獨立B型LNG船液艙晃蕩強度分析方法

張明娟，劉 俊，薛鴻祥，唐文勇

(1. 海洋工程國家重點實驗室 上海交通大學(xué)，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 船海協(xié)創(chuàng)中心，上海 200240)

獨立B型LNG船液艙晃蕩強度分析方法

張明娟1,2，劉 俊1,2，薛鴻祥1,2，唐文勇1,2

(1. 海洋工程國家重點實驗室 上海交通大學(xué)，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 船海協(xié)創(chuàng)中心，上海 200240)

為了保證液艙艙容大且無裝載限制的新型獨立B型LNG船在晃蕩載荷下的強度滿足使用要求，提出液艙結(jié)構(gòu)晃蕩強度直接分析方法。采用規(guī)范公式確定液艙晃蕩載荷，根據(jù)該方法對液艙模型進行粗網(wǎng)格分析，進行典型區(qū)域橫搖工況下超出應(yīng)力許用值的精細網(wǎng)格分析。結(jié)果表明，該方法可以對獨立液艙晃蕩強度進行有效評估，其中的精細網(wǎng)格計算結(jié)果可真實反映高應(yīng)力梯度區(qū)域的應(yīng)力情況。分析結(jié)果可為液艙晃蕩強度評估、液艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及同類LNG船的設(shè)計開發(fā)提供參考。

獨立B型LNG船液艙；液艙晃蕩；細化分析

0 引 言

液化天然氣作為一種新的綠色能源，其市場占有率隨著世界環(huán)保意識的提高而日益增大，作為運輸液化天然氣的專用船舶——液化天然氣船（Liquefied Natural Gas Carrier，LNG）也走向大型化。大型LNG船具有更大裝載能力，但也存在一定的安全隱患，如在航行過程中易產(chǎn)生更加劇烈的晃蕩，其產(chǎn)生的晃蕩沖擊壓力會對液艙艙壁產(chǎn)生較大的沖擊力，致使船體結(jié)構(gòu)存在安全隱患[1]。因此，對LNG船晃蕩載荷下液艙強度的評估已成為液化天然氣船安全方面評估的重要內(nèi)容之一。

獨立B型LNG船液艙屬于SPB棱柱型液艙，具有易維修、操縱性好、較易控制溫度和壓力以及晃蕩產(chǎn)生的影響相對較小[2]等優(yōu)點。盡管如此，鑒于國內(nèi)外相關(guān)資料相對較少，而目標(biāo)船液艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、艙容大、自由液面長且無裝載限制[3]，研發(fā)過程中對其晃蕩載荷作用下的局部結(jié)構(gòu)強度進行考察仍然十分必要。由于LNG船承載液貨，所以目前針對晃蕩載荷的研究相對較多，而關(guān)于液艙直接計算的文獻相對較少。其中陳潛等[4]采用直接計算法分別使用接地彈簧單元和塊單元2種模擬方式對墊塊結(jié)構(gòu)進行模擬，對獨立B型LNG船液艙晃蕩強度進行評估，但沒有系統(tǒng)的總結(jié)方法；王元等[5]考慮了晃蕩效應(yīng)，建立了獨立B型LNG船液艙艙段模型，采用多目標(biāo)遺傳算法對獨立B型LNG船液艙結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。目前絕大多數(shù)船級社規(guī)范沒有直接針對液艙有限元計算的內(nèi)容，中國船級社在2016年7月新發(fā)布的《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[6]中補充了B型獨立艙型液化氣體船液艙結(jié)構(gòu)校核的直接計算方法，屬于業(yè)內(nèi)較為先行的規(guī)定，方法中要求建立船體結(jié)構(gòu)、獨立艙結(jié)構(gòu)以及獨立艙的限位裝置（限位墊塊+底座）及其支撐結(jié)構(gòu)。但是對獨立型液艙，船體結(jié)構(gòu)的影響相對較小，如果考慮船體和艙段，分析工作量及復(fù)雜程度相對較大，如非必要，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽Κ毩⒁号搯为氈苯舆M行分析更為合適。

本文的目標(biāo)船為某新型170 000 m3獨立B型LNG船，擬入DNV籍，但目前DNV還沒有針對晃蕩載荷作用下獨立B型LNG船棱型液艙強度校核的直接計算分析方法。本文考慮晃蕩載荷下液艙的工況、受載及支撐特點，確定了液艙晃蕩局部強度直接評估方法，并據(jù)此方法以目標(biāo)液艙為例進行了晃蕩局部強度分析，研究成果可為獨立B型LNG船液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及晃蕩強度評估提供參考。

1 液艙晃蕩局部強度直接計算

晃蕩是液體在盛液容器內(nèi)由于自由表面波動所引起的整個液體的運動，液體晃蕩一般較為復(fù)雜，通常表現(xiàn)出很強的非線性和隨機性，嚴(yán)重的液體晃蕩會出現(xiàn)漩渦、飛濺等強烈的非線性現(xiàn)象[7]。目標(biāo)船液艙尺度較大，較長的自由液面導(dǎo)致晃蕩時液體壓強變化大，這會對惡劣工況下船舶液艙結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響。在此參考DNV規(guī)范建立液艙晃蕩局部強度直接評估方法如下。

