雙燃料PCC船LNG燃油艙破艙強度計算研究

秦建國 江 斌

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司 南通226005）

引 言

通過燃用LNG，能很好地解決上述問題，而且LNG的價格也相對便宜［3］。因此，近年來雙燃料PCC船越來越受到船東的青睞。雙燃料PCC船的動力推進裝置一般采用柴油和天然氣作為燃料。因此，該類船舶除設有普通的柴油燃油艙外，還需另外設置LNG燃油艙。LNG燃油艙中布置有LNG儲存罐，LNG儲存罐內(nèi)儲存著大量低溫（-162℃）易燃易爆的LNG，一旦LNG燃油艙破損，將有可能造成儲存罐泄漏，對周邊的人員、設備和環(huán)境等都將造成極大危害［4］。此外，PCC船自身的特點也使其所面臨的破艙強度問題更加嚴峻。

因PCC船一般設計有多層甲板，故其型深和干舷都比較大，設計吃水相對較小。但為裝卸車方便，PCC船一般不會在貨艙區(qū)設置水密橫艙壁，這就意味著一旦貨艙發(fā)生意外而破損，只能靠水密甲板（一般全船僅設置1～2道水密甲板）來阻擋。當進水量較大時，破艙吃水一般也較大，甚至達到設計吃水高度的兩倍以上。這種情況下，LNG燃油艙的各艙壁包括底板承受的作用力將非常大，遠遠超過船舶完整情況下的設計壓頭。因此有必要對LNG燃油艙在破艙工況下的結(jié)構(gòu)強度進行計算評估，從而保證其結(jié)構(gòu)的安全有效性。

在一般貨船貨艙破艙進水的情況下，雙層底均假定為會進水，因此內(nèi)底板板架一般沒有必要考慮破艙強度。目前，各船級社規(guī)范［5-8］對于PCC船在破艙情況下的內(nèi)底板板架結(jié)構(gòu)強度計算并沒有給出明確的計算方法。不過，雙燃料PCC設置有LNG燃油艙，且一般會要求在船體破艙時還能保證LNG燃油艙完整性。因此，有必要提出一種行之有效的方法來評估LNG燃油艙在破艙工況下的結(jié)構(gòu)強度。

有限元法是一種精度較高的常用數(shù)值計算方法，采用商業(yè)軟件的有限元建模分析模塊能比較精確地對船舶結(jié)構(gòu)強度進行分析。本文將采用有限元分析方法對某雙燃料PCC船在破艙情況下的結(jié)構(gòu)強度進行計算與評估。

1 計算方法

采用有限元方法計算LNG燃油艙在破艙工況下的結(jié)構(gòu)強度，重點在于施加載荷的選取。根據(jù)LR規(guī)范［5］和DNV規(guī)范［8］要求，水密艙壁在破艙下的計算水頭應根據(jù)實際破艙時的吃水水頭來確定。如圖1所示，對于選定的結(jié)構(gòu)進行破艙強度計算時，計算水頭高度取校核點和水線之間的垂直距離。對于內(nèi)底板架結(jié)構(gòu)可近似取內(nèi)底板到水線和外板交點的垂直距離。

圖1 破艙計算水頭

因此，若能根據(jù)PCC船的實際破損情況計算出破艙情況下LNG燃油艙的最大吃水，然后再基于該吃水壓頭得到施加于LNG燃油艙的艙壁和艙底板架上的實際壓頭，就可以通過有限元分析得到其在破艙下的應力分布，從而評估其破艙強度是否滿足。

由于船體破艙的狀況千差萬別，分別對每一種情況都進行強度計算顯然不可取。通常我們會將所有破艙情況下的吃水羅列出來，同時考慮船舶橫傾和縱傾的影響，擬合出各橫剖面的最大吃水包絡線，然后取該包絡線高度為計算吃水高度。但是這種做法會使計算的目標艙室破損情況涵蓋在內(nèi)，偏于保守。為使計算結(jié)果更加精確，包絡線涵蓋的工況應該剔除計算的目標艙破損工況。以LNG燃油艙為例，若要計算其破艙強度，應該考慮的情況是LNG燃油艙保持完整而其他艙室破損，并擬合出LNG燃油艙在該情況下的最大吃水。

