超大型集裝箱船的B型LNG燃料艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉曉媛，鄭文青，張玉奎，王連成

(1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 北京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶貿(mào)易有限公司，北京 100020)

0 引 言

集裝箱船相比傳統(tǒng)貨船具有貨物裝卸效率高、能保證運(yùn)輸質(zhì)量、碼頭?？繒r(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，集裝箱船的尺度和形式也隨著時(shí)代的需求不停更新?lián)Q代，集裝箱船的大型化是一個(gè)突出特點(diǎn)。目前超大型集裝箱船在全球主要班輪航線上的配置比例快速提高[1]，超大型集裝箱船采用液化天然氣（LNG）作為輔助燃料的趨勢也日趨明顯。采用天然氣作為燃料一方面能降低船舶運(yùn)營成本，另一方面有利于滿足IMO對船舶氮氧化物和硫化物排放日趨嚴(yán)格的要求。

盡管市場上有小型集裝箱船采用C型艙作為LNG燃料動力方案的經(jīng)驗(yàn)，但對于20 000箱級別的超大型集裝箱船而言，C型艙方案難以適用。薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)在艙容利用率和結(jié)構(gòu)重量方面具有優(yōu)勢，但其制造和維護(hù)成本高，建造周期長，在不限制裝載時(shí)可能面臨嚴(yán)峻的晃蕩問題；B型獨(dú)棱形獨(dú)立艙采用平板型艙壁結(jié)構(gòu)形式，具有較高的艙容利用率，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可有效抑制晃蕩，用于較大艙容的燃料艙具有優(yōu)勢[2-3]。

本文以一型采用雙燃料動力的20 000箱超大型集裝箱船為研究對象，介紹一種針對B型LNG燃料艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析方法和流程

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙燃料動力的20 000 TEU超大型集裝箱船，全長約400 m，寬約58 m。采用B型獨(dú)立艙作為其LNG燃料艙形。B型燃料艙艙內(nèi)部設(shè)有1道中縱制蕩艙壁，艙內(nèi)設(shè)有主要橫向強(qiáng)框、水平強(qiáng)框及縱向強(qiáng)框等主要支撐構(gòu)件，并采用縱骨架式的板架形式。艙體結(jié)構(gòu)采用耐-163 ℃低溫的9%鎳鋼，主船體與艙底之間設(shè)置有各類支座結(jié)構(gòu)，例如垂向支座、防縱搖支座和防橫搖支座等。另外燃料艙頂部與主船體間也設(shè)有若干防縱搖與防橫搖支座，以增強(qiáng)對燃料艙在船體縱搖，橫搖以及前沖等運(yùn)動下的約束作用。燃料艙支座與船體支座間使用強(qiáng)度高且隔熱性能良好的層壓木連接。

圖 1 LNG燃料艙沿船長方向的布置Fig. 1 Location of LNG fuel tank along longitudinal direction

2 波浪載荷預(yù)報(bào)

根據(jù)IGF Code（International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint Fuels）要求，B型燃料艙的結(jié)構(gòu)分析應(yīng)考慮所有動、靜載荷的影響，對不規(guī)則波浪中的船舶加速度和運(yùn)動，以及船舶及液貨艙對這些力和運(yùn)動的響應(yīng)。因此需要對船舶進(jìn)行直接波浪載荷預(yù)報(bào)，獲得船體運(yùn)動加速度的長期預(yù)報(bào)結(jié)果，從而確定燃料艙處的運(yùn)動和受載情況。本文采用Hydrostar軟件進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，需要建立船體質(zhì)量模型和濕表面模型，水動力網(wǎng)格如圖2所示。

圖 2 波浪載荷預(yù)報(bào)水動力網(wǎng)格Fig. 2 Hydrodynamic mesh for wave load forecasting

通過三維繞輻射勢流理論，計(jì)算作用在船體上的波浪載荷，獲得波浪誘導(dǎo)的船體剖面的剪力與彎矩載荷響應(yīng)傳遞函數(shù)，并根據(jù)船舶運(yùn)行海況的波浪分布情況，對作用在船體上的波浪載荷進(jìn)行短期和長期的預(yù)報(bào)[4]，波浪載荷預(yù)報(bào)的流程如圖3所示。

