基于仿真優(yōu)化的LNG加注船塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)

萬 莉，夏勇峰，羅 金

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

一般情況下，船舶艙室的強(qiáng)度試驗(yàn)在船舶出塢后，即碼頭階段實(shí)施。這樣安排的原因有2個(gè)，一是強(qiáng)度試驗(yàn)需要在滿足艙室完整性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，即艙室相關(guān)的所有施工要全部結(jié)束，而船塢中大部分艙室不具備這種狀態(tài)；二是強(qiáng)度試驗(yàn)需要按船級(jí)社規(guī)范要求在艙室內(nèi)注入一定高度的水[1]，如果艙室凈容積大的話，強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)將產(chǎn)生非常大的壓力，這對(duì)于塢墩和外板結(jié)構(gòu)來說都是非常危險(xiǎn)的，在碼頭階段外界水的浮力和壓強(qiáng)，可以很好地平衡強(qiáng)度試驗(yàn)的壓強(qiáng)，因此安全性比較高。

然而，碼頭階段進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)也大幅延長(zhǎng)了碼頭周期，且在強(qiáng)度試驗(yàn)過程中周邊的施工都需要暫停，這給本就緊張的碼頭作業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，如果能將滿足條件的艙室在船塢內(nèi)就進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)的話，那么對(duì)碼頭周期的縮短有著顯著的效果。公司之前承建的某船舶產(chǎn)品就曾嘗試過在船塢內(nèi)進(jìn)行貨艙壓載艙的強(qiáng)度試驗(yàn)，其實(shí)施的前提條件是塢內(nèi)必須注入一定高度的水，以平衡強(qiáng)度試驗(yàn)下塢墩和外板的受力，在船塢內(nèi)注水和放水給施工帶來的影響卻不容小覷。因此，本文以18 600 m3LNG加注船為例，研究在不對(duì)船塢注水，即干船塢的狀態(tài)下，如何借助有限元仿真計(jì)算手段[2]，通過合理的塢墩布置來實(shí)施塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn) LNG加注船的高效建造。

1 塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)的目標(biāo)選取

18 600 m3LNG加注船的艙室凈容積遠(yuǎn)小于常規(guī)的 LNG船產(chǎn)品，因此，在客觀基礎(chǔ)上是滿足塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)要求的。該船入級(jí)法國船級(jí)社，因此強(qiáng)度試驗(yàn)范圍和具體要求以法國船級(jí)社的規(guī)范為主[3]。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)，18 600 m3LNG加注船的2個(gè)液貨艙最先完成塢內(nèi)的搭載作業(yè)，因此最先具備塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)資格的就是液貨艙周圍的8個(gè)壓載艙，它們?cè)诎氪瑺顟B(tài)下即可進(jìn)行塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。其次，該船艏部艙室較為密集，艏部2個(gè)壓載艙和3個(gè)柴油艙相鄰，且相較于施工量巨大的艉部和機(jī)艙區(qū)域，艏部艙室周邊施工作業(yè)較少，因此在滿足生產(chǎn)計(jì)劃的前提下，對(duì)艏部區(qū)域?qū)嵤]內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)也能有效縮短后續(xù)碼頭周期。機(jī)艙區(qū)域艙室分布較多，相應(yīng)的施工作業(yè)也繁多，在船塢內(nèi)對(duì)機(jī)艙區(qū)域的艙室實(shí)施強(qiáng)度試驗(yàn)會(huì)在一定程度上影響該區(qū)域的其他作業(yè)，從生產(chǎn)節(jié)奏上來說暫不考慮機(jī)艙區(qū)域的塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。

通過上述綜合分析，本文選取了該船的貨艙壓載艙、艏部作為塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)的實(shí)施目標(biāo)（圖1），并進(jìn)行塢墩布置和方案驗(yàn)證。

圖1 塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)范圍選取

2 貨艙壓載艙塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩布置和仿真驗(yàn)證

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)方案

該LNG加注船貨艙區(qū)域共有8個(gè)壓載艙，左右對(duì)稱分布，由于船型尺寸小，每個(gè)壓載艙容積都在1 000 m3以下，最大的為944.9 m3，最小的為865.7 m3。因此，在滿足船級(jí)社規(guī)范要求的強(qiáng)度試驗(yàn)條件下，盡可能多地同時(shí)進(jìn)行多個(gè)壓載艙的強(qiáng)度試驗(yàn)可以提高試驗(yàn)效率，編制的貨艙壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)的方案如圖2所示。8個(gè)壓載艙的強(qiáng)度試驗(yàn)交叉間隔進(jìn)行，每次檢驗(yàn)4個(gè)，試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

