基于有限元的船用LNG燃料罐疲勞損傷量化分析

汪家政, 陳澤滔, 聶鈺明, 李同蘭, 溫小飛, 郁惠民

(1.舟山長宏國際船舶修造有限公司, 浙江 舟山 316052;2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運學(xué)院, 浙江 舟山 316022;3.舟山市卓林船舶設(shè)計有限公司, 浙江 舟山 316000)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為綠色能源,具有高效、環(huán)保等優(yōu)點,應(yīng)用前景廣闊,但存在很大的安全隱患,如易泄漏、易燃和易爆等。在船舶航行過程中,船體會受到波浪的沖擊和LNG液體晃蕩引起的慣性載荷的作用,這會使船上的LNG燃料罐承受交變應(yīng)力[1],從而導(dǎo)致其構(gòu)件疲勞斷裂。若LNG燃料罐因疲勞損傷而斷裂,進而引發(fā)LNG泄漏,會導(dǎo)致船舶發(fā)生火災(zāi)、爆炸和失控等事故,危及船員的生命和財產(chǎn)安全,故必須對LNG處理設(shè)施中與火災(zāi)和爆炸有關(guān)的危害進行研究[2]。

自20世紀(jì)90年代至今,全球各主要船級社一直在努力完善船體結(jié)構(gòu)疲勞強度計算方法[3-4],中國船級社(China Classification Society,CCS)也發(fā)布了與船體結(jié)構(gòu)疲勞強度有關(guān)的規(guī)范和指南[5-8],國際海事組織為此專門頒布了《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》和《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》[9-10]。船用LNG燃料罐的可靠性和安全性問題持續(xù)受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,有學(xué)者采用譜分析方法[12-14]和設(shè)計波法[15]對LNG運輸船進行疲勞評估,也有學(xué)者對載荷和邊界條件加載精準(zhǔn)度[16]進行研究,但這些方法的有效性尚未完全得到驗證。因此,為驗證LNG燃料罐疲勞量化分析方法的可行性,本文采用有限元分析方法,結(jié)合《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范(2021)》[11]相關(guān)要求,以ANSYS(19.0)結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用疲勞曲線(即S-N曲線,其中:S為交變應(yīng)力值;N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù))、載荷譜和工況組合等對LNG燃料罐的疲勞損傷情況進行量化分析。

1 研究方法

1.1 疲勞分析法

疲勞分析法是以試驗為基礎(chǔ)構(gòu)建的方法?，F(xiàn)行的疲勞分析法大致可分為名義應(yīng)力疲勞分析法、局部應(yīng)力應(yīng)變分析法、損傷容限設(shè)計法和疲勞可靠性設(shè)計法等4種[17]。

1) 名義應(yīng)力疲勞分析法通過有限元分析找到應(yīng)力危險點所在位置,根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)載荷譜、材料S-N曲線和疲勞累積損傷準(zhǔn)則計算得到構(gòu)件的疲勞損傷情況。該方法中的名義應(yīng)力為控制變量,考慮了載荷順序和殘余應(yīng)力的影響,簡單易行。

2) 局部應(yīng)力應(yīng)變分析法以最大局部應(yīng)力應(yīng)變相同為切入點,根據(jù)構(gòu)件應(yīng)力最大部位的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命。該方法存在固有缺陷,即忽略了缺口根部附近應(yīng)力梯度和多軸應(yīng)力的影響,同時疲勞壽命的計算精度對疲勞缺口系數(shù)K的精度有很高的要求。此外,還要參照疲勞應(yīng)力-疲勞壽命曲線,試驗數(shù)據(jù)的獲取難度比S-N曲線大。

3) 損傷容限設(shè)計法以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ),通過疲勞裂紋擴展和試驗驗證,保證裂紋在使用時段內(nèi)不會擴展并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損,確保零件能安全使用。

4) 疲勞可靠性設(shè)計法基于數(shù)學(xué)概率統(tǒng)計理論對材料的屬性、載荷施加次數(shù)及順序進行統(tǒng)計分析,從而得到構(gòu)件的疲勞壽命。目前機械系統(tǒng)的可靠性研究尚不成熟,且不能解決疲勞壽命評估問題。

綜上,本文采用船級社認可的名義應(yīng)力疲勞分析法進行計算分析,具體流程見圖1。

1.2 S-N曲線法

材料的S-N曲線是評價結(jié)構(gòu)疲勞情況的關(guān)鍵依據(jù),根據(jù)文獻[5],其所述S-N曲線(見圖2)包含B、C、D、E、F、F2、G和W等8條曲線,X軸為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,Y軸為交變應(yīng)力值S,各曲線對應(yīng)不同形式的結(jié)構(gòu)節(jié)點,曲線公式為

圖2 文獻[5]中所述S-N曲線

lgN=lgK-mlgS

(1)