圖 3 波浪載荷預(yù)報(bào)流程Fig. 3 Process of wave load forecasting

計(jì)算波浪剪力和彎矩時(shí)，波浪頻率按照波長船長比例范圍進(jìn)行選取，波浪頻率范圍為0.1～2.0 Hz，步長為0.05 Hz，共39個(gè)頻率；浪向角取0°～350°，步長為10°，共36個(gè)浪向，波頻與浪向組合可得1 404個(gè)單位波幅的規(guī)則波，可得出較為全面的結(jié)果。航行工況的波浪載荷均采用長期預(yù)報(bào)方法，各個(gè)浪向出現(xiàn)概率相等，海況采用北大西洋波浪散布圖，載荷參數(shù)控制取1 0-8超越概率。

根據(jù)長期預(yù)報(bào)的加速度結(jié)果，可以獲得LNG燃料艙受到的局部壓力載荷。

3 燃料艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

超大型集裝箱船的B型LNG燃料艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程如圖4所示。首先進(jìn)行直接波浪載荷長期預(yù)報(bào)，獲得燃料艙的加速度，計(jì)算燃料艙內(nèi)部壓力載荷，建立包含燃料艙結(jié)構(gòu)的艙段有限元模型，并對模型施加載荷與邊界條件進(jìn)行分析，根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果篩選較高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行細(xì)化分析。

圖 4 超大型集裝箱船LNG燃料艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程Fig. 4 Process of structural strength analysis for ultra-large container ship′s LNG fuel tank

3.1 艙體結(jié)構(gòu)的分析

艙體結(jié)構(gòu)分析的目的，一方面對艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，另一方面為后續(xù)的支座模型詳細(xì)計(jì)算提供載荷與邊界條件。艙體分析獲得的各個(gè)支座處的支反力，是支座強(qiáng)度詳細(xì)分析的必要輸入條件。

艙段模型包含所有水密結(jié)構(gòu)、主要支承構(gòu)件、縱向構(gòu)件和加強(qiáng)筋，主要構(gòu)件均采用板單元、梁單元和桿單元進(jìn)行模擬。燃料艙網(wǎng)格大小取縱骨間距，船體網(wǎng)格大小取主要支承構(gòu)件間距[5]。艙段模型如圖5所示。

層壓木是液貨艙和船體連接的紐帶，起到隔熱作用，同時(shí)也是力的傳遞途徑，因此需要根據(jù)實(shí)際力的相互作用情況合理的進(jìn)行模擬。由于各種類型的支座層壓木均設(shè)計(jì)為受拉時(shí)液貨艙和船體會脫開，而只有壓緊的時(shí)候才會接觸，因此層壓木只能承受壓力而不能承受拉力，采用和層壓木支撐方向剛度相同的非線性gap單元進(jìn)行模擬。層壓木與支座支撐面板間的空隙一般采用環(huán)氧樹脂填充，對于第i個(gè)層壓木塊結(jié)構(gòu)，設(shè)Kwood,i為 層壓木的壓縮剛度，Kresin,i為環(huán)氧的壓縮剛度，則層壓木和環(huán)氧合成的等效壓縮剛度Ki由下式確定[6]：

圖 5 貨艙有限元模型Fig. 5 Finite element model of cargo hold

主船體有滿載和壓載這兩種裝載狀態(tài)，對于每一種裝載，設(shè)計(jì)工況均包括正浮狀態(tài)和傾斜狀態(tài)，每種工況組合不同的吃水，波浪彎矩、波浪剪力、船體加速度等參數(shù)，以模擬實(shí)際運(yùn)營過程中各種不利的受力情況。設(shè)計(jì)工況考慮了靜水壓力、波浪載荷、壓載水壓力和LNG燃料艙的內(nèi)壓力。除以上工況外，還根據(jù)IGF Code規(guī)定的靜水中向左傾斜30°、靜水中向右傾斜30°、0.5 g加速度前沖和0.25 g加速度后沖的特殊工況進(jìn)行了校核。

艙段模型的邊界條件采用一端剛性固定，另一端施加剪力和彎矩的方式進(jìn)行，同時(shí)將目標(biāo)位置的剪力和彎矩調(diào)整到目標(biāo)值。在自由端使用剛性MPC單元連接所有縱向連續(xù)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，使得端面在受力變形后仍為平面。

3.2 支座結(jié)構(gòu)的分析

支座結(jié)構(gòu)是B型燃料艙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位之一。燃料艙的支座局部模型采用50 mm×50 mm的細(xì)網(wǎng)格建模以較為準(zhǔn)確的模擬支座的形狀，采用板單元模擬鋼結(jié)構(gòu)部分，采用體單元模擬層壓木。以一典型的垂向支座結(jié)構(gòu)為例，層壓木受到燃料艙的垂向壓力和水平摩擦力作用，如圖6所示（深色箭頭代表層壓木所受壓力，淺色箭頭代表摩擦力）。垂向壓力可通過讀取艙段模型中的gap單元受力得到。摩擦力大小等于垂向壓力與摩擦系數(shù)的乘積，摩擦力方向分別指向船首、船尾、左舷和右舷方向。在層壓木的端面施加垂向壓力和摩擦力，且載荷均分到單元表面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

