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(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

目前營(yíng)運(yùn)的液化天然氣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNG)船舶貨艙圍護(hù)系統(tǒng)主要有薄膜型和獨(dú)立艙型，獨(dú)立艙型又分為A、B、C三型[1]。但是其核心技術(shù)均為國(guó)外公司所壟斷，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展。

目前，對(duì)B型獨(dú)立艙的研究較少[2]，根據(jù)DNVGL相關(guān)規(guī)范[3-5]，針對(duì)規(guī)范中給定的載荷工況，對(duì)自主設(shè)計(jì)的B型獨(dú)立艙進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，通過(guò)屈服和屈曲強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及計(jì)算模型

1.1 船型簡(jiǎn)介及貨艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文計(jì)算對(duì)象為B型獨(dú)立艙LNG船的貨艙，作為其載體的船體主要參數(shù)見(jiàn)表1。船體布置形式為雙層底、雙層舷側(cè)和單層甲板式結(jié)構(gòu)，縱向布置4個(gè)貨艙，隔艙為雙層結(jié)構(gòu)形式。

表1 B型獨(dú)立艙LNG船主要參數(shù) m

B型獨(dú)立艙采用橫向雙艙設(shè)計(jì)，每個(gè)貨艙內(nèi)部中間設(shè)有一道橫向制蕩艙壁。在貨艙底部和頂部設(shè)有支撐裝置、止橫搖裝置、止縱搖裝置和止浮裝置。為了滿(mǎn)足液化天然氣低溫的要求，貨艙結(jié)構(gòu)及相連接的支撐結(jié)構(gòu)均采用9鎳鋼材料。

1.2 計(jì)算模型

采用MSC.PATRAN軟件作為有限元計(jì)算的前后處理工具，進(jìn)行艙段模型的創(chuàng)建、載荷及邊界條件的施加、計(jì)算結(jié)果的處理等。MSC.NATRAN作為計(jì)算的求解器。采用DNVGL的PULS軟件進(jìn)行屈曲強(qiáng)度的校核。

根據(jù)規(guī)范要求，計(jì)算模型采用1個(gè)完整艙加2個(gè)邊界半艙的船體和貨艙模型。該范圍內(nèi)的船體和貨艙主要結(jié)構(gòu)，包括獨(dú)立艙的支撐和止搖裝置均需相應(yīng)的有限元單元進(jìn)行模擬。具體為水密和主要支撐構(gòu)件腹板采用板單元模擬，縱骨、主要支撐構(gòu)件面板及加強(qiáng)筋采用梁?jiǎn)卧M，支撐裝置的墊木采用彈簧單元模擬[6]。其中板單元主要采用四節(jié)點(diǎn)的矩形網(wǎng)格單元，梁?jiǎn)卧獮閮晒?jié)點(diǎn)的一維單元。除了艙段粗網(wǎng)格的計(jì)算外，還需要對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域采用50×50的細(xì)網(wǎng)格單元?jiǎng)?chuàng)建細(xì)網(wǎng)格模型。見(jiàn)圖2、3。

2 工況及計(jì)算載荷

DNVGL規(guī)范指出，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，所以裝載工況的選擇必須基于能獲得最大應(yīng)力響應(yīng)的內(nèi)外部壓力載荷和船體梁載荷組合的工況。本次計(jì)算有10種工況，包括完整航行狀態(tài)時(shí)連續(xù)裝載和隔艙裝載下的靜載荷工況和各種動(dòng)載荷工況，還包括船體破損工況及港口工況，其說(shuō)明見(jiàn)表2。這些計(jì)算工況綜合考量了貨艙結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)的屈服和屈曲強(qiáng)度。

表2 載荷工況簡(jiǎn)介表

規(guī)范中的海水動(dòng)載荷基于北大西洋環(huán)境10-8概率水平波浪載荷，計(jì)算海水靜壓力和動(dòng)壓力需參照DNVGL相關(guān)規(guī)范。貨艙內(nèi)部壓力載荷的計(jì)算如下。

靜壓力載荷：psta.=ρcghz+p0;