式(1)中:K為S-N曲線參數(shù),可通過查S-N曲線參數(shù)表得到;m為S-N曲線的反斜率,拐點左側(cè)取3,右側(cè)取5。

根據(jù)LNG燃料罐的實際焊接形式選定E曲線,查表得曲線的拐點坐標(biāo)(N,Sq)為(107,46.814 7),將其轉(zhuǎn)換成對數(shù)型式為(lg 107,lg 46.814 7),即為(7,1.67)。若E曲線拐點前后2段均為直線,則曲線表達式可整理為

y-1.67=a(x-7)

(2)

式(2)中:y和x分別為交變應(yīng)力值S和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的對數(shù)值;a為直線斜率,圖2中曲線上段斜率為-1/3,下段斜率為-1/5。

根據(jù)《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范(2021)》的規(guī)定,可由LNG燃料罐的設(shè)計壽命確定其疲勞損傷情況,其長期分布載荷譜見圖3[5],其中:Q為均布面荷載;Pi為循環(huán)載荷,可考慮8個循環(huán)載荷水平;ni為循環(huán)次數(shù)。Pi和ni的計算公式可分別表示為

圖3 LNG燃料罐的長期分布載荷譜

(3)

ni=0.9×10i

(4)

式(3)和式(4)中:i的取值范圍為1～8;P0為概率水平為 10-8的載荷。

2 LNG燃料罐建模與仿真

2.1 計算流程

根據(jù)LNG燃料罐的結(jié)構(gòu)參數(shù),首先在軟件SolidWorks中建立LNG燃料罐的幾何模型,采用ANSYS Workbench網(wǎng)格模塊對其進行網(wǎng)格劃分。為簡化計算,將部分結(jié)構(gòu)簡單的部件(如筒體、鞍座等)設(shè)置為殼網(wǎng)格,將結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜的部件設(shè)置為實體網(wǎng)格。設(shè)置邊界條件、約束和加載,并進行工況組合,在ANSYS求解器中進行計算。疲勞損傷計算流程見圖4。

圖4 疲勞損傷計算流程

2.2 幾何模型

LNG 燃料罐為鞍式支座支撐的冷熱隔絕雙殼結(jié)構(gòu),內(nèi)外罐殼體采用 8組連接件連接固定,連接件均分布在罐體靠近封頭前端和后端位置。LNG燃料罐幾何模型見圖5,主要由內(nèi)外罐體、內(nèi)外加強圈、鞍式支座和冷箱等組成。鞍座支座可根據(jù)固定形式分為F型和S型2種,其中:F型底板為圓形螺栓孔,完全約束固定;S型底板為長圓形螺栓孔,允許相對滑動。連接件由多個部件組合而成,其中:在固定端的連接件由玻璃鋼、固定卡套、上墊片、下墊片和定位環(huán)等組成(見圖6a);在滑動端的連接件由玻璃鋼、固定卡套、上墊片和下墊片組成(見圖6b)。

圖5 LNG燃料罐幾何模型

圖6 連接件局部放大剖視圖

2.3 有限元模型

ANSYS提供了自適應(yīng)、映射和掃略等3種網(wǎng)格劃分方法。為兼顧準(zhǔn)確性并服從適當(dāng)簡化建模的原則,采用Solid單元對夾層8個支撐件進行網(wǎng)格劃分,采用Shell單元對內(nèi)外筒體、封頭、鞍座、冷箱和加強圈等結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。各部件的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置見表1;網(wǎng)格模型見圖7。

表1 各部件的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

2.4 物性參數(shù)

18 m3船用LNG燃料罐內(nèi)外罐體和鞍座材料選用不銹鋼S30408;內(nèi)外罐體間的支撐材料選用玻璃鋼D3848。LNG燃料罐的基本設(shè)計參數(shù)、玻璃鋼D3848的材料性能和不銹鋼S30408的材料性能分別見表2、表3和表4。

表2 LNG燃料罐的基本設(shè)計參數(shù)

表3 玻璃鋼D3848的材料性能

表4 不銹鋼S30408的材料性能

2.5 仿真計算

根據(jù)船級社規(guī)范[11,18]的要求,在對LNG 燃料罐進行疲勞仿真分析時應(yīng)考慮疲勞載荷組合工況,以組合工況下的計算結(jié)果為依據(jù)進行疲勞分析和安全評估。主要工況包括前沖2g(g為重力加速度)、前沖-2g、側(cè)沖g、側(cè)沖-g、上沖g、下沖2g和裝卸等。此外,還需考慮不同內(nèi)罐充裝率的影響,即100%、75%、50%和20%等。各工況下的外部載荷主要有加速度載荷和壓力載荷(包括氣體壓力和液貨慣性力)2種,其中:內(nèi)罐體內(nèi)壁受到氣體壓力和液貨慣性力的作用,均布在燃料罐運動方向投影面上;外罐體內(nèi)壁受到-0.1 MPa真空度的作用(即內(nèi)外罐體之間的空間呈真空狀態(tài),表壓為-0.1 MPa);燃料罐整體受到相應(yīng)工況下的慣性加速度的作用。不同工況對應(yīng)的載荷施加情況見表5。

表5 不同工況對應(yīng)的載荷施加情況

表5中的液貨投影面壓力P的計算公式可表示為

P=cρngV/A

(6)

