小型LNG運輸船耐撞性能對比分析

王慶豐，劉 娟，崔相義，黃小平

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030)

0 引 言

近年來，隨著天然氣在各大能源消耗中的比重大幅提升，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）運輸船出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。在我國，地區(qū)性輸氣管網(wǎng)加速建設(shè)，LNG進口接收站數(shù)量逐年增加，城鄉(xiāng)居民用能結(jié)構(gòu)調(diào)整，這些促使中小型LNG運輸船呈現(xiàn)高增長的態(tài)勢。另一方面，內(nèi)河水上交通運輸日益繁忙，船舶噸位、航速都不斷增加，發(fā)生船舶碰撞事故的概率增加，而LNG運輸船作為危險化學(xué)品船，一旦發(fā)生碰撞泄漏事故，后果將不堪設(shè)想，因此，對小型LNG運輸船開展碰撞性能研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，關(guān)于圍護系統(tǒng)碰撞失效臨界狀態(tài)的選取還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。Paik[1]通過模擬球罐型LNG船受船首撞擊的場景，提出2種評判標(biāo)準(zhǔn)，即LNG船液貨艙出現(xiàn)破裂和撞擊船船首觸碰到液貨艙艙壁。法國GTT公司根據(jù)殷瓦鋼延展性高的特點，提出以殷瓦鋼橫向最大拉伸55 mm/m，縱向最大拉伸40 mm/m作為臨界破壞狀態(tài)。Han[2]針對NO96型圍護系統(tǒng)提出內(nèi)板最大變形700 mm為新的失效狀態(tài)。K?rgesaar[3]對NO96型圍護系統(tǒng)提出了自己的結(jié)論，即以4 mm/m的內(nèi)板變形作為生存極限評判標(biāo)準(zhǔn)。ABS[4]給出以絕緣箱的極限強度40 MPa作為系統(tǒng)失效標(biāo)準(zhǔn)。隨著薄膜型圍護系統(tǒng)建造技術(shù)的成熟及成本的降低，其在小型LNG運輸船上的應(yīng)用將成為新的發(fā)展趨勢。本文以某設(shè)計院設(shè)計的1艘2 000 m3LNG運輸船為研究對象，分別模擬了薄膜型和獨立C型2種艙型的船舶碰撞情景，提出適用的評價薄膜型圍護系統(tǒng)失效的新標(biāo)準(zhǔn)，同時從失效時間、極限撞深以及結(jié)構(gòu)吸能3方面對耐撞性能進行分析研究。

1 有限元模型及碰撞方案

1.1 碰撞模型簡介

本文研究的內(nèi)河薄膜型LNG運輸船主尺度如表1所示。同時，為了重點研究不同艙型圍護系統(tǒng)對碰撞性能的影響，采取控制變量的方法，即獨立C型LNG船采用相同的舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式[5]，以減小由于船體結(jié)構(gòu)不同帶來的2種艙型之間的碰撞差異，圖1是薄膜型和獨立C型LNG運輸船橫剖面圖。

表1 2 000 m3薄膜型LNG運輸船主尺度Tab. 1 Main dimensions of 2 000 m3 membrane LNG

1.2 不同艙型圍護系統(tǒng)

獨立C型LNG運輸船的罐體部分包括圓柱殼體和球型封頭2部分，具體的板厚尺寸應(yīng)滿足《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》相關(guān)要求為：

式中：Peq為內(nèi)部壓力；Di=6 400mm為容器殼體內(nèi)徑；σm為許用膜應(yīng)力；c=1 mm為腐蝕增量；y=0.55為形狀系數(shù)；為焊接有效系數(shù)。

本文取C型罐整體厚度30 mm,滿足規(guī)范要求。

薄膜型LNG運輸船采用法國GTT公司的NO96型圍護系統(tǒng)，如圖2所示，主要由主次絕緣箱、樹脂繩、殷瓦鋼、機械螺栓和四角墊塊等部件組成。其中，絕緣箱作為圍護系統(tǒng)的主體，大小規(guī)格都有特定的說明，如圖3所示。Paik J K[6]通過力學(xué)拉伸試驗驗證了在數(shù)值模擬中將層合板假設(shè)為各向同性的彈塑性材料的有效性。殷瓦鋼由于厚只有0.7 mm，一般認為不能單獨承受載荷，因此，絕大多數(shù)學(xué)者在研究中都將其忽略，然而發(fā)生在1979年的EI Paso Paul Kayser薄膜型LNG運輸船擱淺事故表明，殷瓦鋼高沖擊韌性的特點對防止液貨泄漏有重要作用，本文依據(jù)S Han[2]關(guān)于薄膜的力學(xué)拉伸試驗，在碰撞模擬中考慮殷瓦鋼的作用。主要構(gòu)件的材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)Tab. 2 The material parameters