垂向動(dòng)壓力載荷：pdyn_V=ρcg(1+az)hz+p0;

橫向動(dòng)壓力載荷：pdyn_T=ρcghz+p0+ρcghyay。

其中：p0為貨艙蒸汽壓力，屈服強(qiáng)度計(jì)算是規(guī)范指定值，屈曲強(qiáng)度計(jì)算時(shí)取p0=0。

根據(jù)不同的載荷類(lèi)型，需要施加不同的邊界約束條件，此計(jì)算中包括船體梁載荷邊界約束、局部對(duì)稱(chēng)載荷邊界約束和局部非對(duì)稱(chēng)載荷約束3種，船體梁載荷邊界約束示意于圖3。根據(jù)載荷類(lèi)型選擇邊界條件，最后根據(jù)載荷工況將計(jì)算結(jié)果疊加。

3 彈簧單元的迭代問(wèn)題

貨艙通過(guò)支撐裝置與船體連接，支撐裝置由貨艙支座、船體支座和墊木組成(見(jiàn)圖1b)。貨艙在發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，貨艙與船體也會(huì)通過(guò)止搖裝置的墊木進(jìn)行接觸。計(jì)算采用彈簧單元模擬墊木在力學(xué)表現(xiàn)上與實(shí)際的墊木是有差異的，在貨艙和船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，墊木只承受壓力，而模擬后的彈簧既承受壓力也可以承受拉力。所以在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要將受拉的彈簧單元從模型中刪除，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算及彈簧單元調(diào)整后完成迭代，而且針對(duì)每種計(jì)算工況都需要進(jìn)行彈簧單元的迭代，具體迭代過(guò)程見(jiàn)圖4。

通過(guò)迭代，最終獲取所有受壓的彈簧單元，并把每種工況下的彈簧壓力統(tǒng)計(jì)出來(lái)。通過(guò)彈簧壓力的分布，優(yōu)化調(diào)整支撐裝置的布置，以降低最大壓力水平。根據(jù)最終的彈簧壓力結(jié)果，選擇典型工況下的支座作為進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格評(píng)估的對(duì)象。而每種工況下的壓力數(shù)據(jù)作為后續(xù)支座細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度校核的載荷數(shù)據(jù)，并對(duì)支座進(jìn)行強(qiáng)度校核和優(yōu)化。

4 強(qiáng)度校核及分析

貨艙結(jié)構(gòu)及其相連的支座采用的9鎳鋼，其屈服強(qiáng)度為490 MPa，抗拉強(qiáng)度為690 MPa。規(guī)范規(guī)定了不同結(jié)構(gòu)不同工況的許用應(yīng)力值和屈曲強(qiáng)度衡準(zhǔn)(見(jiàn)表3)，以及不同工況類(lèi)型的細(xì)網(wǎng)格的評(píng)估衡準(zhǔn)。其中，應(yīng)力采用von Mise應(yīng)力作為評(píng)判應(yīng)力。

表3 屈服和屈曲衡準(zhǔn)表

4.1 屈服強(qiáng)度分析

1)主要構(gòu)件。按規(guī)范分類(lèi)，該部分結(jié)構(gòu)是指獨(dú)立艙的主要支撐構(gòu)件，包括水平桁、垂直桁和橫向強(qiáng)框架。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示：水平桁和垂直桁連接肘板趾端、橫向強(qiáng)框架靠近支座處以及水平桁大肘板自由邊等多處位置均存在不符合屈服強(qiáng)度要求情況。見(jiàn)表4。

