張玉奎，鄭文青

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著世界天然氣消費(fèi)量和貿(mào)易量的不斷增加，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運(yùn)輸船（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“LNG船”）的需求量迅速增加。LNG船的核心是貨物圍護(hù)系統(tǒng)，目前大型LNG船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)有薄膜型[1-2]、MOSS[3]型和IMO B型[4]等3種。與薄膜型和MOSS型相比，IMO B型艙的最大特點(diǎn)是存在內(nèi)部制蕩艙壁，可大大減輕艙內(nèi)液貨的晃蕩，裝載液位不受限制且上甲板可自由布置[5]。

本文以170000m3B型LNG船的液貨艙設(shè)計(jì)為背景，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析工作進(jìn)行分析。

1 船舶概述

該170000m3LNG船由滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司和中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院等單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，采用IMO B型貨物圍護(hù)系統(tǒng)，共設(shè)有4個(gè)貨艙。液貨艙內(nèi)部設(shè)有橫向制蕩艙壁和水密縱艙壁，液貨艙結(jié)構(gòu)和與液貨艙相連的支座結(jié)構(gòu)采用耐低溫的9%鎳鋼，與船體相連的支座結(jié)構(gòu)采用E級(jí)高強(qiáng)鋼。液貨艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

該船的設(shè)計(jì)和分析參照美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）的相關(guān)要求。液貨艙最大設(shè)計(jì)蒸氣壓力為0.7bar，設(shè)計(jì)最低溫度為-163°C。該船的基本參數(shù)見(jiàn)表1，總布置圖見(jiàn)圖1。

表1 170000m3 LNG船基本參數(shù)

圖1 170000m3 LNG船總布置圖

B型圍護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是存在各種類(lèi)型的支座結(jié)構(gòu)，這些支座限制液貨艙在某個(gè)方向上的移動(dòng)，可分為垂向支座、止橫搖支座、止縱搖支座和止浮支座等4大類(lèi)，其中：垂向支座、止橫搖支座和止縱搖支座分別限制液貨艙在垂向、橫向和縱向上的位移；止浮支座防止船體破損進(jìn)水時(shí)液貨艙上浮。

2 計(jì)算模型

評(píng)估目標(biāo)為設(shè)計(jì)彎矩最大的No.3貨艙，采用全寬的1/2+1+1/2艙段模型，即包含半長(zhǎng)No.2貨艙、全長(zhǎng)No.3貨艙和半長(zhǎng)No.4貨艙在內(nèi)的所有主要結(jié)構(gòu)。建模遵循的具體規(guī)則為：

1) 船體及貨艙的水密構(gòu)件和主要支撐構(gòu)件采用殼單元模擬。

2) 縱骨及水密構(gòu)件加強(qiáng)筋采用含帶板的非偏心梁?jiǎn)卧M；非水密構(gòu)件的加強(qiáng)筋和主要支撐構(gòu)件的面板等采用桿單元模擬。

3) 沿橫剖面周界，網(wǎng)格大小取骨材間距；橫向強(qiáng)框架間的縱向構(gòu)件劃分為4個(gè)單元；雙層底、強(qiáng)框架、水平桁和垂直桁的單元長(zhǎng)寬比盡量接近于1。

4) 支座結(jié)構(gòu)由于網(wǎng)格尺寸的限制，無(wú)法模擬其精確的外形，只能盡量準(zhǔn)確地模擬其剛度，對(duì)貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的影響很小，但對(duì)支座本身的應(yīng)力結(jié)果影響很大。因此，對(duì)各種類(lèi)型的支座均要至少挑選一個(gè)受力最大支座的進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格（50mm×50mm）分析，以得到支座結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力分布。限于篇幅，細(xì)網(wǎng)格計(jì)算不展開(kāi)討論。

5) 層壓木既是液貨艙與船體連接的紐帶，也是力的傳遞途徑，因此需根據(jù)實(shí)際力的相互作用情況合理地進(jìn)行模擬。由于各種類(lèi)型的支座層壓木均設(shè)計(jì)為受拉時(shí)液貨艙與船體會(huì)脫開(kāi)，只有壓緊時(shí)二者才會(huì)接觸，因此層壓木只能承受壓力而不能承受拉力，采用與層壓木支撐方向剛度相同的桿單元進(jìn)行模擬。

