液體晃蕩不但影響船舶穩(wěn)性，而且當(dāng)發(fā)生劇烈晃蕩時，會對艙壁等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抨擊，造成結(jié)構(gòu)損壞［3-5］。本文以某5萬噸級化學(xué)品船為例，根據(jù)意大利船級社規(guī)范分析當(dāng)液艙部分裝載時的晃蕩載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并提出增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的建議。

1　化學(xué)品船的分艙特征

該化學(xué)品船共分為12個貨艙，左右舷各6個貨艙，貨艙的外部均設(shè)有壓載水艙的雙殼保護(hù)，中縱艙壁和橫艙壁均為槽型艙壁。該船中剖面在意大利船級社規(guī)范計算軟件LH-2D中，如下頁圖1所示。

實船在營運(yùn)過程中可能發(fā)生裝載高密度化學(xué)品的情況，從而導(dǎo)致液艙會部分裝載和隔艙裝載。本文中假設(shè)此化學(xué)品船裝載密度為1.2 t/m3的液貨，裝載高度為液貨艙高度的0.6倍（因為根據(jù)意大利船級社規(guī)范，在液貨裝載至0.6 ～0.7倍液艙高度時晃蕩壓力最大）。根據(jù)上述假設(shè)，對此化學(xué)品船的第四貨艙和第一貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

2　諧蕩危險

在進(jìn)行晃蕩分析之前，首先要進(jìn)行諧蕩危險評估，即此液艙會不會發(fā)生晃蕩效應(yīng)。根據(jù)意大利船級社規(guī)范，當(dāng)液貨艙部分裝載時，即裝載的液貨高度在液貨艙高度的0.1 ～ 0.95倍時，由于船舶的橫搖、縱搖或橫蕩運(yùn)動，可能會發(fā)生諧蕩危險。運(yùn)用意大利船級社規(guī)范計算軟件LH-2D，就可以分析諧蕩危險。此化學(xué)品船第四貨艙的分析結(jié)果如圖2所示。

圖1　化學(xué)品船中剖面2D模

圖2　化學(xué)品船液艙諧蕩危險分析

由圖2可以看出，標(biāo)有“YES”的位置都是可能由于船舶運(yùn)動中的橫蕩或者縱搖而產(chǎn)生晃蕩效應(yīng)的地方。因此化學(xué)品船有發(fā)生晃蕩效應(yīng)的危險，需要進(jìn)行晃蕩強(qiáng)度分析。

3　晃蕩強(qiáng)度分析的載荷

根據(jù)意大利船級社規(guī)范Pt.B Ch5 Sec6和Appendix 1，晃蕩強(qiáng)度分析需要考慮的載荷主要有以下4種：

（1）靜水壓力；

（2）慣性壓力；

（3）晃蕩壓力；

（4）沖擊動壓力。

液艙結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力除考慮上述的幾種局部載荷以外，還需要和船體梁總縱彎曲應(yīng)力相疊加，用以判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

在對裝貨高度有限制的情況下，液貨的靜水壓力和慣性壓力參看表1［2］。

已知兩個所要研究的貨艙相同的參數(shù)為dF= 10.9 m、dTB= 2.15 m、lB= 20.64 m、zTOP= 19.1 m，不同的參數(shù)為第四貨艙的bT= 14.1 m，第一貨艙的bT= 9.85 m。

第四貨艙的重心坐標(biāo)約為（92.4， 7.05， 8.5） m。第一貨艙的重心坐標(biāo)約為（155.56， 4.9， 8.5） m。

經(jīng)過計算得出第四貨艙重心處加速度為ax1= 0.760 m/s2、ay2= 3.420 m/s2、az1= 2.942 m/s2、az2=0.543 m/s2；第一貨艙重心處的加速度為ax1= 0.760 m/s2、ay2= 3.575 m/s2、az1= 4.816 m/s2、az2= 0.189 m/s2。