1.1 工況選擇及載荷計算組合

計算考慮實船縱搖和橫搖2種情形。

1）對于距離橫向制蕩橫艙壁和端部橫艙壁0.25lb范圍內(nèi)的構(gòu)件，壓力為：

2）對于距離縱向制蕩橫艙壁和艙邊艙壁0.25bb范圍內(nèi)的構(gòu)件，壓力為：

其中：ρ為液貨密度，kg/m3。

3）與制蕩橫艙壁和端部艙壁鄰近的強框架或桁材構(gòu)件，壓力為：

對于強框架

對于縱桁材

1.2 有限元模型

鑒于液艙結(jié)構(gòu)晃蕩強度分析尺度與船體結(jié)構(gòu)艙段分析相當(dāng)，且為了應(yīng)力衡準(zhǔn)可供參考，故此確定液艙粗網(wǎng)格計算參考艙段直接計算的原則建立模型，即采用板梁單元離散建模，單元尺寸參考最小骨材間距確定，其中艙壁板以及桁材采用板單元建模，骨材采用梁單元建模。同樣，細化分析中局部精細網(wǎng)格尺寸確定為50 mm×50 mm，以保證衡準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的可借鑒性。其中細化區(qū)域內(nèi)艙壁桁材和骨材采用板單元建模，并且在拐角處結(jié)構(gòu)細節(jié)會進一步體現(xiàn)，以求數(shù)值結(jié)果準(zhǔn)確反映此處應(yīng)力情況。

目標(biāo)船的液艙與船體結(jié)構(gòu)之間采用垂向墊塊、反縱搖支撐塊和反橫搖支撐塊連接，墊塊只承受壓力，故此采用接地彈簧單元進行模擬，并經(jīng)過試算剔除受拉的彈簧單元[4]，反復(fù)試算確保所有彈簧單元處于受壓狀態(tài)。由于反縱搖和反橫搖墊塊成對設(shè)置的，故確定直接在液艙反縱搖和反橫搖支撐處分別約束X和Y方向線位移。

1.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)

液艙結(jié)構(gòu)直接分析衡準(zhǔn)參考DNV對獨立B型LNG船液艙結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容確定[8]，粗網(wǎng)格分析采用0.7倍的屈服應(yīng)力作為許用應(yīng)力，精細網(wǎng)格分析取粗網(wǎng)格許用應(yīng)力的1.6倍。

另外，參考規(guī)范常有的做法，若細網(wǎng)格區(qū)域應(yīng)力梯度較大或最高應(yīng)力仍然超出許用值要求時，取原有粗網(wǎng)格區(qū)域的所有精細網(wǎng)格單元的平均應(yīng)力作為這一區(qū)域的應(yīng)力值，采用粗網(wǎng)格的許用值進行衡準(zhǔn)。

2 目標(biāo)船液艙晃蕩強度分析

2.1 粗網(wǎng)格分析

建立目標(biāo)液艙有限元模型，網(wǎng)格尺寸采用縱骨間距800 mm×80 mm，見圖1。

試算發(fā)現(xiàn)，高裝載工況下液艙受到的靜水壓力較大，導(dǎo)致液艙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，此時結(jié)構(gòu)較為危險，因此本文考慮高裝載工況進行液艙結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

對目標(biāo)液艙施加晃蕩載荷、靜水壓力和蒸汽壓力，其中蒸汽壓力大小為0.7 bar。橫搖工況下載荷云圖見圖2。

進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算，橫搖工況下的典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果列于表1。

典型構(gòu)件的應(yīng)力云圖見圖3。

表 1 橫搖工況液艙典型結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果Tab. 1 Von mises stress of typical area in rolling condition

綜合橫搖工況下的強度評估結(jié)果，可以看出：

1）橫搖工況下的液艙艙壁強度基本符合強度要求；

2）液艙結(jié)構(gòu)中超許用值區(qū)域主要集中在水平桁材、橫艙壁垂直桁材以及橫框架的拐角處，桁材的較大應(yīng)力是由于艙壁的變形引起桁材拐角處的拉伸從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）水平桁材越低，應(yīng)力水平越高，最大應(yīng)力出現(xiàn)在距離底部14 437BL處的水平桁材拐角處；因為理想化的原因，液艙底部約束附近區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

為了進一步準(zhǔn)確模擬水平桁材、橫艙壁垂直桁材以及橫框架等處的應(yīng)力情況，在本小節(jié)基礎(chǔ)上進行局部細化有限元分析。

2.2 局部細化分析

根據(jù)粗網(wǎng)格計算結(jié)果，篩選制蕩橫艙壁、水平桁材腹板、垂直桁材腹板和橫框架腹板出現(xiàn)最高應(yīng)力的位置進行精細網(wǎng)格分析，網(wǎng)格大小取50 mm×50 mm。細化區(qū)域網(wǎng)格如圖4所示。

