陳 潛，劉 俊，唐文勇

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海200240;2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240)

0 引 言

由于能源消費的持續(xù)增長，海上液化天然氣運輸量不斷增加，世界范圍內(nèi)投入使用的LNG 船的數(shù)量也逐年增加。2011 年，世界LNG 運輸船統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表明全球共有355 艘LNG 運輸船［1］，而這一數(shù)量在未來10 年中有望翻一番，并且新設計與建造的LNG 船的裝載量普遍在155 000 m3以上，這給造船界帶來了巨大的機遇與挑戰(zhàn)。LNG 船是國際公認的高技術、高難度、高附加值的產(chǎn)品，掌握設計與建造LNG 船的各方面技術，抓住全球LNG 船發(fā)展的機遇，對我國船舶行業(yè)至關重要。

目前，LNG 船的儲罐系統(tǒng)主要有獨立B 型和薄膜型2 種。其中獨立B 型包括Moss 型和SPB型，而薄膜型包括GTT No96 型、Mark III 型和CSI型。這幾種儲罐系統(tǒng)各有利弊，此前，工業(yè)界廣泛使用的是薄膜型液艙，其次是Moss 型，國內(nèi)外對薄膜型和Moss 型液艙的研究比較多［2-5］。當設計裝載量較大時，Moss 型儲罐系統(tǒng)因為球罐直徑的限制，只能通過增加船長來增加裝載量，而船長的增加會帶來穩(wěn)定性下降和船體總強度方面的一些問題，這使得Moss 型儲罐系統(tǒng)在大型LNG 船的應用上處于劣勢。相對比較成熟的薄膜型儲罐系統(tǒng)則受到液艙內(nèi)液貨晃蕩作用的影響較明顯，艙內(nèi)的液位受到嚴格限制，此前也有幾艘薄膜型LNG 船因為晃蕩而產(chǎn)生船舶事故的實例，對于其在大型LNG 船上的應用需要對其液艙晃蕩進行充分的分析計算，保證薄膜艙壁結構在非常大的晃蕩載荷作用下不會失效。而SPB 型儲罐系統(tǒng)由于有制蕩艙壁的存在，對艙內(nèi)的液位沒有限制，晃蕩產(chǎn)生的影響較小，同時還具有蒸發(fā)率低，液艙維修方便等優(yōu)點，但由于其建造工藝復雜且技術提出較晚，對其的研究和應用目前都較少。但隨著大型LNG 船的需求增加，SPB 型儲罐液艙在晃蕩問題上的優(yōu)異表現(xiàn)將使其得到更多的應用。

本文研究對象為某170 000 m3獨立B 型LNG 船(SPB 型)。和以往的LNG 船相比，目標LNG 船艙容大，且為自撐式的獨立B 型棱形液艙，對此類大艙容的新型LNG 船液艙晃蕩進行研究十分必要。本文在DNV 相應規(guī)范要求下進行液艙結構晃蕩強度研究，同時通過使用塊單元和接地彈簧單元分別對墊塊進行模擬，對比其在相同晃蕩載荷作用下的響應，研究這2 種模擬方式對獨立B 型LNG (SPB 型)液艙結構晃蕩強度分析的影響。研究成果可為我國獨立B 型LNG 船(SPB 型)液艙結構晃蕩強度評估提供參考依據(jù)。

1 設計載荷

1.1 設計晃蕩載荷

液體晃蕩是極為復雜的一種流體運動現(xiàn)象，具有強烈的非線性和隨機性。而液體晃蕩與液艙結構變形兩者的耦合作用又使液體晃蕩問題更為復雜。LNG 船航行狀態(tài)下的變速、搖擺等運動形式都會引起液艙內(nèi)的LNG 晃蕩。因為大型LNG 船液艙內(nèi)的自由液面長，晃蕩情況下的液體壓強變化幅度大，需要對晃蕩問題給予充分的關注。學術界對晃蕩現(xiàn)象的研究方法分為理論研究、實驗研究和數(shù)值計算三大類。

針對本文研究的某170 000 m3獨立B 型LNG 船液艙，根據(jù)DNV 相應規(guī)范［6］，晃蕩載荷計算準則為以下2 個方面:

1)對于距離橫向制蕩艙壁和端部橫艙壁范圍內(nèi)的構件，壓力為:

對于距離縱向制蕩艙壁和艙邊艙壁0.25bb范圍內(nèi)的構件，壓力為:

式中:lb為橫艙壁或完全有效橫制蕩艙壁之間的距離;bb為縱艙壁或完全有效縱向制蕩艙壁之間的距離;ρ 為液貨密度;L 為船長;B 為型寬。

2)與制蕩艙壁和端部艙壁鄰近的強框架，壓力為:

與制蕩艙壁和端部艙壁鄰近的桁材構件，壓力為:

式中:lb為有效晃蕩長度;bs為有效晃蕩寬度;Pbhd為制蕩艙壁和端部艙壁上的壓力;s 為強框架或桁材與艙壁的距離。

1.2 設計靜水載荷

根據(jù)DNV 規(guī)范，液艙在承受晃蕩載荷的同時還有靜水壓力和蒸汽壓力的作用，蒸汽壓力取0.7 bar施加在液艙水密邊界上，靜水壓力取最危險的充裝容積進行加載。