從表1的計算公式可以看出，靜水壓力和慣性壓力是和計算點的位置有關(guān)的量，從而靜水壓力和慣性壓力是隨著計算點位置不斷變化的。

在迎浪工況下的沖擊動壓力作用在以下兩個區(qū)域：

（1）構(gòu)成液艙邊界的橫艙壁上距離液艙頂0.15H的區(qū)域內(nèi)（H為液艙高度）；

表1　液貨-靜水壓力和慣性壓力

（2）離上述橫艙壁0.3lC區(qū)域內(nèi)的液艙頂上（lC為液艙的長度）。

迎浪工況下的沖擊動壓力由式（1）求得：

式中：φU參考表2；Ap為縱搖幅值。

經(jīng)過計算，所研究兩個貨艙迎浪工況下的沖擊動壓力PI，U= 80.15 kN/m2。

橫浪工況下的沖擊動壓力主要作用在以下兩個區(qū)域：

（1）構(gòu)成液艙邊界的縱艙壁、內(nèi)殼或舷側(cè)，距離艙頂0.15H的區(qū)域內(nèi)；

（2）橫向距離上述縱艙壁、內(nèi)殼或舷側(cè)0.3bC的液艙頂上。

橫浪工況下的沖擊動壓力可由式（2）求得：

式中：參數(shù)φI和CS參考表2。

經(jīng)過計算求得：第四貨艙橫浪工況下沖擊動壓力PI，I= 266.5 kN/m2，第一貨艙橫浪工況下沖擊動壓力PI，I= 238.1 kN/m2。

對裝貨高度有限制時的晃蕩壓力主要作用在構(gòu)成橫向或縱向液艙邊界的橫艙壁、縱艙壁、內(nèi)殼或舷側(cè)，其范圍為裝貨高度處各0.2dF。

由于本文假設(shè)裝液高度為液貨艙高度的0.6倍，故晃蕩壓力PSL，R= P0，P0為參照壓力，如下頁表2所示［2］。

經(jīng)過計算求得所研究的兩個貨艙在迎浪狀態(tài)下的晃蕩壓力PSL，R= 37.3 kN/m2。在橫浪狀態(tài)下，第四貨艙的晃蕩壓力值PSL，R= 84.7 kN/m2，第一貨艙的晃蕩壓力值PSL，R= 4.7 kN/m2。

將晃蕩分析所需要的載荷按照迎浪和橫浪工況施加在有限元模型上，所研究的兩個貨艙的載荷云圖如下頁圖3 -圖6所示：

表2　晃蕩壓力計算的參照壓力

圖3　第四貨艙迎浪工況下的載荷云圖

圖4　第四貨艙橫浪工況下的載荷云圖

圖5　第一貨艙迎浪工況下的載荷云圖

圖6　第一貨艙橫浪工況下的載荷云圖

載荷云圖中的顏色分別代表不同的壓力水平，紅色代表壓力最高，淺藍(lán)色代表壓力最低，圖中的深藍(lán)色區(qū)域為未受力區(qū)域。

4　有限元分析結(jié)果

將晃蕩強(qiáng)度分析的載荷施加到有限元模型上，經(jīng)過計算［1］，得到液貨艙的應(yīng)力云圖如圖7-圖10所示。所研究的兩個貨艙在兩種工況下的船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平如表3所示。

圖7　第四貨艙迎浪工況下的晃蕩應(yīng)力云圖

圖8　第四貨艙橫浪工況下的晃蕩應(yīng)力云圖

從表3的結(jié)果可以看出，第四貨艙的晃蕩應(yīng)力在迎浪工況小于第一貨艙，而在橫浪工況大于第一貨艙。這是由于在迎浪工況下，第四貨艙重心處的加速度小于第一貨艙，而在橫浪工況下，第四貨艙重心處的加速度大于第一貨艙。