遵照以上原則建立的艙段有限元模型示意見(jiàn)圖2。

支座和層壓木是獨(dú)立型LNG船特有的，圖3給出具有代表性的垂向支座和層壓木有限元模型示意。

圖2 艙段有限元模型示意

圖3 垂向支座和層壓木有限元模型示意

3 計(jì)算方法

ABS指南[6]中規(guī)定需考慮的工況共有14種，由于砰擊工況LC10只針對(duì)No.1貨艙，因此本文計(jì)算所關(guān)注的貨艙共涉及13種工況，可分為3類(lèi)，其中：LC1～LC8為海水動(dòng)載荷工況，主要用以校核貨艙水密構(gòu)件和主要支撐構(gòu)件；LC9為港內(nèi)工況，液貨艙為單邊裝載，主要影響液貨艙的縱艙壁結(jié)構(gòu)；LC11～LC14為事故工況，用以校核支座和層壓木強(qiáng)度。

計(jì)算包含的載荷可按作用類(lèi)型分為靜水載荷、波浪載荷、船體運(yùn)動(dòng)慣性載荷和液貨艙內(nèi)部的蒸氣壓力，其中：靜水載荷通過(guò)在艙段兩端施加靜水彎矩和在外板施加靜水壓力得到；波浪載荷通過(guò)在艙段兩端施加波浪彎矩和在外板施加波浪動(dòng)壓力得到；運(yùn)動(dòng)慣性載荷根據(jù)《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，IGC Code）[7]要求得到，繼而轉(zhuǎn)換為液艙任意位置的壓力；對(duì)于液貨艙而言還需要加上蒸氣壓力。

計(jì)算采用疊加法，即首先分別對(duì)艙段模型施加船體梁載荷（靜水和波浪彎矩）和局部載荷（其他載荷），隨后結(jié)合不同的邊界條件進(jìn)行求解，其中：船體梁載荷計(jì)算模型的邊界條件為船體梁一端剛固，另一端利用多點(diǎn)約束單元在中和軸處施加設(shè)計(jì)彎矩；局部載荷計(jì)算模型的邊界條件為船體梁兩端限制縱向位移，兩道水密橫艙壁處限制橫向位移和垂向位移。

由于層壓木在實(shí)際情況下只能承受壓力而不能承受拉力，因此在計(jì)算時(shí)需對(duì)各局部載荷工況進(jìn)行迭代。刪除受拉的層壓木桿單元之后重新計(jì)算，直到所有的單元均受壓為止。針對(duì)垂向支座，還考慮層壓木摩擦力，通過(guò)在迭代完成之后額外加上摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)，摩擦系數(shù)取為0.1。

最后將船體梁載荷模型和局部載荷模型的計(jì)算結(jié)果相疊加并與衡準(zhǔn)相比較，做進(jìn)一步的分析。

4 結(jié)果分析

液貨艙結(jié)構(gòu)所用9%鎳鋼材料的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為400MPa，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為655MPa。ABS指南[6]針對(duì)不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)規(guī)定了不同的許用應(yīng)力。根據(jù)ABS的量綱，應(yīng)力單位為kgf/cm2。

4.1 水密構(gòu)件

對(duì)于水密構(gòu)件，需校核的工況為L(zhǎng)C1～LC9，合成應(yīng)力許用值為2673kgf/cm2。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的水密構(gòu)件尺寸可較好地滿(mǎn)足艙段有限元計(jì)算衡準(zhǔn)，整體應(yīng)力水平較低，計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 水密構(gòu)件最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：kgf/cm2

在水密構(gòu)件中，由于縱艙壁前端和后端處的垂向支座受力較大，對(duì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)?？v艙壁的應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域見(jiàn)圖4。

4.2 主要支撐構(gòu)件

對(duì)于主要支撐構(gòu)件，需校核的工況也是LC1～LC9，合成應(yīng)力許用值為2915kgf/cm2。

4.2.1 橫向強(qiáng)框架

橫向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平不高，但在液貨艙中縱艙壁垂直桁和底部桁材的過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力結(jié)果超出許用值，需進(jìn)行加強(qiáng)。此外，對(duì)下折角區(qū)域和垂向支座相鄰的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。橫向強(qiáng)框架應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域見(jiàn)圖5。

4.2.2 水平桁

水平桁位于端部過(guò)渡區(qū)域，應(yīng)力水平偏高，部分單元的應(yīng)力超過(guò)許用值，需進(jìn)一步加強(qiáng)。水平桁應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域見(jiàn)圖6。

