獨立C型液貨艙參數化設計研究

武超然，陳 明，南志偉，王慶祥

（1. 大連理工大學船舶工程學院，大連 116024；2. 富瑞重型裝備有限公司，上海 200042）

獨立C型液貨艙參數化設計研究

武超然1，陳 明1，南志偉2，王慶祥2

（1. 大連理工大學船舶工程學院，大連 116024；2. 富瑞重型裝備有限公司，上海 200042）

基于VBA技術對AutoCAD進行了二次開發，設計了小型LNG船獨立C型貨艙的參數化設計軟件。軟件將初步設計、罐體構件尺寸計算、數據輸出以及實體建模功能集成起來，實現了C型獨立貨艙設計的參數化。軟件功能豐富，使用便利，是LNG船C型獨立液貨艙設計的有效工具。

獨立C型貨艙；VBA技術；參數化設計；實體建模

0 引言

隨著市場上LNG需求量的增加，小型LNG運輸船的需求也隨之增加。經研究，貨艙容積在20000m3以下的LNG運輸船，普遍采用單圓筒式的獨立C型貨艙[1]。C型獨立貨艙的優點是艙容利用率較高，可以承受較高的貨物蒸氣壓力，是最安全的一種LNG液貨艙。其設計相對簡單，不需要復雜的次屏壁，維護費用低，技術相對成熟。在短途運輸中，可以不對BOG進行處理，大大減少了設備成本。因此，小型LNG運輸船通常采用這種類型的液貨艙。

在C型貨艙設計技術方面，有學者[2]通過研究相似船型LPG船以及乙烯運輸船及其液貨艙，闡述了中小型LNG運輸船液貨艙的設計方法及關鍵技術；另有學者[3]介紹了C型獨立液艙的特點，并詳細闡述了其結構設計流程和相關計算方法。這些研究與成果為LNG運輸船C型貨艙的設計人員提供了可行的方法，但這些研究僅將有關計算規范與貨艙設計進行了簡單的對應，設計人員僅通過設計流程以及規范中計算方法的歸納，無法直接、快速地開展設計工作。

本文通過對國外設計公司已完成的貨艙設計實例的研究，整合了C型液艙設計過程中能夠通過參數化計算完成的工作，編寫了獨立C型液貨艙設計軟件，并通過多個實例進行了驗證。在設計工作中使用該程序，提高了貨艙各部分板厚的分布布置和計算效率，實現了內部結構計算校核的參數化。同時，通過AutoCAD建立了液貨艙的三維實體模型，可直接獲取液艙重量、重心位置等相關信息，同時給有限元分析工作提供了實體模型，提高了工作效率。

1 開發工具簡介

VBA的全稱是Visual Basic for Application，是AutoCAD的一種二次開發工具[4]。VBA將AutoCAD和Visual Basic的功能結合在一起，能夠快速創建出符合用戶要求的程序，大大提高了用戶的工作效率。AutoCAD VBA的開發使用的是AutoCAD ActiveX技術，這種技術使用戶能夠從AutoCAD的內部或外部以編程的方式操作AutoCAD。

2 設計流程

獨立C型貨艙及相關結構的設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

3 設計原理

3.1 三向加速度計算

基于船型參數、液貨艙位置以及液貨密度、材料性質，根據《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》（以下簡稱IGC規則）中的有關規定，計算橫向、縱向和垂向的加速度分量，為后面的設計和計算做準備。

根據IGC規則，設計蒸汽壓力Po是液艙頂部的最大表壓，任何情況下不能低于液艙內安全閥的最大壓力釋放值（MARVS），并給出了P0的計算公式：

式中：C為液艙特征尺度，取下列值中的最大值：h（沿船高量取的液艙高度），0.75b（沿船寬量取的液艙寬度的0.75倍），0.45L（沿船長量取的液艙長度的0.45倍）；

Ρ為設計溫度下液貨密度，kg/m3；

σm為使用材料的許用應力，MPa；

σA為使用材料的許用動應力，MPa。

在計算裝載液貨壓強時，應考慮由于船舶橫向運動以及縱向運動引起的液貨質心加速度變化所產生的附加壓強。現采用北大西洋海況10-8概率水平下船舶運動在三個方向上的無因次加速度分量：

