趙城園

(中國(guó)船級(jí)社，廣西 北海 536000)

0 引 言

不同于普通的集裝箱運(yùn)輸船和散貨船，液貨船運(yùn)載的商品為液體，如液化天然氣（LNG）等。由于液體在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)隨著船舶和海浪干擾作用發(fā)生晃動(dòng)，且液體在運(yùn)輸過(guò)程中必須具有良好的保溫特性，因此，液貨船船艙和罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性等必須要具有較高的可靠度。

液貨船罐體的設(shè)計(jì)需要滿足大致2 個(gè)方向的要求。一是流體動(dòng)力學(xué)特性，由于LNG 是一種易燃易爆的貨物，罐體設(shè)計(jì)時(shí)考慮船艙的溫度與流體動(dòng)力學(xué)條件，必須要保證具有良好的保溫性，滿足罐體內(nèi)部液體與氣體對(duì)內(nèi)壁的沖擊載荷；二是罐體與支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度特性，保證罐體在滿載的情況下，貨物晃蕩載荷、重力載荷、壓力載荷均不會(huì)對(duì)液貨船罐體及支撐結(jié)構(gòu)造成強(qiáng)度破壞。

本文介紹液貨船MOSS 型艙室的結(jié)構(gòu)原理，從流體動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)角度對(duì)MOSS 型艙室進(jìn)行建模分析，提高液貨船罐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。

1 液貨船及MOSS 型液貨船艙的研究現(xiàn)狀

國(guó)際船舶組織將液貨船（主要是LNG 運(yùn)輸船）的貨艙分為獨(dú)立式貨艙和非獨(dú)立式貨艙2 種。

1）獨(dú)立式貨艙

獨(dú)立式貨艙與船舶主體結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，貨艙可搬運(yùn)和移植到其他船體，不會(huì)影響船舶的完整性。獨(dú)立式貨艙包括方型貨艙和圓形貨艙2 種。

①方型貨艙

液貨船艙的主體形式為方型，具有更大的儲(chǔ)存空間，但方型液貨艙的保溫與強(qiáng)度設(shè)計(jì)難度較大，液貨船艙內(nèi)部要設(shè)計(jì)次屏壁結(jié)構(gòu)，提高方型貨艙的強(qiáng)度與保溫性。

②圓型貨艙

圓型貨艙泛指采用回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)為主體的液貨船艙，這種船艙具有較高的比表面積，強(qiáng)度特性也更加優(yōu)異，在液貨船中應(yīng)用較多。

2）非獨(dú)立式貨艙

非獨(dú)立式貨艙是指貨艙的主體生根在船舶主體結(jié)構(gòu)上，貨艙所受的重力、晃蕩載荷等最終由船舶主體承受。非獨(dú)立式貨艙具有高度的集成特性，在液貨船初始設(shè)計(jì)時(shí)需要明確貨艙的結(jié)構(gòu)與布局，這種液貨艙也是目前LNG 船舶的主要形式。

非獨(dú)立式貨艙可以分為以下2 種：

①薄膜型

該類型貨艙的主體結(jié)構(gòu)由鄰近船體部分的絕緣層薄膜組成，又包括艙內(nèi)殼體、隔熱層等，薄膜能夠確保液艙的密封特性，殼體和隔熱層保障貨艙的強(qiáng)度、保溫要求。

②半薄膜型

與薄膜型貨艙不同，半薄膜型貨艙的薄膜只有局部區(qū)域存在，同樣也是由周圍的船體結(jié)構(gòu)支撐。

本文研究的MOSS 型貨艙是一種半薄膜型貨艙，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 半薄膜型MOSS 艙室罐體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of semi-film type MOSS liquid cargo compartment

可知，MOSS 球型貨艙的主體結(jié)構(gòu)由艙裙結(jié)構(gòu)、罐體、隔熱層、艙內(nèi)殼體以及第2 層隔熱層組成，是一種雙層殼體結(jié)構(gòu)，每個(gè)球型LNG 罐體集成了液貨管路，罐體底部采用蒸汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備保持貨艙的低溫[1]。

2 液貨船罐體及支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與仿真

2.1 罐體的流體動(dòng)力學(xué)特性

為了更加準(zhǔn)確地描述液貨船罐體內(nèi)液體由于晃動(dòng)造成的沖擊載荷，對(duì)液貨船罐體內(nèi)液體-氣體進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。液貨船罐體內(nèi)部的熱循環(huán)特性響應(yīng)描述如下：

首先，LNG 液體在罐體內(nèi)部存儲(chǔ)時(shí)，MOSS 型罐體的頂部空間存在氣體，氣體與液體的流動(dòng)形成了氣液界面層；其次，罐體密閉空間內(nèi)部的液體流動(dòng)區(qū)域與罐體內(nèi)壁進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致壁面附近的液體溫度上升，液體會(huì)沿著內(nèi)壁向上流動(dòng)。最后，在液體與氣體的共同作用下，MOSS 型罐體的頂部與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。

MOSS 型罐體內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)循環(huán)特性如圖2所示。

圖2 MOSS 型罐體內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)循環(huán)特性Fig.2 Hydrodynamic circulation characteristics in MOSS tank