式(6)中:c為充裝系數(shù),取值為0.95;ρ為充裝物密度,取值為470 kg/m3;n為系數(shù),一般情況下取值為1;V為罐體容積,取值為18 m3;A為投影面積,取值為3.97 m2。

組合工況主要有橫向、軸向、垂向和裝卸等4種情形,對應(yīng)的處理方式分別為側(cè)沖g減去側(cè)沖-g、前沖2g減去前沖-2g、上沖g減去下沖2g和內(nèi)罐設(shè)計壓力填充。

3 結(jié)果量化與分析

3.1 累積損傷比

考察各組合工況下的計算結(jié)果,識別各部件的最大應(yīng)力點(即應(yīng)力熱點),并提取應(yīng)力熱點對應(yīng)的節(jié)點編號,以節(jié)點編號為評價點計算得到各部件應(yīng)力熱點的第一主應(yīng)力(S1)和第三主應(yīng)力(S3),最后取二者中的較大值作為該部件的最大應(yīng)力值。此外,100%、75%、50%和20%充裝率下的熱點應(yīng)力值以100%充裝率為基礎(chǔ),分別乘以 1.0、0.8、0.6和0.4之后估算得到,且4種充裝率情況的時間占比可根據(jù)實際的LNG使用情況確定,若為連續(xù)使用情形,可取均分的時間占比權(quán)重0.25。根上述計算方法計算出各應(yīng)力熱點的總損傷比,進一步加權(quán)(時間占比權(quán)重)之后得到累積損傷比。在橫向、軸向、豎向組合工況和裝卸工況下各得到4個節(jié)點,共計16個應(yīng)力熱點。這16個應(yīng)力熱點在3種組合工況下的疲勞載荷的累積效應(yīng)見表6～表8。

表6 橫向組合工況下各充裝率對應(yīng)的疲勞載荷的累積效應(yīng)

表7 軸向組合工況下各充裝率對應(yīng)的疲勞載荷的累積效應(yīng)

表8 豎向組合工況下各充裝率對應(yīng)的疲勞載荷的累積效應(yīng)

根據(jù)S-N曲線計算裝卸工況下各應(yīng)力熱點的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nloading,求解出循環(huán)損傷比nloading/Nloading(其中nloading為燃料罐使用周期內(nèi)的平均裝卸循環(huán)次數(shù),這里取nloading=1 000次),結(jié)果見表9。

表9 裝卸工況下的裝卸循環(huán)損傷比計算結(jié)果

3.2 實際損傷比

根據(jù)船級社規(guī)范[11]的規(guī)定,疲勞載荷的累積效應(yīng)需符合

(7)

式(7)中:ni為船舶在運營期間的所有應(yīng)力水平的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);Ni為根據(jù)S-N曲線,ni對應(yīng)的應(yīng)力水平發(fā)生斷裂時的循環(huán)次數(shù);Cw為累積疲勞損傷比所能允許的最大值,一般取0.1或0.5。

將各應(yīng)力熱點在橫向、軸向和豎向等3種組合工況下的疲勞載荷累積效應(yīng)相加,再乘以非航行時間因子(一般取0.85),得到各應(yīng)力熱點在航行狀態(tài)下的疲勞載荷總累積效應(yīng),結(jié)果見表10。

表10 各應(yīng)力熱點在航行狀態(tài)下的疲勞載荷總累積效應(yīng)計算結(jié)果

對各應(yīng)力熱點在航行狀態(tài)下的疲勞載荷總累積效應(yīng)與裝卸損傷比進行累加之后得到實際損傷比,若其大于允許的最大累積疲勞損傷比Cw,則可判定疲勞不滿足規(guī)范的要求,否則滿足規(guī)范的要求。內(nèi)罐體組件、外罐體組件和支座允許的Cw取0.1,冷箱允許的Cw取0.5,各部件的疲勞損傷評估結(jié)果見表11。

表11 各部件的疲勞損傷評估結(jié)果

4 結(jié) 語

本文通過對船用LNG燃料罐各主要部件在不同組合工況下的應(yīng)力熱點處的疲勞累積損傷度進行量化分析,主要得到以下結(jié)論:

1) 在船舶營運狀態(tài)下,橫向、軸向和垂向組合工況都會對船用LNG燃料罐的部件造成一定的疲勞累積損傷,其中受影響最大的部件是冷箱。裝卸工況對外罐體組件、冷箱和支座的疲勞損傷的影響較小,該工況主要影響內(nèi)罐體組件的疲勞累積損傷度。

2) 該18 m3LNG燃料罐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,計算得到的各部件的實際損傷比均小于最大累積疲勞損傷比,且計算公式均取自于CCS的相關(guān)規(guī)范,能滿足CCS的審核要求。

3) 本文提出的燃料罐疲勞計算方法中的計算公式物理意義明確,適用范圍廣,能簡便地計算出不同結(jié)構(gòu)設(shè)計和不同設(shè)計壽命下的累積疲勞損傷比,且能對約束定義、模型簡化、網(wǎng)格劃分和載荷施加等給出指導(dǎo)性意見,可供LNG燃料罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全評估參考。