縱向分量：

橫向分量：

垂向分量：

L0為船體垂線間長，m；K=1；

B為船寬，m；

X為艙體中心至船體中心的縱向距離，m；

Cb為方形系數；

V為服務航速，kn；

Z為艙體重心至基線的垂向距離，m。

3.2 板厚計算

1）筒體板厚計算

根據CCS相關規范[5]，按照式(6)對筒體板厚進行計算。

式中：δ為計算板厚，mm；

D為液罐直徑，mm；

[σ]t為許用薄膜應力，Mpa；

φ為焊接系數；

C為腐蝕裕量及板厚公差，mm；

Peq為設計壓力，Mpa。

其中，貨艙的內部蒸汽壓為計算的關鍵。

根據二維加速度橢圓的方法對pgd進行計算，通過程序的循環語句得出pgdmax。最后，將Peq代入式(6)，可求得對應位置的板厚。板厚分布實例如圖2所示，根據橫截面上不同角度處加速度αβ和液柱高度Zβ的變化而變化。

2）封頭板厚計算

根據CCS相關規范，按照式(9)對不同位置處的封頭板厚進行計算。

式中：δ為計算板厚，mm；

D為液罐直徑，mm；

[σ]t為許用薄膜應力，Mpa；

φ為焊接系數；

C為腐蝕裕量及板厚公差，mm；

Peq為設計壓力，Mpa。

考慮小型LNG船液貨艙容積、板材規格限制以及工藝要求等，通常選用桔瓣式球罐的布置形式來布置球形封頭如圖2所示，其分割設計主要根據封頭直徑D和板材規格來確定殼體的分帶數N、球頭分瓣數M。其中N、M取決于直徑D和板材寬度Bp。

圖2 桔瓣式封頭

3）氣室與集液井板厚計算

氣室板厚可直接根據CCS相關規范中，壓力容器筒體和封頭板厚的計算方法進行設計，集液井板厚需要在此基礎上，考慮x方向的動載荷。

關于碟形封頭的計算方法，根據規范中的要求進行計算：

式中：δ為計算板厚，mm；

D為液罐直徑，mm；

[σ]t為許用薄膜應力，Mpa；

φ為焊接系數；

C為腐蝕裕量及板厚公差，mm；

Peq為設計壓力，Mpa；

y為凸形封頭形狀系數，根據封頭尺寸在壓力容器設計標準中查曲線圖得到。

3.3 內部加強結構設計校核

1）真空環計算

根據我國壓力容器設計標準GB-150中的規定[6]，外壓圓筒的真空環可按照式(11)進行校核。

式中：I為所需要的真空環與殼體組合橫截面對平行于殼體軸線的中性軸的慣性矩；As為真空環橫截面積；A由所選材料對可在規范中的相應的線算圖確定，對應于下面的系數B和殼體的設計溫度所確定的系數。D0為圓筒形殼體外徑。

Ls為支撐距離，表示從真空環中心線到一側的相鄰支撐線之間的距離的一半，再加上從中心線到該真空環另一側的相鄰支撐線之間的一半距離。δe為筒體所需的最小厚度；Pc為設計外壓力。

