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(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 開發(fā)研究所，上海 200129)

B型獨(dú)立艙支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

姚雯，耿元偉，張匯平，江克進(jìn)

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 開發(fā)研究所，上海 200129)

考慮到采用B型獨(dú)立艙的船舶獨(dú)立艙的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)承受載荷特點(diǎn)，通過彈簧單元模擬支撐結(jié)構(gòu)中的墊木以獲得支座強(qiáng)度校核時(shí)的載荷數(shù)據(jù)，將該載荷施加在支座的有限元模型上進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)支座進(jìn)行強(qiáng)度校核及優(yōu)化，從而獲得合理的支撐結(jié)構(gòu)型式。

B型獨(dú)立艙；支撐結(jié)構(gòu)；有限元

近年來，天然氣作為清潔能源日益被全球能源市場看好，我國LNG船需求量大增。實(shí)船應(yīng)用的大型LNG船的液貨圍護(hù)系統(tǒng)有球罐型(MOSS)、薄膜型(Membrane)和SPB型。3種應(yīng)用于實(shí)船的大型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)均屬國外。隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整帶動(dòng)我國LNG產(chǎn)業(yè)鏈尤其是LNG運(yùn)輸船和浮式LNG裝置需求的增加，研發(fā)我國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低蒸發(fā)率、操作與維護(hù)方便的新型圍護(hù)系統(tǒng)極為必要。獨(dú)立艙的支撐結(jié)構(gòu)連接船體與液貨艙，其設(shè)計(jì)除必須考慮液貨艙和貨物的垂向載荷外，還必須考慮橫向和縱向加速度載荷，因此，該支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算顯得尤為重要。

1 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

計(jì)算對(duì)象選擇某B型獨(dú)立艙液化天然氣船，其主要參數(shù)見表1。

表1 B型獨(dú)立艙液化天然氣船主要參數(shù) m

在最初的方案設(shè)計(jì)中，主要考慮支撐結(jié)構(gòu)的功能性進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到承受載荷特點(diǎn)及整體布局，設(shè)計(jì)了5種類型的支撐結(jié)構(gòu)。該船的支撐結(jié)構(gòu)包括了位于貨艙底部的Vertical Support,Anti-pitch, Anti-rolling lower和位于貨艙頂部的Anti-rolling upper,Anti-floting 5種類型。底部支撐結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 底部支撐結(jié)構(gòu)布置

支撐結(jié)構(gòu)由墊木和金屬支座組成，本文主要分析金屬支座部分。Anti-pitch和Anti-rolling除了需要承受垂向載荷外，還承受縱向和橫向載荷，因此支座結(jié)構(gòu)的典型型式見圖2。

圖2 典型支座型式

2 計(jì)算原理

根據(jù)DNV規(guī)范CN31-12的要求，進(jìn)行相關(guān)艙段有限元和支座強(qiáng)度的分析計(jì)算。艙段有限元計(jì)算除了校核液貨艙的屈服和屈曲強(qiáng)度外，其中涉及的支座首先通過艙段有限元計(jì)算獲得承壓支座的壓力載荷，然后施加在支座的模型中進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2.1 艙段有限元計(jì)算

采用MSC/PATRAN軟件建立艙段模型(見圖3)，該有限元模型包括評(píng)估的中間完整艙和2個(gè)邊界半艙模型，并包括支撐結(jié)構(gòu)。其中，墊木采用Spring單元進(jìn)行模擬，其他結(jié)構(gòu)采用板單元和桿單元進(jìn)行模擬。

圖3 艙段有限元模型

設(shè)計(jì)載荷是由船體裝載手冊中的實(shí)際裝載工況來決定的。計(jì)算載荷分為船體梁載荷、海水壓力、貨物壓力、蒸汽壓力、運(yùn)動(dòng)加速度等。根據(jù)規(guī)范要求的裝載工況，將載荷施加在模型上。圍護(hù)系統(tǒng)支座設(shè)計(jì)須考慮支座能夠承受圍護(hù)系統(tǒng)及液貨的靜、動(dòng)載荷。液貨艙支座模型布置見圖4。

圖4 液貨艙支座模型布置

邊界條件根據(jù)載荷不同而不同，主要分為3種，船體梁載荷對(duì)應(yīng)的邊界、對(duì)稱局部載荷對(duì)應(yīng)的邊界和非對(duì)稱載荷對(duì)應(yīng)的邊界，計(jì)算時(shí)根據(jù)不同類型的載荷施加不同的邊界條件，見圖5。