圖2 貨艙壓載艙塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)方案示意圖

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩布置方案

為了滿足強(qiáng)度試驗(yàn)要求，需要合理規(guī)劃船塢內(nèi)塢墩的布置情況[4]。在進(jìn)行塢墩布置前首先對(duì)2個(gè)貨艙在塢內(nèi)完整狀態(tài)時(shí)的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)值如表2所示。

表2 貨艙區(qū)域重量統(tǒng)計(jì)

基于上述統(tǒng)計(jì)重量編制塢墩布置方案，對(duì)于 2個(gè)貨艙中間的隔離空艙部位硬檔處進(jìn)行加密處理，整個(gè)貨艙區(qū)域塢墩共計(jì)168只，具體布置方案如圖3所示。

圖3 強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩布置方案

2.3 有限元仿真計(jì)算

通過計(jì)算，每只塢墩的平均受力約為 10 639 t/168=63.3 t，初步判斷滿足塢墩的強(qiáng)度要求，下面開展有限元仿真計(jì)算對(duì)塢墩和船體結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

首先對(duì)船體結(jié)構(gòu)和塢墩進(jìn)行有限元建模，隨后根據(jù)壓載艙的強(qiáng)度試驗(yàn)方案，分別對(duì)NO.1壓載艙（P/S）和NO.3壓載艙（P/S）、NO.2壓載艙（P/S）和NO.4壓載艙（P/S）2種試驗(yàn)狀態(tài)下，塢墩受力和結(jié)構(gòu)受力2種情況進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算。

其中，NO.1壓載艙（P/S）和NO.3壓載艙（P/S）強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)塢墩有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，高受力區(qū)域集中在FR131和FR133處的塢墩，最大受力為104 t。

圖4 NO.1和NO.3壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩受力分析

NO.1壓載艙（P/S）和NO.3壓載艙（P/S）強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)船體結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示，高應(yīng)力區(qū)域位于兩對(duì)壓載艙靠艉部的艙壁邊界處，最大應(yīng)力為137 MPa。

圖5 NO.1和NO.3壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)下的結(jié)構(gòu)受力分析

隨后，對(duì)NO.2壓載艙（P/S）和NO.4壓載艙（P/S）強(qiáng)度試驗(yàn)的塢墩受力情況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，結(jié)果如圖6所示，塢墩高受力區(qū)域集中在FR45和FR48處，最大受力為128 t。

圖6 NO.2和NO.4壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩受力分析

NO.2壓載艙（P/S）和NO.4壓載艙（P/S）強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)船體結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示，高應(yīng)力區(qū)域位于兩對(duì)壓載艙靠艏部的艙壁邊界處，最大應(yīng)力為133 MPa。

圖7 NO.2和NO.4壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)下的結(jié)構(gòu)受力分析

通過上述有限元仿真計(jì)算，可以得出以下結(jié)果，見表3。

表3 貨艙壓載艙塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)有限元計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)LNG加注船貨艙壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)階段塢墩受力計(jì)算和船體局部強(qiáng)度分析，可以得出如下結(jié)論：

1）塢墩受力普遍較小，局部高受力區(qū)域塢墩載荷也在許用范圍內(nèi)；

2）船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，均滿足許用應(yīng)力要求。

因此，基于貨艙壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)要求的塢墩布置是合理的。

3 艏部艙室塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩布置和仿真驗(yàn)證

3.1 強(qiáng)度試驗(yàn)方案

該 LNG加注船貨艙艏部區(qū)域包含艏部壓載艙（P/S）、艏部柴油艙（P/C/S）、艏部柴油溢流艙以及艏尖艙。其中，艏尖艙從FR161肋位開始，而平底線到FR162肋位結(jié)束，整個(gè)艏尖艙底部只有一個(gè)塢墩支撐，艏尖艙容積達(dá)到423.6 m3，塢墩許用載荷200 t，一個(gè)塢墩是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到艏尖艙干船塢狀態(tài)下的塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)要求的，因此排除了艏尖艙塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)的可能性。

艏部柴油溢流艙容積是艏部所有艙室中最小的一個(gè)，僅52.5 m3，被艏部柴油艙和艏部壓載艙包含在中間，因此只要艏部其他幾個(gè)艙室的塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)滿足塢墩要求，則艏部柴油溢流艙也一定滿足。從提高強(qiáng)度試驗(yàn)效率的角度考慮，編制了如圖8所示的強(qiáng)度試驗(yàn)方案。

圖8 艏部艙室的塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)方案示意圖

從表4可以看出，同時(shí)對(duì)艏部壓載艙（P/S）和艏部柴油艙（C）共3個(gè)艙室進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，能夠使得強(qiáng)度試驗(yàn)效率最大化。同時(shí)，艏部柴油艙（P/S）對(duì)稱分布，根據(jù)規(guī)范要求，僅需對(duì)一舷的柴油艙進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)即可，試驗(yàn)選取位于左舷的柴油艙進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算。