圖1 給出了橫搖和縱搖2 種情況的設計載荷示意圖。

圖1 橫搖和縱搖設計載荷示意圖Fig.1 Pressure of roll and pitch condition

2 LNG 船結構有限元模型

2.1 LNG 船及液艙尺度介紹

170 000 m3獨立B 型LNG 船(SPB 型)結構形式為雙殼、雙底結構，液艙設置制蕩艙壁。獨立B型LNG 船(SPB 型)為自撐式，其液艙側壁與船體無接觸，通過液艙底部和頂部的墊塊與船體結構接觸。其主尺度為總長290 m，垂線間長278 m，型寬46 m，型深27 m，設計吃水12 m，載貨量170 000 m3，航速19.5 kn，液艙尺寸為總艙長50 m，總艙寬38 m，艙高28 m。液艙材料為9%鎳鋼。

2.2 結構有限元模型

采用MSC. PATRAN 軟件建立LNG 船液艙有限元模型，x 軸指向船首為正，y 軸從右舷向左舷為正，z 軸垂直向上為正。模型采用板梁組合結構，液艙板及桁材采用板單元模擬，小型骨材采用梁單元模擬，大型骨材采用板單元和梁單元結合方式模擬，模型網(wǎng)格尺寸與縱骨間距一致為800 ×800 mm。圖2 為國外某SPB 型液艙資料與本文目標液艙有限元模型對比圖，從圖中可看到制蕩艙壁及艙內(nèi)結構。

圖2 國外某SPB 型液艙資料與本文目標液艙有限元模型對比圖Fig.2 Comparison of SPB type tank in foreign material and target tank FEA model in this research

2.3 墊塊

目標LNG 船液艙與船體在艙頂和艙底部通過墊塊連接，墊塊主要分為垂向墊塊、反橫搖墊塊和反縱搖墊塊。墊塊為只受壓不受拉單元，在有限元模型中，分別通過塊單元和接地彈簧單元對其進行模擬。如果在計算結果中，塊單元或接地彈簧單元為受拉的情況，就將塊單元或者接地彈簧單元剔除，進行下次計算，如果計算結果中所有塊單元或者接地彈簧單元都處于壓縮狀態(tài)，則停止計算。

進行分析比較的模型分別為塊單元模擬墊塊模型(模型1)和接地彈簧單元模擬墊塊的模型(模型2)。這2 個模型中，對反縱搖墊塊的x 方向位移進行約束，對反橫搖墊塊的y 方向位移進行約束。其中，模型1 在塊單元上施加固定約束，模型2 由接地彈簧單元作為接地約束。

圖3 和圖4 給出了2 個模型的邊界條件示意圖。

圖3 模型1 邊界條件Fig.3 Model 1′s boundary conditions

圖4 模型2 邊界條件Fig.4 Model 2′s boundary conditions

3 計算結果及分析

通過有限元靜力分析，表1 給出了橫搖和縱搖工況下主要構件的最大應力結果，圖5 和圖6 分別給出了模型1 和模型2 在橫搖和縱搖工況下主要框架的應力云圖。

表1 主要構件最大應力計算結果Tab.1 Maximum stress of main members

圖5 模型1 主要框架應力云圖(橫搖和縱搖工況)Fig.5 Von Mises stress of model 1′s main frames (roll and pitch load case)

圖6 模型2 主要框架應力云圖(橫搖、縱搖)Fig.6 Von Mises stress of model 2′s main frames (roll and pitch load case)

從應力、變形結果可看出:

1)液艙結構在橫搖和縱搖工況下，主要表現(xiàn)為液艙側板和水密橫艙壁較大的彎曲變形。這是由于目標LNG 艙容較大，并且獨立B 型LNG 船(SPB型)四壁并沒有受到船體的支撐作用，在比較大的靜水載荷作用下產(chǎn)生的合理變形。

2)液艙內(nèi)部的水平桁材、橫艙壁垂直桁材和橫框架上應力結果較大，最大應力集中在這些桁材的拐角處，這是由于桁材附著在艙壁上變形被拉伸而在拐角處引起的應力集中。

3)模型1 和模型2 分別通過塊單元和接地彈簧單元對墊塊進行模擬，可以看出，兩者的有限元計算結果相近，尤其是對液艙內(nèi)部結構的有限元計算結果基本沒有影響，因此可認為兩者都是有效的對墊塊模擬方法。

4 結 語

對大型液化天然氣船的晃蕩強度進行有效評估是確保LNG 船在運營過程中保持安全的重要內(nèi)容之一。本文通過對獨立B 型LNG 船(SPB 型)結構的有限元模型化以及規(guī)范晃蕩載荷的計算，采用直接計算方法對170 000 m3LNG 船在橫搖和縱搖2 種情況下的液艙結構強度進行了計算評估，并通過使用塊單元和接地彈簧單元分別對墊塊進行模擬，研究這2 種模擬方式對獨立B 型LNG (SPB 型)液艙結構強度分析的影響，計算結果表明:

1)除應力集中效應影響，無論橫搖還是縱搖工況下，應力水平均滿足總強度要求;

2)在通過有限元考察SPB 型LNG 船液艙晃蕩效應時，可以進行適當簡化，用接地彈簧單元或者塊單元來對墊塊進行模擬;

3)由于制蕩艙壁的存在，SPB 型LNG 船在大艙容情況下，晃蕩表現(xiàn)良好，液艙大部分區(qū)域應力都遠小于許用應力，液艙內(nèi)部水平桁材、橫艙壁垂直桁材和橫框架的拐角處應力水平普遍較大，需要引起關注。

［1］朱小松，謝彬，喻西崇.LNG/LPG 液艙晃蕩研究進展綜述［J］.中國造船，2013，54(1):229 -236.ZHU Xiao-song，XIE Bin，YU Xi-chong.Research progress of liquid sloshing in LNG/LPG tanks［J］. Shipbuilding of China，2013，54(1):229 -236.

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