1.3 有限元模型建立

本文撞擊船模型選取長江內(nèi)河航行的帶有球鼻首的4 000 t集裝箱船，從實際船舶碰撞事故可知，撞擊船船首剛度一般遠遠大于被撞船，因此可以將其簡化為剛性撞頭處理。圖4為撞頭有限元模型，采用殼單元建模，整個撞頭包括920個四邊形單元，網(wǎng)格尺寸為0.2 m，在端點處定義4×106kg的質(zhì)量點以代替整船質(zhì)量。

被撞船選取#36～#56肋位的平行中體艙段建立有限元模型，全長12 m，包括2個橫艙壁之間的距離,網(wǎng)格大小為100 mm，圖5為2種艙型LNG運輸船艙段有限元模型，船體部分采用Q235鋼。

表3 絕緣箱接觸彈簧單元剛度Tab. 3 The spring stiffness of insulation box

英國勞氏船級社針對薄膜型圍護系統(tǒng)中，絕緣箱之間的接觸問題作了系統(tǒng)研究，認為采用線性彈簧單元模擬接觸較為合理[7],表3給出了彈簧單元剛度。絕緣箱取鋪滿整個舷側(cè)艙壁為宜[8]，共計3×10個，殷瓦鋼采用tie方式與主絕緣箱粘連，模型示意圖如圖6所示。

1.4 碰撞方案

從長江海事部門資料了解到，內(nèi)河船長在60～100 m的集裝箱船航速均值一般在18 km/h左右。因此，本文碰撞模擬以5 m/s速度作為撞擊速度，選取3個典型的碰撞位置進行分析，如圖7所示。初始時刻，撞頭與舷側(cè)之間有0.1 m的距離。在仿真中考慮撞頭與被撞船之間的摩擦作用，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.3。根據(jù)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的對稱性和變形特點，確定艙段兩端剛性固定，中間施加對稱約束。

2 計算仿真結(jié)果及分析

2.1 圍護系統(tǒng)極限失效

圖8和圖9分別為C型罐體和薄膜圍護系統(tǒng)在3個不同碰撞位置下極限失效時刻的結(jié)構(gòu)損傷變形圖，從圖中可以看出：

1）獨立C型罐體損傷變形區(qū)域主要集中在撞擊點處，從而驗證了碰撞具有局部性的論斷。C型罐的失效形式主要表現(xiàn)為膜拉伸變形和彎曲變形，在型深方向上由于撕裂首先出現(xiàn)細長形的裂縫，從網(wǎng)格大小可以大約估算出裂縫的面積為0.3 m2左右。

2）薄膜圍護系統(tǒng)中，絕緣箱在高沖擊載荷下均出現(xiàn)了嚴(yán)重的壓潰現(xiàn)象，對抵抗碰撞所起作用較小。殷瓦鋼的變形模式主要是膜拉伸，由于殷瓦鋼是粘黏在絕緣箱表面，應(yīng)力通過絕緣箱傳遞過程中，隨著絕緣箱的失效，應(yīng)力在接觸面內(nèi)相對較分散。

3）綜合比較3個不同位置的碰撞結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，薄膜型圍護系統(tǒng)失效時間全部晚于獨立C型罐體失效時間，大約推遲了0.1s左右。這是由于殷瓦鋼高韌性的物理特性對結(jié)構(gòu)失效起到了很大的延遲作用。

2.2 船體結(jié)構(gòu)損傷變形

在強烈的碰撞沖擊過程中，碰撞區(qū)各船體構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)形式的不同，將表現(xiàn)出不同的損傷模式?，F(xiàn)以碰撞點3為例，主要對舷側(cè)外板和內(nèi)板的計算結(jié)果進行分析。

圖10是極限狀態(tài)下，2種艙型LNG運輸船船體結(jié)構(gòu)損傷變形圖，圖11和圖12分別是外板、內(nèi)板應(yīng)力云圖，從圖中可以看出：

1）薄膜型圍護系統(tǒng)失效時刻船體結(jié)構(gòu)的整體形變量大于獨立C型船體結(jié)構(gòu)形變量。對于薄膜型艙段，結(jié)構(gòu)參與抵抗碰撞的時間變長，結(jié)構(gòu)形變加大，整體發(fā)生了更為嚴(yán)重的拉伸、屈曲、擠壓、壓潰、斷裂等變形。

