獨立B型LNG船液艙晃蕩強度分析方法

張明娟，劉 俊，薛鴻祥，唐文勇

(1. 海洋工程國家重點實驗室 上海交通大學，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心 船海協創中心，上海 200240)

獨立B型LNG船液艙晃蕩強度分析方法

張明娟1,2，劉 俊1,2，薛鴻祥1,2，唐文勇1,2

(1. 海洋工程國家重點實驗室 上海交通大學，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心 船海協創中心，上海 200240)

為了保證液艙艙容大且無裝載限制的新型獨立B型LNG船在晃蕩載荷下的強度滿足使用要求，提出液艙結構晃蕩強度直接分析方法。采用規范公式確定液艙晃蕩載荷，根據該方法對液艙模型進行粗網格分析，進行典型區域橫搖工況下超出應力許用值的精細網格分析。結果表明，該方法可以對獨立液艙晃蕩強度進行有效評估，其中的精細網格計算結果可真實反映高應力梯度區域的應力情況。分析結果可為液艙晃蕩強度評估、液艙結構優化以及同類LNG船的設計開發提供參考。

獨立B型LNG船液艙；液艙晃蕩；細化分析

0 引 言

液化天然氣作為一種新的綠色能源，其市場占有率隨著世界環保意識的提高而日益增大，作為運輸液化天然氣的專用船舶——液化天然氣船（Liquefied Natural Gas Carrier，LNG）也走向大型化。大型LNG船具有更大裝載能力，但也存在一定的安全隱患，如在航行過程中易產生更加劇烈的晃蕩，其產生的晃蕩沖擊壓力會對液艙艙壁產生較大的沖擊力，致使船體結構存在安全隱患[1]。因此，對LNG船晃蕩載荷下液艙強度的評估已成為液化天然氣船安全方面評估的重要內容之一。

獨立B型LNG船液艙屬于SPB棱柱型液艙，具有易維修、操縱性好、較易控制溫度和壓力以及晃蕩產生的影響相對較小[2]等優點。盡管如此，鑒于國內外相關資料相對較少，而目標船液艙結構復雜、艙容大、自由液面長且無裝載限制[3]，研發過程中對其晃蕩載荷作用下的局部結構強度進行考察仍然十分必要。由于LNG船承載液貨，所以目前針對晃蕩載荷的研究相對較多，而關于液艙直接計算的文獻相對較少。其中陳潛等[4]采用直接計算法分別使用接地彈簧單元和塊單元2種模擬方式對墊塊結構進行模擬，對獨立B型LNG船液艙晃蕩強度進行評估，但沒有系統的總結方法；王元等[5]考慮了晃蕩效應，建立了獨立B型LNG船液艙艙段模型，采用多目標遺傳算法對獨立B型LNG船液艙結構進行優化。目前絕大多數船級社規范沒有直接針對液艙有限元計算的內容，中國船級社在2016年7月新發布的《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》[6]中補充了B型獨立艙型液化氣體船液艙結構校核的直接計算方法，屬于業內較為先行的規定，方法中要求建立船體結構、獨立艙結構以及獨立艙的限位裝置（限位墊塊+底座）及其支撐結構。但是對獨立型液艙，船體結構的影響相對較小，如果考慮船體和艙段，分析工作量及復雜程度相對較大，如非必要，采用適當的方法對獨立液艙單獨直接進行分析更為合適。

本文的目標船為某新型170 000 m3獨立B型LNG船，擬入DNV籍，但目前DNV還沒有針對晃蕩載荷作用下獨立B型LNG船棱型液艙強度校核的直接計算分析方法。本文考慮晃蕩載荷下液艙的工況、受載及支撐特點，確定了液艙晃蕩局部強度直接評估方法，并據此方法以目標液艙為例進行了晃蕩局部強度分析，研究成果可為獨立B型LNG船液艙結構設計優化以及晃蕩強度評估提供參考。