圖9　第一貨艙迎浪工況下的晃蕩應(yīng)力云圖

圖10　第一貨艙橫浪工況下的晃蕩應(yīng)力云圖

表3　兩種工況下液貨艙的晃蕩應(yīng)力MPa

由于船體結(jié)構(gòu)均采用AH36高強(qiáng)度鋼，許用應(yīng)力為235/k = 326 MPa，故局部應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求。

想要知道船體結(jié)構(gòu)在液艙晃蕩時的總應(yīng)力水平，需將局部應(yīng)力和船體梁總縱彎曲應(yīng)力相疊加。一般認(rèn)為，此化學(xué)品船的槽型艙壁是不參與船體梁總縱彎曲的，因此只考慮內(nèi)底板、內(nèi)殼和上甲板的總縱彎曲應(yīng)力。

利用LH-2D計算軟件可以得到第四貨艙和第一貨艙相應(yīng)區(qū)域內(nèi)底板、內(nèi)殼和上甲板的總縱彎曲應(yīng)力。其結(jié)果如表4所示。

表4　考慮船體梁總縱強(qiáng)度時液貨艙結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力MPa

從表4結(jié)果可以看出，第四貨艙的內(nèi)殼和上甲板的總應(yīng)力值均超過了許用應(yīng)力。而由于第一貨艙的總縱應(yīng)力較低，故其船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平滿足了許用應(yīng)力的要求。

5　結(jié) 論

本文根據(jù)意大利船級社相關(guān)規(guī)范，對一艘化學(xué)品船的液貨艙進(jìn)行了晃蕩強(qiáng)度分析。由此得出以下結(jié)論：

對于大型液貨船，晃蕩應(yīng)力在總應(yīng)力中的比重較大，不可忽視。當(dāng)需要裝載高密度貨物時，建議最好通過隔艙裝載，達(dá)到液貨艙完全裝滿，從而避免晃蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)。

從文中的晃蕩載荷計算可以看出，沖擊動壓力在橫浪工況時非常大，這正是導(dǎo)致計算結(jié)果超過許用應(yīng)力的直接原因。這與意大利船級社規(guī)范本身的特點有關(guān)，利用沖擊動壓力公式計算得到的結(jié)果值偏大。在實際的審核過程中還可以參考其他船級社的規(guī)范綜合考慮。

從文中的計算結(jié)果來看，由于沖擊動壓力和總縱彎曲應(yīng)力的聯(lián)合作用，第四貨艙上甲板的總應(yīng)力超過許用值很多，可以考慮酌情增加上甲板的板厚，使總應(yīng)力降低到許用值之下。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 劉兵山， 黃聰. Patran從入門到精通［M］. 北京： 中國水利水電出版社， 2003.

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［3］ 陸志妹， 范佘明. 船舶液艙晃蕩研究進(jìn)展［J］. 上海造船， 2010（2）： 14-16.

［4］ 朱仁慶， 吳有生. 液艙內(nèi)流體晃蕩特性數(shù)值研究［J］.中國造船， 2002（2）： 15-21.

［5］ 朱仁慶， 吳有生. 船舶液體晃蕩動力學(xué)的研究方法及進(jìn)展［J］. 華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報， 1999（13）： 45-50.

Sloshing strength analysis of liquid cargo tanks in chemical tanker

GUO Lei
（RINA Italy Classifi cation Society （China） Co.， Ltd.， Shanghai 200052， China）

Abstract：The sloshing of the liquid in liquid cargo tanks is one of the important issues in the structural analysis of liquid cargo carriers. This study assesses the sloshing strength of the two liquid cargo tanks of a chemical tanker according to the RINA rules. It can provide valuable references for the standardized drawing and the design of the hull structures of the liquid cargo carriers in future.

Keywords：sloshing； structural strength assessment； liquid cargo tank

［中圖分類號］U661.43

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）03-0053-06

［收稿日期］2015-12-25；［修回日期］2016-02-20

［作者簡介］郭 磊（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)審圖及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。