2）舷側(cè)外板和內(nèi)板在系統(tǒng)失效時刻表現(xiàn)出相似的變形特征，都出現(xiàn)了破裂，隨著碰撞力傳遞到圍護系統(tǒng)上直至失效，薄膜型舷側(cè)內(nèi)板的破裂面積要明顯大于獨立C型內(nèi)板變形。

2.3 碰撞力

圖13為3個不同碰撞點下的碰撞力時序曲線，從圖中可以看出：

1）碰撞力曲線呈現(xiàn)出高度的非線性，碰撞力隨時間變化曲線的形態(tài)可以反映出碰撞歷程中各個構(gòu)件的失效情況，每一次碰撞力的下降都代表著一個構(gòu)件的失效卸載。

2）在3幅曲線圖中，碰撞的初始階段，2條曲線表現(xiàn)出高度的一致性，這是因為2種艙型的LNG船舷側(cè)船體結(jié)構(gòu)一致，在外板破裂之前，均是隨著時間的增加，碰撞力上升，當(dāng)達到一定值后開始出現(xiàn)下降，對應(yīng)著外板的破裂。隨著撞頭的深入，碰撞力通過構(gòu)件傳遞到圍護系統(tǒng)上，2條曲線表現(xiàn)出差異性。整體上，獨立C型的最大碰撞力大于薄膜型，因為當(dāng)撞頭觸及C型罐體時，罐體參與抵抗變形，碰撞力升高，當(dāng)應(yīng)力增大到一定值后，罐體破損，碰撞力也急劇下降。而薄膜型圍護系統(tǒng)由于絕緣箱和殷瓦鋼剛度都較小，因此在碰撞力曲線上最大值都低于C型艙的碰撞力最大值。

3）在3個碰撞點中，無論是薄膜型還是獨立C型，碰撞力都是在位置3處最先達到最大值，因為碰撞點3位于強橫框架和舷側(cè)縱骨的十字交叉點處，雖然相對剛度較大，但由于構(gòu)件的強力傳遞作用導(dǎo)致舷側(cè)內(nèi)板過早地參與變形，從而失效時間提前。

2.4 能量轉(zhuǎn)換與吸收

以碰撞點1為例，從能量轉(zhuǎn)換與吸收的角度對2種艙型LNG運輸船舷側(cè)耐撞性能進行分析。

從圖14可以看出，2種艙型各構(gòu)件的能量吸收曲線大體一致，都是隨著時間的增加而逐漸增加，舷側(cè)外板是最大的吸能構(gòu)件，均占到50%左右，其次是舷側(cè)內(nèi)板，因此，提高LNG運輸船耐撞性能可以從增加外板厚度方面考慮。

表4為各構(gòu)件能量吸收匯總，薄膜型LNG運輸船中，絕緣箱和殷瓦鋼的吸能比僅占很小一部分，說明在碰撞過程中，絕緣系統(tǒng)不是主要吸能構(gòu)件。C型罐體在失效臨界狀態(tài)時，吸能相對較多。

3 結(jié) 語

本文利用Abaqus有限元軟件對薄膜型和獨立C型2種艙型的LNG運輸船碰撞事故進行數(shù)值仿真模擬，主要結(jié)果匯總于表5，通過對失效時間、極限撞深和結(jié)構(gòu)吸能的分析可以得出以下結(jié)論：

1）薄膜型LNG運輸船由于殷瓦鋼高延展性的特點，延緩了系統(tǒng)失效時間，總體上臨界失效時間比獨立C型晚0.1 s左右，極限撞深也增加約0.4 m，結(jié)構(gòu)總體吸能大5%左右，綜合考慮，小型LNG運輸船采用薄膜型圍護系統(tǒng)的耐撞性能優(yōu)于獨立C型。

表4 各構(gòu)件吸能Tab. 4 Energy absorption capacity of structural components

2）薄膜型圍護系統(tǒng)中，殷瓦鋼主要以膜拉伸變形為主，絕緣箱屬于脆性材料，對結(jié)構(gòu)抵抗碰撞的作用很小，出現(xiàn)嚴(yán)重的壓潰現(xiàn)象。

表5 薄膜型與獨立C型LNG船碰撞結(jié)果對比Tab. 5 Comparision of collision results between membrane LNGC and C-type LNGC

3）絕緣箱體和殷瓦鋼組成的圍護系統(tǒng)吸能僅占整體吸能的一小部分，更多的是通過延緩失效時間增加船體結(jié)構(gòu)的總吸能。而C型罐體在結(jié)構(gòu)碰撞中參與抵抗變形，吸能較多。船體部分，外板是主要的吸能構(gòu)件，可以通過增加外板厚度提高整體抗撞性能。

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