在進(jìn)行罐體內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，提出如下假設(shè)：

①LNG 液體視為不可壓縮的粘性流體，在實(shí)際流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，采用純甲烷的物理和化學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

②不考慮MOSS 外罐體的熱阻，只考慮罐體內(nèi)部隔熱層的熱阻。由于外罐體的厚度較低，導(dǎo)熱能力強(qiáng)，因此可以將其熱阻忽略。

③忽略罐體支撐結(jié)構(gòu)的傳熱。

④對(duì)于罐體內(nèi)部的氣體液體邊界層，將其視為恒熱流密度邊界。

1）連續(xù)性方程

根據(jù)上述假設(shè)，建立罐體內(nèi)部流體的連續(xù)性方程如下：

式中：ρ為液體的密度；SM為相變?cè)错?xiàng)。

2）動(dòng)量方程

動(dòng)量方程是流體在牛頓第二定律上的體現(xiàn)，即流體的動(dòng)量時(shí)間變化率與外界作用力之和相同，如下：

式中：τj為應(yīng)力張量；ρgi為液體的重力體積力；μ為流體動(dòng)力學(xué)膨脹系數(shù)；δij為壓力。

3）能量方程

能量方程由流體動(dòng)力學(xué)第一定律得到，即液體中增加的能量等于外界對(duì)液體微元做的功，溫度為T，流體動(dòng)力學(xué)能量方程為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，cr為熱容。

結(jié)合罐體內(nèi)動(dòng)量方程與壓力場(chǎng)邊界[2]，通過(guò)數(shù)值模擬得到罐體內(nèi)液體的湍流速度模型，圖3 為幾組不同溫度條件下的罐體內(nèi)湍流速度數(shù)據(jù)。

圖3 不同溫度條件下的罐體內(nèi)湍流速度數(shù)據(jù)Fig.3 Data of turbulence velocity in tank under different temperature conditions

2.2 液壓船MOSS 型罐體及支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

2.2.1 液貨船罐體的靜力學(xué)有限元計(jì)算過(guò)程

液貨船罐體及支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性主要是指在罐體內(nèi)部液體的重力與沖擊作用載荷下，罐體及支撐結(jié)構(gòu)的安全性。本文結(jié)合Ansys-workbench 軟件進(jìn)行分析，整體分析流程如圖4 所示。

圖4 液貨船罐體的靜力學(xué)分析流程圖Fig.4 Flow chart of static analysis of tank of liquid cargo ship

1）載荷提取

罐體的靜力學(xué)強(qiáng)度載荷主要包括罐體及液貨的重力和罐體液體的流體動(dòng)力學(xué)載荷-晃蕩載荷。

由于晃蕩載荷是一種非線性的變載荷，因此需要通過(guò)載荷譜表示，建立液貨艙室的晃蕩載荷[3]譜函數(shù)為：

式中：w為角頻率；wp為載荷譜的波峰頻率；Hs為載荷幅值。

2）有限元模型建立

首先需要充分提取MOSS 型船艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上做一定程度的簡(jiǎn)化，同時(shí)需要結(jié)合LNG 液艙的二維數(shù)值，確定罐體的基本模型特征。然后需要確定有限元網(wǎng)格的劃分精度，網(wǎng)格劃分時(shí)需要充分結(jié)合罐體的結(jié)構(gòu)特性，在危險(xiǎn)截面和重要承載區(qū)域的網(wǎng)格需要盡量的密，網(wǎng)格整體尺寸低于50 mm，且罐體有限元求解的步長(zhǎng)需要足夠小，保證有限元仿真的精確性。

圖5 為MOSS 型罐體局部結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖5 MOSS 型罐體局部結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.5 Finite element model of MOSS type tank local structure

3）數(shù)值求解

為了獲取準(zhǔn)確的罐體及支撐結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果，將數(shù)值模擬的橫向和縱向的分析時(shí)間定為5 個(gè)載荷周期，并結(jié)合高性能計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備進(jìn)行求解[4]。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從罐體及支撐結(jié)構(gòu)的極限和疲勞仿真結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升結(jié)構(gòu)安全性。

2.2.2 罐體及支撐結(jié)構(gòu)的有限元仿真

在建立Workbench 有限元模型時(shí)，將MOSS 型罐體的外殼定義為合金18CrNiMo，隔熱層材料定義為Q345A，支撐結(jié)構(gòu)采用材料Q235b，MOSS 型罐體的有限元模型屬性如表1 所示。

表1 MOSS 型罐體的有限元模型屬性Tab.1 Finite element model properties of MOSS type tank

圖6 為MOSS 型罐體局部區(qū)域的有限元仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果，可對(duì)MOSS 型艙室進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖6 MOSS 型罐體局部區(qū)域的有限元仿真結(jié)果Fig.6 Finite element simulation results of MOSS tank local area

3 結(jié) 語(yǔ)

LNG 液貨船作為一種重要的資源運(yùn)輸船，其結(jié)構(gòu)可靠性是研究重點(diǎn)。本文從液貨船MOSS型船艙罐體的流動(dòng)力學(xué)特性與靜力學(xué)特性出發(fā)，針對(duì)MOSS 型艙室罐體進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真計(jì)算，詳細(xì)介紹了整個(gè)過(guò)程，有助于MOSS 型艙室罐體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。