1 液艙晃蕩局部強度直接計算

晃蕩是液體在盛液容器內由于自由表面波動所引起的整個液體的運動，液體晃蕩一般較為復雜，通常表現出很強的非線性和隨機性，嚴重的液體晃蕩會出現漩渦、飛濺等強烈的非線性現象[7]。目標船液艙尺度較大，較長的自由液面導致晃蕩時液體壓強變化大，這會對惡劣工況下船舶液艙結構的安全產生影響。在此參考DNV規范建立液艙晃蕩局部強度直接評估方法如下。

1.1 工況選擇及載荷計算組合

計算考慮實船縱搖和橫搖2種情形。

1）對于距離橫向制蕩橫艙壁和端部橫艙壁0.25lb范圍內的構件，壓力為：

2）對于距離縱向制蕩橫艙壁和艙邊艙壁0.25bb范圍內的構件，壓力為：

其中：ρ為液貨密度，kg/m3。

3）與制蕩橫艙壁和端部艙壁鄰近的強框架或桁材構件，壓力為：

對于強框架

對于縱桁材

1.2 有限元模型

鑒于液艙結構晃蕩強度分析尺度與船體結構艙段分析相當，且為了應力衡準可供參考，故此確定液艙粗網格計算參考艙段直接計算的原則建立模型，即采用板梁單元離散建模，單元尺寸參考最小骨材間距確定，其中艙壁板以及桁材采用板單元建模，骨材采用梁單元建模。同樣，細化分析中局部精細網格尺寸確定為50 mm×50 mm，以保證衡準標準的可借鑒性。其中細化區域內艙壁桁材和骨材采用板單元建模，并且在拐角處結構細節會進一步體現，以求數值結果準確反映此處應力情況。

目標船的液艙與船體結構之間采用垂向墊塊、反縱搖支撐塊和反橫搖支撐塊連接，墊塊只承受壓力，故此采用接地彈簧單元進行模擬，并經過試算剔除受拉的彈簧單元[4]，反復試算確保所有彈簧單元處于受壓狀態。由于反縱搖和反橫搖墊塊成對設置的，故確定直接在液艙反縱搖和反橫搖支撐處分別約束X和Y方向線位移。

1.3 應力衡準

液艙結構直接分析衡準參考DNV對獨立B型LNG船液艙結構衡準的相關內容確定[8]，粗網格分析采用0.7倍的屈服應力作為許用應力，精細網格分析取粗網格許用應力的1.6倍。

另外，參考規范常有的做法，若細網格區域應力梯度較大或最高應力仍然超出許用值要求時，取原有粗網格區域的所有精細網格單元的平均應力作為這一區域的應力值，采用粗網格的許用值進行衡準。

2 目標船液艙晃蕩強度分析

2.1 粗網格分析

建立目標液艙有限元模型，網格尺寸采用縱骨間距800 mm×80 mm，見圖1。

試算發現，高裝載工況下液艙受到的靜水壓力較大，導致液艙結構產生較大的應力，此時結構較為危險，因此本文考慮高裝載工況進行液艙結構響應分析。

對目標液艙施加晃蕩載荷、靜水壓力和蒸汽壓力，其中蒸汽壓力大小為0.7 bar。橫搖工況下載荷云圖見圖2。

進行結構響應計算，橫搖工況下的典型結構的應力結果列于表1。

典型構件的應力云圖見圖3。

表 1 橫搖工況液艙典型結構應力結果Tab. 1 Von mises stress of typical area in rolling condition

綜合橫搖工況下的強度評估結果，可以看出：

1）橫搖工況下的液艙艙壁強度基本符合強度要求；

2）液艙結構中超許用值區域主要集中在水平桁材、橫艙壁垂直桁材以及橫框架的拐角處，桁材的較大應力是由于艙壁的變形引起桁材拐角處的拉伸從而產生應力集中現象；

3）水平桁材越低，應力水平越高，最大應力出現在距離底部14 437BL處的水平桁材拐角處；因為理想化的原因，液艙底部約束附近區域有應力集中現象。

為了進一步準確模擬水平桁材、橫艙壁垂直桁材以及橫框架等處的應力情況，在本小節基礎上進行局部細化有限元分析。

2.2 局部細化分析

根據粗網格計算結果，篩選制蕩橫艙壁、水平桁材腹板、垂直桁材腹板和橫框架腹板出現最高應力的位置進行精細網格分析，網格大小取50 mm×50 mm。細化區域網格如圖4所示。