進行細化分析時，精細網(wǎng)格嵌于粗網(wǎng)格液艙結(jié)構(gòu)模型中。液艙精細網(wǎng)格有彈簧邊界的部位，按照粗網(wǎng)格對處于該區(qū)域等面積內(nèi)的所有細網(wǎng)格節(jié)點進行彈簧并聯(lián)處理，同樣通過試算確定彈簧的拉壓狀態(tài)。

細化分析典型區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果如表2。

典型區(qū)域的應(yīng)力云圖如圖5所示。

表 2 典型結(jié)構(gòu)細化分析應(yīng)力結(jié)果Tab. 2 Von mises stress of typical area in refined mesh analysis

由應(yīng)力結(jié)果和應(yīng)力云圖可以看出：制蕩橫艙壁310280518/257448Y*水平桁材腹板416280585/436420N垂直桁材腹板289280343/205420Y

橫框架288280774/276420Y*

注: 1）細網(wǎng)格結(jié)果一欄里 A 代表細網(wǎng)格最高應(yīng)力，B 代表細網(wǎng)格平均應(yīng)力；2）Y* 表示細網(wǎng)格平均應(yīng)力值滿足粗網(wǎng)格許用應(yīng) 力要求。

1）由于網(wǎng)格尺度較小，細化分析的最大應(yīng)力一般大于粗網(wǎng)格，但是細化之后同面積的平均應(yīng)力一般小于粗網(wǎng)格，這是由于細化網(wǎng)格對局部加強或是改善應(yīng)力集中的構(gòu)件模擬更加真實的原因；

2）大部分構(gòu)件在細化之后能滿足許用應(yīng)力要求，但是距離液艙底部較近的14 437BL處的水平桁材腹板拐角處應(yīng)力仍然超出許用值（應(yīng)力分布見圖6），同時因為粗網(wǎng)格的簡化處理加強了均化效應(yīng)，細化后應(yīng)力平均值反而大于粗網(wǎng)格的結(jié)果，這是因為該處為結(jié)構(gòu)形狀變化部位，屬于容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，考慮到結(jié)構(gòu)安全性，后續(xù)設(shè)計中可從增大板厚和骨材尺寸兩方面對此處進行結(jié)構(gòu)加強。

3 結(jié) 語

本文確定了LNG液艙晃蕩強度直接計算方法，該方法得到了相關(guān)船級社的認(rèn)可，對獨立B型液艙結(jié)構(gòu)的局部強度評估以及結(jié)構(gòu)設(shè)計有參考價值。同時從計算可以發(fā)現(xiàn)，某新型獨立B型LNG目標(biāo)船船棱形液艙除極局部區(qū)域外，液艙構(gòu)件大部分滿足強度要求，計算也表明由于精細網(wǎng)格真實反映了結(jié)構(gòu)設(shè)計細節(jié)，可以得到更接近結(jié)構(gòu)真實應(yīng)力分布的結(jié)果，這對于艙口角隅等應(yīng)力梯度變化較大的區(qū)域的真實應(yīng)力還原具有很大的參考價值。

從本文的工作還可以發(fā)現(xiàn)，在艙室尺寸較大時，如果實船晃蕩載荷工況下凈水載荷比重較高，水平桁采用等尺寸設(shè)計、等間距布置，會出現(xiàn)較低部位構(gòu)件應(yīng)力水平會比較高的現(xiàn)象，如果水平桁間距由底部較小漸變到上部較大，則構(gòu)件受力會更加均勻合理，下一步將會在本文基礎(chǔ)上對液艙水平桁設(shè)計布置進行優(yōu)化以及計算驗證。

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[8]DNV(DET NORSKE VERITAS). RULES For Strength Analysis of Liquefied Gas Carriers with Independent Type B Prismatic Tanks [M].

Strength analysis measures of LNG ship with independent type B tanks under sloshing load

ZHANG Ming-juan1,2, LIU Jun1,2, XUE Hong-xiang1,2, TANG Wen-yong1,2
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

In order to ensure that the sloshing strength of the new independent type B tanks in LNG ship with large capacity and free loading limit meets the requirements, a new direct analysis method for the sloshing strength assessment of the tank is proposed. Sloshing loads were calculated according to formulas recommended in rules. The coarse gird analysis of the tank was carried out according to the direct calculation method. Then the region which exceeded the allowable stress was filtered and fine mesh analysis on the target region in rolling condition was done. The result shows that the method can be used to evaluate the sloshing strength of the independent tank effectively, and the result of the fine mesh calculation can reflect the stresses distribution state of the high stress gradient region truly. The analysis results can provide reference for the evaluation of the tank sloshing strength, optimization of the tank structure and further design of the similar LNG ships.

independent type B tank；sloshing；fine mesh analysis

U661.1

A

1672 – 7649(2017)09 – 0059 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.012

2016 – 11 – 29；

2017 – 01 – 05

工信部重大專項資助項目

張明娟(1992 – )，女，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)。