B型獨立艙支撐結構的計算分析

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(滬東中華造船(集團)有限公司 開發研究所，上海 200129)

B型獨立艙支撐結構的計算分析

姚雯，耿元偉，張匯平，江克進

(滬東中華造船(集團)有限公司 開發研究所，上海 200129)

考慮到采用B型獨立艙的船舶獨立艙的支撐結構設計的重要性，根據支撐結構承受載荷特點，通過彈簧單元模擬支撐結構中的墊木以獲得支座強度校核時的載荷數據，將該載荷施加在支座的有限元模型上進行計算分析，對支座進行強度校核及優化，從而獲得合理的支撐結構型式。

B型獨立艙；支撐結構；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。實船應用的大型LNG船的液貨圍護系統有球罐型(MOSS)、薄膜型(Membrane)和SPB型。3種應用于實船的大型LNG船圍護系統技術均屬國外。隨著我國能源結構調整帶動我國LNG產業鏈尤其是LNG運輸船和浮式LNG裝置需求的增加，研發我國自有知識產權的低蒸發率、操作與維護方便的新型圍護系統極為必要。獨立艙的支撐結構連接船體與液貨艙，其設計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，該支撐結構的強度計算顯得尤為重要。

1 支撐結構的設計

計算對象選擇某B型獨立艙液化天然氣船，其主要參數見表1。

表1 B型獨立艙液化天然氣船主要參數 m

在最初的方案設計中，主要考慮支撐結構的功能性進行設計，考慮到承受載荷特點及整體布局，設計了5種類型的支撐結構。該船的支撐結構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。底部支撐結構布置見圖1。

圖1 底部支撐結構布置

支撐結構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，因此支座結構的典型型式見圖2。

圖2 典型支座型式

2 計算原理

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

2.1 艙段有限元計算

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

圖3 艙段有限元模型

設計載荷是由船體裝載手冊中的實際裝載工況來決定的。計算載荷分為船體梁載荷、海水壓力、貨物壓力、蒸汽壓力、運動加速度等。根據規范要求的裝載工況，將載荷施加在模型上。圍護系統支座設計須考慮支座能夠承受圍護系統及液貨的靜、動載荷。液貨艙支座模型布置見圖4。

圖4 液貨艙支座模型布置

邊界條件根據載荷不同而不同，主要分為3種，船體梁載荷對應的邊界、對稱局部載荷對應的邊界和非對稱載荷對應的邊界，計算時根據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，將每種計算工況下的受拉Spring單元從該計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，對于每一種類型的支座編制相應的壓力表格，選出壓力最大值的支座位置和對應的工況，作為典型支座進行強度校核和優化。

2.2 支座的計算

艙段有限元計算完成后，將根據壓力選出來的典型位置的支座細化成50×50網格大小并過渡到自然網格大小，模型范圍至結構剛度較大處。將典型工況的計算載荷施加在此有限元模型上，把艙段有限元模型對應工況的節點位移值映射到對應的支座模型邊界上(見圖7)，由NASTRAN進行求解計算。支座模型邊界約束見圖8。

圖8 支座模型邊界約束

3 強度校核及優化

以Anti-pitch支座作為例子。在最初的方案設計完成后，其結構強度需要根據規范要求進行直接強度計算分析。通常初步設計時，支座強度不會滿足規范要求，需要進行多次的方案改進，從結構型式，到材料及板材規格等方面進行改善。根據有限元計算結果，需要有針對性地進行增加構件或增減厚度，見圖9為改進過程中的3種典型型式。與液貨艙相連的結構材質為9%Ni，與船體結構相連的材質為E36或E40，其評估衡準根據規范要求也不相同，見表2。

圖9 支座方案的改進圖

表2 細網格強度衡準 MPa

該支座主要承受垂向和縱向載荷，強度校核時選擇垂向最大和縱向載荷最大的2種典型工況進行分析，根據圖9所示的3種結構狀態時的應力云圖見圖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力較大，在結構改進時，從增加板厚到增加加強筋，最后調節板厚同時增加加強筋，目的是優化支座的應力分布以滿足強度要求等。

圖10 縱向載荷最大工況時應力云圖

圖11 垂向載荷最大工況時應力云圖

4 結論

在艙段有限元計算時，采用Spring單元模擬墊木，通過迭代的方式將不符合要求的Spring單元從計算的模型中移除。根據艙段有限元的計算結果篩選出極限工況下的支座位置，并將該位置處支座進行細化，通過細網格模型的計算分析，對支座進行加強及優化。

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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系統預先研究”項目(Z1215E01)

姚雯(1984—)，女，學士，工程師

研究方向：結構開發設計