進行細化分析時，精細網格嵌于粗網格液艙結構模型中。液艙精細網格有彈簧邊界的部位，按照粗網格對處于該區域等面積內的所有細網格節點進行彈簧并聯處理，同樣通過試算確定彈簧的拉壓狀態。

細化分析典型區域的應力結果如表2。

典型區域的應力云圖如圖5所示。

表 2 典型結構細化分析應力結果Tab. 2 Von mises stress of typical area in refined mesh analysis

由應力結果和應力云圖可以看出：制蕩橫艙壁310280518/257448Y*水平桁材腹板416280585/436420N垂直桁材腹板289280343/205420Y

橫框架288280774/276420Y*

注: 1）細網格結果一欄里 A 代表細網格最高應力，B 代表細網格平均應力；2）Y* 表示細網格平均應力值滿足粗網格許用應 力要求。

1）由于網格尺度較小，細化分析的最大應力一般大于粗網格，但是細化之后同面積的平均應力一般小于粗網格，這是由于細化網格對局部加強或是改善應力集中的構件模擬更加真實的原因；

2）大部分構件在細化之后能滿足許用應力要求，但是距離液艙底部較近的14 437BL處的水平桁材腹板拐角處應力仍然超出許用值（應力分布見圖6），同時因為粗網格的簡化處理加強了均化效應，細化后應力平均值反而大于粗網格的結果，這是因為該處為結構形狀變化部位，屬于容易產生應力集中的區域，考慮到結構安全性，后續設計中可從增大板厚和骨材尺寸兩方面對此處進行結構加強。

3 結 語

本文確定了LNG液艙晃蕩強度直接計算方法，該方法得到了相關船級社的認可，對獨立B型液艙結構的局部強度評估以及結構設計有參考價值。同時從計算可以發現，某新型獨立B型LNG目標船船棱形液艙除極局部區域外，液艙構件大部分滿足強度要求，計算也表明由于精細網格真實反映了結構設計細節，可以得到更接近結構真實應力分布的結果，這對于艙口角隅等應力梯度變化較大的區域的真實應力還原具有很大的參考價值。

從本文的工作還可以發現，在艙室尺寸較大時，如果實船晃蕩載荷工況下凈水載荷比重較高，水平桁采用等尺寸設計、等間距布置，會出現較低部位構件應力水平會比較高的現象，如果水平桁間距由底部較小漸變到上部較大，則構件受力會更加均勻合理，下一步將會在本文基礎上對液艙水平桁設計布置進行優化以及計算驗證。

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[8]DNV(DET NORSKE VERITAS). RULES For Strength Analysis of Liquefied Gas Carriers with Independent Type B Prismatic Tanks [M].

Strength analysis measures of LNG ship with independent type B tanks under sloshing load

ZHANG Ming-juan1,2, LIU Jun1,2, XUE Hong-xiang1,2, TANG Wen-yong1,2
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

In order to ensure that the sloshing strength of the new independent type B tanks in LNG ship with large capacity and free loading limit meets the requirements, a new direct analysis method for the sloshing strength assessment of the tank is proposed. Sloshing loads were calculated according to formulas recommended in rules. The coarse gird analysis of the tank was carried out according to the direct calculation method. Then the region which exceeded the allowable stress was filtered and fine mesh analysis on the target region in rolling condition was done. The result shows that the method can be used to evaluate the sloshing strength of the independent tank effectively, and the result of the fine mesh calculation can reflect the stresses distribution state of the high stress gradient region truly. The analysis results can provide reference for the evaluation of the tank sloshing strength, optimization of the tank structure and further design of the similar LNG ships.

independent type B tank；sloshing；fine mesh analysis

U661.1

A

1672 – 7649(2017)09 – 0059 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.012

2016 – 11 – 29；

2017 – 01 – 05

工信部重大專項資助項目

張明娟(1992 – )，女，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程結構力學。