表4 試驗(yàn)方案

3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)下的塢墩布置方案

為了滿足強(qiáng)度試驗(yàn)要求，需要合理的規(guī)劃艏部區(qū)域的塢墩布置情況。在進(jìn)行塢墩布置前首先對(duì)艏部區(qū)域在塢內(nèi)完整狀態(tài)時(shí)的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)值見表5。

表5 試驗(yàn)方案（一）重量統(tǒng)計(jì)

表6 試驗(yàn)方案（二）重量統(tǒng)計(jì)

基于上述統(tǒng)計(jì)重量，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)編制了塢墩布置方案，整個(gè)艏部強(qiáng)度試驗(yàn)區(qū)域塢墩共計(jì)23只，具體布置方案如圖9方框中所示。

圖9 強(qiáng)度試驗(yàn)下艏部的塢墩布置方案

3.3 有限元仿真計(jì)算

通過計(jì)算，基于試驗(yàn)方案一，每只塢墩的平均受力約為1 123 t/23=48.8 t，基于試驗(yàn)方案二，每只塢墩的平均受力約為693/23=30.1 t。初步判斷滿足塢墩的強(qiáng)度要求，因?yàn)轸疾客獍寰€型較大，塢墩的受力情況僅憑借平均受力計(jì)算是不準(zhǔn)確的，下面利用有限元軟件對(duì)塢墩的受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

首先對(duì)船體結(jié)構(gòu)和塢墩進(jìn)行有限元建模，隨后根據(jù)壓載艙的強(qiáng)度試驗(yàn)方案，分別對(duì)艏部壓載艙（P/S）、艏部柴油艙（C）和艏部柴油艙（P）2種工況下，塢墩受力情況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。

其中，艏部壓載艙（P/S）和艏部柴油艙（C）強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，塢墩有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖 10所示，高受力區(qū)域集中在FR145和FR147處的塢墩，最大受力為62 t。

圖10 艏部強(qiáng)度試驗(yàn)（工況一）的塢墩受力分析

艏部壓載艙（P/S）和艏部柴油艙（C）強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)船體結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖11所示，高應(yīng)力區(qū)域位于艏部柴油艙（C）左右兩道縱艙壁處，最大應(yīng)力為37.1 MPa，遠(yuǎn)小于參考標(biāo)準(zhǔn)188 MPa。

圖11 艏部強(qiáng)度試驗(yàn)（工況一）的船體結(jié)構(gòu)受力分析

隨后，對(duì)艏部柴油艙（P）強(qiáng)度試驗(yàn)的塢墩受力情況進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖12所示，塢墩高受力區(qū)域集中在FR135和FR137處，最大受力為49 t，遠(yuǎn)小于塢墩許用受力200 t。

圖12 艏部強(qiáng)度試驗(yàn)（工況二）的塢墩受力分析

艏部柴油艙（P）強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)船體結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖13所示，高應(yīng)力區(qū)域位于艏部柴油艙（P）左側(cè)縱向斜艙壁處，最大應(yīng)力為42.6 MPa，遠(yuǎn)小于參考標(biāo)準(zhǔn)188 MPa。

圖13 艏部強(qiáng)度試驗(yàn)（工況二）的船體結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)上述有限元仿真計(jì)算，可以得出以下結(jié)果，如表7所示。

通過對(duì)LNG加注船貨艙壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)階段塢墩受力計(jì)算和船體局部強(qiáng)度分析，可以得出如下結(jié)論：一是塢墩受力普遍較小，局部高受力區(qū)域塢墩載荷也在許用范圍內(nèi)；二是船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，均滿足許用應(yīng)力要求。因此，基于貨艙壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)要求的塢墩布置是合理的。

4 結(jié)論

本文以18 600 m3LNG加注船為例，研究基于干船塢狀態(tài)下，進(jìn)行塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)的塢墩布置技術(shù)。通過分析貨艙、艏部、機(jī)艙等區(qū)域的艙室布置特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃，選取了合適的塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)艙室。根據(jù)艙室所在區(qū)域的重量統(tǒng)計(jì)數(shù)值，編制了塢墩布置方案和強(qiáng)度試驗(yàn)方案，并借助有限元仿真計(jì)算對(duì)塢墩和船體結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，最終驗(yàn)證了方案的合理性。該項(xiàng)技術(shù)在18 600m3LNG加注船上成功實(shí)施，對(duì)船舶建造效率的提升起到關(guān)鍵作用，同時(shí)提高施工便利性，縮短碼頭周期，也為其他船舶的塢內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)提供參考。