圖 6 支座的載荷施加Fig. 6 Load applying on support structure

局部細(xì)網(wǎng)格模型的邊界條件由艙段模型的計(jì)算結(jié)果確定，艙段模型與局部模型邊界對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)將位移和轉(zhuǎn)角繼承給局部模型，作為局部模型計(jì)算的邊界條件。

3.3 強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)

根據(jù)IGF Code要求，對于采用鎳鋼制造的B型艙，其等效膜應(yīng)力應(yīng)不小于Rm/2 與Re/1.2 的小者，Rm為最小拉伸強(qiáng)度，Re為最小屈服強(qiáng)度。

對于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域（100 mm ×100 mm），相當(dāng)應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求：

非焊接區(qū)域單元應(yīng)力

式中： σv為Von Mises應(yīng)力，許用應(yīng)力，對于網(wǎng)格尺寸小于100 mm × 100 mm的單元，其相當(dāng)應(yīng)力 σv可由100 mm × 100 mm范圍內(nèi)的單元進(jìn)行應(yīng)力平均后獲得。

4 計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)改進(jìn)

LNG燃料艙艙段計(jì)算的典型評估區(qū)域包括艙體頂板、底板、橫艙壁、邊板、中縱艙壁、縱向與垂向桁材、橫向強(qiáng)框架與水平桁等區(qū)域。

初步設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果如圖7左側(cè)結(jié)構(gòu)所示，由于橫艙壁結(jié)構(gòu)跨度較大，水平桁端部過渡結(jié)構(gòu)區(qū)域應(yīng)力水平過高，應(yīng)力集中較為明顯。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中通過在橫艙壁之間增加撐桿結(jié)構(gòu)，增加了水平框架的整體強(qiáng)度，如圖7右側(cè)結(jié)構(gòu)所示，使得水平桁應(yīng)力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后最大應(yīng)力由389 MPa下降至323 MPa，滿足衡準(zhǔn)要求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，各區(qū)域在不同工況下的最大合成應(yīng)力，如表1所示。

圖 7 燃料艙的水平框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig. 7 Optimization design for horizontal frame structure of fuel tank

表 1 艙體強(qiáng)度分析結(jié)果Tab. 1 Strength analysis results of hold structure

支座細(xì)網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果的局部高應(yīng)力區(qū)位于支座縱向與橫向肘板的自由邊和趾端，以及與燃料艙折角相連位置處。初步設(shè)計(jì)時(shí)肘板厚度取30 mm，計(jì)算結(jié)果不滿足要求，當(dāng)肘板厚度增加至40 mm后，計(jì)算結(jié)果如表2所示，設(shè)計(jì)能滿足衡準(zhǔn)要求。另外，也可考慮通過優(yōu)化肘板形狀的方式來降低應(yīng)力水平。

表 2 典型垂向支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果Tab. 2 Strength analysis results of typical vertical support

摩擦力分別沿船首、船尾、左舷和右舷方向時(shí)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的燃料艙垂向支座的應(yīng)力分布如圖8所示。由應(yīng)力分布云圖可知支座的局部強(qiáng)度取決于肘板的強(qiáng)度，肘板的應(yīng)力水平取決于摩擦力的大小和方向，摩擦力是造成該方向上支座肘板應(yīng)力集中的主要因素。

5 結(jié) 語

采用波浪載荷直接預(yù)報(bào)計(jì)算得到20 000 TEU超大型集裝箱船的B型LNG燃料艙載荷，并通過有限元分析方法對B型LNG燃料艙艙體結(jié)構(gòu)及典型垂向支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

圖 8 垂向支座應(yīng)力分布Fig. 8 Stress distribution of vertical support

1）采用非線性gap單元模擬支座層壓木能較好的反映支座結(jié)構(gòu)單向受力的特點(diǎn)；

2）由于應(yīng)用于超大型集裝箱船的B型LNG燃料艙的橫向結(jié)構(gòu)跨度很大，橫向主要支撐構(gòu)件的整體應(yīng)力水平較高，應(yīng)對主要支撐構(gòu)件進(jìn)行合理的布置；

3）由于主船體空間的限制，燃料艙底部可利用支撐面積非常有限，支座結(jié)構(gòu)的受力水平普遍較高，這對支座結(jié)構(gòu)受力的前期預(yù)判十分重要。