表4 主要構(gòu)件的屈服強(qiáng)度校核

2)次要構(gòu)件。該部分是指獨(dú)立艙的外殼、水密橫艙壁、水密縱艙壁和制蕩艙壁的連續(xù)骨材。計(jì)算結(jié)果顯示均符合要求。

3)第三類(lèi)構(gòu)件。該部分是指獨(dú)立艙的外殼、水密橫艙壁、水密縱艙壁和制蕩艙壁的板材部分。從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于獨(dú)立艙的外殼，只有底部局部區(qū)域在LC10工況時(shí)不滿(mǎn)足要求外，均滿(mǎn)足規(guī)范屈服強(qiáng)度要求。水密縱艙壁基本滿(mǎn)足屈服要求，只有局部區(qū)域在LC10工況時(shí)不滿(mǎn)足要求，見(jiàn)圖7。應(yīng)力過(guò)大的原因是該區(qū)域靠近水平縱桁轉(zhuǎn)角趾端處，而載荷工況中包含有縱向加速度載荷，導(dǎo)致剪切應(yīng)力過(guò)大而不滿(mǎn)足。對(duì)縱向艙壁不滿(mǎn)足要求的區(qū)域增加板厚后，計(jì)算結(jié)果顯示滿(mǎn)足規(guī)范要求。水密橫艙壁和制蕩艙壁均符合屈服強(qiáng)度要求。

4.2 屈曲強(qiáng)度分析

屈曲的計(jì)算采用DNVGL的PULS軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)不同板架選擇典型的受壓板格，從MSC.PATRAN中提取應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸入PULS軟件，并定義板格的幾何屬性、材料屬性以及邊界屬性等，根據(jù)板架的形式分為加筋板格屈曲校核和非加筋板格屈曲校核。

計(jì)算結(jié)果顯示，獨(dú)立艙的水密縱艙壁和橫艙壁基本滿(mǎn)足屈曲要求，獨(dú)立艙外殼底部區(qū)域有部分不滿(mǎn)足屈曲要求。水平桁與縱艙壁相連區(qū)域有部分板格不滿(mǎn)足要求。強(qiáng)框架、垂直桁和底部縱桁除了少數(shù)板格外基本滿(mǎn)足要求。部分區(qū)域增加一定板厚，其他區(qū)域增加加強(qiáng)筋均滿(mǎn)足屈曲要求。

4.3 高應(yīng)力區(qū)結(jié)果分析

本文選取了水平桁肘板趾端高應(yīng)力區(qū)、垂直桁和底部縱桁連接肘板趾端以及橫向強(qiáng)框架部分高應(yīng)力區(qū)作為研究對(duì)象，分別對(duì)該區(qū)域進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格的應(yīng)力計(jì)算。

對(duì)于水平桁肘板趾端，從粗網(wǎng)格屈服計(jì)算可以看出，很多工況下均顯示應(yīng)力過(guò)大。由于粗網(wǎng)格不能很好地模擬該區(qū)域，應(yīng)力水平可能失真。從細(xì)化模型的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，部分區(qū)域的應(yīng)力符合細(xì)網(wǎng)格的衡準(zhǔn)要求，但仍然有部分區(qū)域超過(guò)了細(xì)網(wǎng)格的應(yīng)力許用值。局部區(qū)域增加板厚后應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

垂直桁和底部縱桁連接處在LC10工況下，細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力水平仍然超過(guò)許用值，見(jiàn)圖8。趾端區(qū)域通過(guò)增加板厚后有效降低了應(yīng)力值，見(jiàn)圖9。

對(duì)于橫向強(qiáng)框架的細(xì)化網(wǎng)格計(jì)算，其應(yīng)力水平仍不滿(mǎn)足要求，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，除了腹板有應(yīng)力集中外，面板也有部分不滿(mǎn)足要求。通過(guò)修改面板尺寸及厚度并增加腹板厚度后，應(yīng)力值降低到許用值以下，見(jiàn)圖10、11。

5 結(jié)論

計(jì)算分析結(jié)果表明，不滿(mǎn)足規(guī)范要求的主要是：①獨(dú)立艙水平桁肘板趾端區(qū)域；②靠近支撐裝置、止搖裝置和止浮裝置的橫向強(qiáng)框架和桁材部分區(qū)域特別是結(jié)構(gòu)形狀變化區(qū)域。據(jù)此，對(duì)獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足規(guī)范要求的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，改進(jìn)后的貨艙結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足規(guī)范要求，證明了獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，也可為后續(xù)同類(lèi)型的獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。由于各家船級(jí)社的規(guī)范并不相同，后續(xù)可以針對(duì)其他船級(jí)社的相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算并作比較研究。

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