張振坤，劉文斌，黃巍巍，徐鵬輝

(揚(yáng)州大洋造船有限公司，江蘇揚(yáng)州225107)

1 主要量度

16 500 m3液化石油氣船是揚(yáng)州大洋造船有限公司為希臘船東建造的大型半冷半壓式液化氣船，掛利比里亞方便旗，無限航區(qū)，入BV船級(jí)社。該船為雙底、單殼、球鼻艏、單機(jī)、單槳，IMO 2G船型。該船設(shè)有3個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙內(nèi)安裝1個(gè)“C”型獨(dú)立液罐，每個(gè)液罐容積5 500 m3，貨艙區(qū)主甲板上布置1個(gè)甲板液罐，最大載貨量16 500 m3，可裝運(yùn)最低－48℃多種液化石油氣和化學(xué)氣體，包括乙烷、乙烯、無水氨、氯乙烯、丙烷等25種貨品。

船體主要量度:

16 500 m3液化石油氣船總布置圖見圖1。

本船除滿足BV船級(jí)社規(guī)范，國(guó)際公約(如SOLAS等)，還應(yīng)滿足美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)USCG、澳大利亞聯(lián)邦水域航線要求及液化氣船諸多特殊的規(guī)范。

2 無甲板弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和計(jì)算

2.1 無甲板弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于液化石油氣船在船臺(tái)上受承載能力及設(shè)備起吊能力的限制，貨艙內(nèi)的液罐需在船體下水后進(jìn)行吊裝，故在船臺(tái)建造時(shí)貨艙區(qū)域不安裝合攏頂邊艙分段和甲板分段。船舶將在大開口、無甲板弱結(jié)構(gòu)狀態(tài)下下水，即下水前貨艙區(qū)船體結(jié)構(gòu)尚不具備完整性，導(dǎo)致船體中段結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度和剛度都明顯削弱，船舶在下水過程中可能發(fā)生由于縱、橫向強(qiáng)度和剛度的不足引起的結(jié)構(gòu)變形或更嚴(yán)重的后果，直接影響船體自身的安全性。因此，對(duì)要分析的對(duì)象建立相應(yīng)的力學(xué)/數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用先進(jìn)的有限元分析軟件，對(duì)船舶在大開口下水時(shí)進(jìn)行分析計(jì)算是否滿足安全下水要求。并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，制定相應(yīng)的工藝解決方案及措施。

2.2 無甲板弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

下水時(shí)船舶狀態(tài)，貨艙大開口情況:

1號(hào)艙口:長(zhǎng)33.95 m×寬23.1 m，2號(hào)艙口:長(zhǎng)33 m×寬23.1 m，3號(hào)艙口:長(zhǎng)32.8 m×寬23.1 m。

貨艙開口:橫向開口為21.6 m，占船寬100%;總長(zhǎng)為99.75 m，占整個(gè)貨艙長(zhǎng)度99.6%。

船舶下水時(shí)對(duì)船體強(qiáng)度按規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，得出以下數(shù)據(jù)如圖2所示。

由計(jì)算結(jié)果可知:

最大應(yīng)力:222.3 MPa

舯橫剖面最小剖面模數(shù)W=0.992 7 m3

最小慣性矩I=8.509 1 m4

對(duì)應(yīng)最大彎矩:Max BM=2.10×105kN·m

最大彎矩位置:Fr71

對(duì)應(yīng)最大剪力:7.17×103kN 最大剪力位置:Fr43

圖1 16 500 m3液化石油氣船總布置圖

圖2 加強(qiáng)前的典型橫剖面模數(shù)及慣性矩計(jì)算

利用Patran軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)船體下水變形進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

圖3 貨艙區(qū)有限元計(jì)算應(yīng)變?cè)茍D

由有限元應(yīng)變?cè)茍D可知:無甲板弱結(jié)構(gòu)狀態(tài)下下水時(shí)，主船體變形很大，最大形變值為320 mm，對(duì)船舶安全下水產(chǎn)生了嚴(yán)重的隱患。

試算表明，船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度明顯不足，不滿足船舶的安全下水要求。因此，必須對(duì)船體結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的臨時(shí)加強(qiáng)方案，增大船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，以實(shí)現(xiàn)船舶的安全順利下水。

3 臨時(shí)加強(qiáng)方案

考慮到加裝臨時(shí)加強(qiáng)及后續(xù)吊裝液罐作業(yè)時(shí)的方便性，且不影響后續(xù)的頂邊艙合攏，在盡可能簡(jiǎn)化建造工藝，縮短建造周期的前提下選定了下述下水臨時(shí)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案:設(shè)置一個(gè)強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，該框架結(jié)構(gòu)由2道沿舷側(cè)外板縱向分布，延伸至整個(gè)貨艙區(qū)域的箱型結(jié)構(gòu)，并首尾適當(dāng)延伸;以及5道連接兩舷的橫向工字梁組合而成。具體的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案如圖4所示。

圖4 臨時(shí)加強(qiáng)方案示意圖

對(duì)增加臨時(shí)加強(qiáng)后的船體舯橫剖面需重新進(jìn)行計(jì)算，最大應(yīng)力為127.8 MPa，舯橫剖面最小剖面模數(shù)為1.726 9 m3，最小慣性矩為13.869 9 m4。

與加強(qiáng)前相比:船體最小剖面模數(shù)增加74%，最小慣性矩增加63%。計(jì)算圖表如圖5所示。

對(duì)增加臨時(shí)箱型加強(qiáng)后船體進(jìn)行下水時(shí)主船體變形模擬計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)規(guī)范計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果可知:增加加強(qiáng)后，船體結(jié)構(gòu)模數(shù)和慣性矩顯著增大;計(jì)算最大應(yīng)力明顯小于理論應(yīng)力極限值，船體強(qiáng)度和剛度得到顯著改善。與箱型加強(qiáng)結(jié)構(gòu)前的320 mm最大變形量相比，增加箱型加強(qiáng)后的變形量?jī)H為21.4 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未做箱型加強(qiáng)方案前的狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)要求。

圖5 加強(qiáng)后的典型橫剖面模數(shù)及慣性矩計(jì)算

4 結(jié)論

通過對(duì)下水時(shí)船體的總縱強(qiáng)度及橫向強(qiáng)度的計(jì)算分析結(jié)果可知，本船在無甲板弱結(jié)構(gòu)時(shí)不能滿足安全下水要求;在增加臨時(shí)箱型結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度理論上完全滿足船舶在無甲板、無頂邊艙狀態(tài)下的弱結(jié)構(gòu)形式下水的安全要求。首次將規(guī)范計(jì)算和有限元局部計(jì)算2種方法應(yīng)用到液化石油氣船的無甲板弱結(jié)構(gòu)下水中，為無甲板弱結(jié)構(gòu)下水的成功提供了較為充分的技術(shù)支持和理論依據(jù)。

圖6 增加臨時(shí)箱型加強(qiáng)結(jié)構(gòu)后應(yīng)變?cè)茍D