圖5 船體梁載荷下的邊界條件

本文計(jì)算艙段有限元模型中采用Spring單元模擬墊木，Spring單元可以受拉力和壓力，而墊木只承受壓力。因此，通過多次迭代，將每種計(jì)算工況下的受拉Spring單元從該計(jì)算的有限元模型中移除，僅留下只承壓的Spring單元，具體迭代過程見圖6。

圖6 迭代流程

迭代完成后，將每種工況下的Spring單元所受的壓力值讀取出來，對(duì)于每一種類型的支座編制相應(yīng)的壓力表格，選出壓力最大值的支座位置和對(duì)應(yīng)的工況，作為典型支座進(jìn)行強(qiáng)度校核和優(yōu)化。

2.2 支座的計(jì)算

艙段有限元計(jì)算完成后，將根據(jù)壓力選出來的典型位置的支座細(xì)化成50×50網(wǎng)格大小并過渡到自然網(wǎng)格大小，模型范圍至結(jié)構(gòu)剛度較大處。將典型工況的計(jì)算載荷施加在此有限元模型上，把艙段有限元模型對(duì)應(yīng)工況的節(jié)點(diǎn)位移值映射到對(duì)應(yīng)的支座模型邊界上(見圖7)，由NASTRAN進(jìn)行求解計(jì)算。支座模型邊界約束見圖8。

圖8 支座模型邊界約束

3 強(qiáng)度校核及優(yōu)化

以Anti-pitch支座作為例子。在最初的方案設(shè)計(jì)完成后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行直接強(qiáng)度計(jì)算分析。通常初步設(shè)計(jì)時(shí)，支座強(qiáng)度不會(huì)滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行多次的方案改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)型式，到材料及板材規(guī)格等方面進(jìn)行改善。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，需要有針對(duì)性地進(jìn)行增加構(gòu)件或增減厚度，見圖9為改進(jìn)過程中的3種典型型式。與液貨艙相連的結(jié)構(gòu)材質(zhì)為9%Ni，與船體結(jié)構(gòu)相連的材質(zhì)為E36或E40，其評(píng)估衡準(zhǔn)根據(jù)規(guī)范要求也不相同，見表2。

圖9 支座方案的改進(jìn)圖

表2 細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度衡準(zhǔn) MPa

該支座主要承受垂向和縱向載荷，強(qiáng)度校核時(shí)選擇垂向最大和縱向載荷最大的2種典型工況進(jìn)行分析，根據(jù)圖9所示的3種結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力云圖見圖10、圖11。其中，在垂向最大載荷下，與墊木直接接觸的支座水平板應(yīng)力較大，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)，從增加板厚到增加加強(qiáng)筋，最后調(diào)節(jié)板厚同時(shí)增加加強(qiáng)筋，目的是優(yōu)化支座的應(yīng)力分布以滿足強(qiáng)度要求等。

圖10 縱向載荷最大工況時(shí)應(yīng)力云圖

圖11 垂向載荷最大工況時(shí)應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

在艙段有限元計(jì)算時(shí)，采用Spring單元模擬墊木，通過迭代的方式將不符合要求的Spring單元從計(jì)算的模型中移除。根據(jù)艙段有限元的計(jì)算結(jié)果篩選出極限工況下的支座位置，并將該位置處支座進(jìn)行細(xì)化，通過細(xì)網(wǎng)格模型的計(jì)算分析，對(duì)支座進(jìn)行加強(qiáng)及優(yōu)化。

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Direct Strength Analysis for Support Structure of the Independent Type-B Tank

YAOWen,GENGYuan-wei,ZHANGHui-pin,JIANGKe-jin

(Ship Research & Development Department, Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co. Ltd., Shanghai 200129, China)

The design of support structure is very important to the independent type-B tank. According to characteristics of loads acting on the support structures, the support wood was modeled with spring element to assess strength of the support structure by finite element method (FEM). In light of the numerical results of direct strength analysis, the support structure can be optimized.

independent type-B tank; support structure; FEM

U663

A

1671-7953(2017)06-0028-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.006

2017-04-01

2017-04-28

工信部“新型液化天然氣船液貨圍護(hù)系統(tǒng)預(yù)先研究”項(xiàng)目(Z1215E01)

姚雯(1984—)，女，學(xué)士，工程師

研究方向：結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)