2）鞍座處加強環設計

對于鞍座處的加強結構，規范中沒有給出明確的設計規則，但在初步設計時可根據經驗公式進行。然后，按照DNV規范中的公式進行校核，也可利用有限元軟件進行校核。

其中，DNV規范中給出的校核公式：

式中：L為加強環間有效長度，m；Ds為加強環中和軸直徑，m；E為材料彈性模量，Mpa。

4 功能實現

軟件初始界面如圖3所示，主要功能為“初步計算”、“液貨艙設計”、“數據輸出”和“實體建模”4個模塊。

圖3 設計軟件界面

4.1 “初步計算”功能

圖4 初步計算界面

在空格中輸入相關參數，點擊“計算”，完成三向加速度的計算。

4.2 “液貨艙設計”功能

點擊“液貨艙設計”按鈕，進入該功能模塊。此功能分為筒體設計、封頭設計、氣室設計、集液井設計、真空環計算以及鞍座處的加強環設計。

利用軟件計算筒體板厚時，如圖5中筒體橫截面所示，“位置角度”表示在筒體頂端為0°，在筒體底端為180°，因為圓形左右對稱，因此角度的取值范圍是0°至180°，即包含了所有情況。用戶根據筒節所在位置，輸入角度即可。在內部蒸汽壓一欄，可通過前面輸入的參數由程序完成計算；如果有特殊要求，可在單選按鈕中選擇“手動輸入”，在空格中輸入數值。點擊“計算”，完成某一角度處的板厚計算。更改位置角度，可繼續進行計算。以上計算結果均由程序自動保存，在“數據輸出”時可以查看。

圖5 液貨艙設計筒體計算界面

封頭板厚計算模塊如圖6所示，需要用戶提供桔瓣數、球頭瓣數以及球頭的半徑等參數，點擊計算后，在“最大板厚”處顯示的是封頭的最大板厚，桔瓣和球頭上各塊板的板厚由程序計算并自動保存，在“數據輸出”后可以查看。其他功能模塊可在輸入參數后，直接計算并顯示得到的結果。

圖6 液貨艙設計封頭計算界面

4.3 “數據輸出”功能

點擊“數據輸出”，輸入文件名并選擇路徑保存文本文檔。

4.4 “實體建模”功能

圖7 實體建模功能界面

通過前面計算，并在尺寸選取中輸入相關參數。如圖7所示，用戶需要輸入各部分板厚的實際取值，氣室與集液井需要在x軸方向進行定位。參數輸入完成后，在“模型生成”中，依次點擊各部分建模按鈕，生成三維實體模型。最后，點擊“顯示模型”按鈕，在AutoCAD中查看模型。

圖8 實體模型

5 結束語

“獨立C型液貨艙設計軟件”實現了C型獨立貨艙設計的參數化，集成了“初步計算”、“貨艙設計”以及“實體建模”等功能。在完全依照行業相關規范，并總結了大量前人的研究內容基礎上，設計出了界面簡潔、自動化程度高又不失靈活的功能模塊，具有較強的實用性。其中，“實體建模”功能所建立的模型可直導入有限元分析軟件進行結構分析，大大提高了設計人員的工作效率。但是，目前程序的功能僅限于液貨船C型單罐的設計，更多形式的液貨艙設計功能有待開發和完善。

[1] 陳瑞權, 陸晟. C型LNG液貨艙設計研究[J]. 船舶工程, 2013,S1:11-13+69.

[2] 丁玲, 馬坤. 中小型LNG運輸船液貨罐設計技術[J].船舶, 2010,01:26-29.

[3] 裴軼群, 陸晟, 劉文華. 小型LNG船C型獨立液艙結構設計與研究[J]. 船舶設計通訊, 2012,02:28-34.

[4] 曾洪飛, 張帆, 盧擇臨. AutoCAD VBA&VB.NET開發基礎與實例教程[M]. 北京:中國電力出版社,2008.

[5] 中國船級社.材料與焊接規范[S]. 北京:人民交通出版社,2009.

[6] 洪德曉, 丁伯民, 戴季煌, 朱紅松. 壓力容器設計與實用數據速查[M]. 北京:機械工業出版社,2010.

Parametric Design Study of Type-C Independent Liquid Tank

Wu Chao-ran1, Chen Ming1, Nan Zhi-wei2, Wang Qing-xiang2
(1. Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Furui Heavy Equipment CO., Ltd.., Shanghai 200042, China)

The second-time development of AutoCAD based on VBA technology, the paper designs the parametric design software of type-C independent tank for small-scale LNG ship. The software integrates the function of preliminary design, tank size calculation, data output and entity modeling. It realizes the parametric design of type-C independent tank. The software has powerful features and it is convenient for use. It is an effective tool for designing the type-C liquid tank of LNG ship.

type-C independent tank; VBA technology; parametric design; entity modeling

U662.9

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.010

武超然（1988-），男，碩士，研究方向：船舶與海洋結構物設計。