圖4 縱艙壁應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域

圖5 橫向強(qiáng)框架應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域

4.2.3 垂直桁和底縱桁

垂直桁和底縱桁的總體應(yīng)力水平不高，二者連接過(guò)渡部分需適當(dāng)加強(qiáng)。垂直桁和底縱桁應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域見(jiàn)圖7。

圖6 水平桁應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域

圖7 垂直桁和底縱桁應(yīng)力云圖及需關(guān)注區(qū)域

4.2.4 制蕩艙壁

制蕩艙壁的應(yīng)力滿(mǎn)足衡準(zhǔn)，無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8。

由水密構(gòu)件和主要支撐構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果可知：根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的水密構(gòu)件尺寸能很好地滿(mǎn)足有限元計(jì)算衡準(zhǔn)；主要支撐構(gòu)件在不同類(lèi)型構(gòu)件連接處、垂向支座支撐區(qū)域都存在一定程度的應(yīng)力集中，需進(jìn)行局部的加強(qiáng)處理。

4.3 支座

各種類(lèi)型的支座在計(jì)算工況下的最大支撐力及決定工況見(jiàn)表3。

圖8 制蕩艙壁應(yīng)力云圖

表3 各種類(lèi)型支座在計(jì)算工況下的支撐力及決定工況

從表3中可看出，除底部止橫搖支座以外，其他支座都是在事故工況下（LC11～LC14）支撐力達(dá)到最大，其中又以垂向支座的支撐力為最大，這里重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行討論。圖9為垂向支座布置圖，其中：橫向框線(xiàn)內(nèi)為止橫搖兼做垂向支座；縱向框線(xiàn)內(nèi)為止縱搖兼做垂向支座；其余為獨(dú)立垂向支座。圖 10為垂向支座支撐力分布示意。

圖9 垂向支座布置圖

圖10 垂向支座支撐力分布示意

從圖10可看出：對(duì)于獨(dú)立垂向支座，液貨艙角隅的4個(gè)點(diǎn)支撐力最大，約是相鄰?fù)?lèi)型支座最大值的2.3倍；止橫搖兼做垂向支座前后兩端支撐力最大，約是相鄰?fù)?lèi)型支座最大值的4.8倍；止縱搖兼做垂向支座左右兩端支撐力最大，約是相鄰?fù)?lèi)型支座最大值的3.5倍。

因此，若同類(lèi)型支座結(jié)構(gòu)采用相同的設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)的角度應(yīng)使同類(lèi)型各支座受力相差不大，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高材料利用率。在保證通行需求、降低液貨艙吊裝精度控制難度及減輕結(jié)構(gòu)重量的前提下，支座數(shù)量往往受到限制，有必要對(duì)支座本身的剛度對(duì)支撐力分布的影響加以研究。

選取船首左舷角隅支撐力最大的一個(gè)獨(dú)立垂向支座，將其結(jié)構(gòu)板厚增加1倍，其余的條件不變，重新進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，在支座的剛度增加1倍后，受力由2290t增加到2482t，增幅只有8.4%，因此支座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平可顯著降低。支撐力減小較明顯的是橫向和縱向與考察支座相鄰的2個(gè)支座，其余支座支撐力基本沒(méi)有變化。由此可知，支撐力更多地受支座布置的影響，支座本身的剛度變化對(duì)支撐力的影響有限。

5 結(jié) 語(yǔ)

B型艙強(qiáng)度計(jì)算與常規(guī)船貨艙強(qiáng)度計(jì)算最大的不同在于支撐結(jié)構(gòu)和層壓木的合理模擬及由此而來(lái)的迭代計(jì)算。本文針對(duì)目標(biāo)船，首先根據(jù)其結(jié)構(gòu)和載荷作用特點(diǎn)建立艙段有限元模型，然后參照 ABS指南進(jìn)行加載和計(jì)算，最后得到液貨艙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果和支座支撐力的分布特點(diǎn)。通過(guò)分析，得到以下結(jié)論：

1) 液貨艙水密構(gòu)件應(yīng)力水平不高，主要支撐構(gòu)件中的結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)域易出現(xiàn)高應(yīng)力，需重點(diǎn)優(yōu)化。

2) 支座附近的支撐結(jié)構(gòu)局部需做加強(qiáng)，特別是在某一類(lèi)型支座邊緣位置附近，由于受力較大，通常需額外考慮；增大支座板厚可有效減小應(yīng)力。

3) 支座本身的剛度對(duì)支撐力的影響較小，若需減小最大支撐力，應(yīng)多從支座布置上入手。