2 實例分析

本節(jié)以某雙燃料PCC船為例，采用上述研究方法來計算LNG燃油艙在破艙條件下的結(jié)構(gòu)強度，驗證其結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

5.2 栽植后第2～3年 苗木栽植后的第 2～3年，主要任務是繼續(xù)培養(yǎng)樹形，平衡樹勢，加快蔓性主枝形成和結(jié)果枝組培養(yǎng)，促進花芽形成和結(jié)果。生長季修剪主要措施仍以扭枝、摘心、拉枝綁枝為主，疏除過密枝。主枝延長枝達到70 cm時重摘心，促使主枝延長枝繼續(xù)延長生長并抽發(fā)側(cè)枝，利用好蔓性主枝上的背上枝，疏除過密枝、過旺枝，及時扭枝綁縛，加快拱棚架樹形結(jié)構(gòu)形成。蔓性主枝上每隔20～30 cm均勻培養(yǎng)結(jié)果枝組，適當位置直接著生結(jié)果枝和輔養(yǎng)枝。4個蔓性主枝長勢應均衡一致，結(jié)果枝組分布均勻。以培養(yǎng)樹形為主，調(diào)控花果量，第2年，疏除全部花序；第3年，適當結(jié)果，畝產(chǎn)量控制在500 kg。

2.1 計算模型

有限元模型范圍可取LNG燃油艙整體模型，也可取單個艙壁板架。本節(jié)以LNG燃油艙底板架為例進行說明，如圖2所示。

圖2 計算模型

該計算模型長23 400 mm、寬11 500 mm、高2 000 mm，各詳細參數(shù)如表1所示。

該板架四周均有水密艙壁支撐，對邊界節(jié)點的位移和轉(zhuǎn)角都有較好地約束。采用四周固支的邊界條件如圖3所示。

圖3 邊界條件

2.2 載荷確定

計算LNG燃油艙在破艙工況下的結(jié)構(gòu)強度主要需考慮的載荷為破艙吃水外壓，是以面壓力的形式施加到艙底板（船內(nèi)底板）上。由此可見，破艙吃水高度的確定將直接影響到計算結(jié)果。而船體的破艙情況不可預估，如何準確選取用于破艙強度計算的吃水高度尤為關鍵。

本文的解決思路是先設法獲得LNG燃油艙保持完整而其他艙室破損的所有情況下的吃水，再擬合得到LNG燃油艙在該情況下的最大吃水。首先，通過NAPA軟件導出LNG燃油艙保持完整而其他艙室破損的所有工況吃水水線；然后，選取LNG燃油艙首尾剖面為對象，同時考慮船舶橫傾和縱傾的因素，在首尾剖面上畫出所有情況下的吃水水線；最后在所有吃水水線的基礎上擬合得到LNG燃油艙首尾剖面處的吃水包絡線，如圖4所示。

圖4 破艙吃水包絡線

通過上述擬合得到的LNG燃油艙首尾剖面處的破艙吃水包絡線可知：該實例分析中LNG燃油艙首部最大破艙吃水為20.7 m，尾部最大破艙吃水為19.7 m，均遠遠大于該PCC船的設計吃水9.6 m。這也再次證明了對PCC船在破艙下的結(jié)構(gòu)強度進行評估的重要性。由于在計算LNG燃油艙底板架的破艙結(jié)構(gòu)強度時，載荷是施加在艙底板（船內(nèi)底板）上的，因此計算壓頭需扣除雙層底的高度2 m。由此可得LNG燃油艙首尾部計算壓頭分別為18.7 m和17.7 m，艙室中間部分的壓頭由尾至首線性增大。

因此，施加于內(nèi)底板上的壓力場函數(shù)為：

P= 1.025×9.8×（17.7 +X/ 23 400）×10-3MPa。

將該壓力場函數(shù)施加于LNG燃油艙底板（船內(nèi)底板）上，如圖5所示。

圖5 燃油艙的載荷

2.3 計算結(jié)果

上述實例經(jīng)過有限元計算得到的合成應力和剪應力分布結(jié)果如圖6所示。

圖6 模型有限元計算結(jié)果

根據(jù)上述應力分布圖可知，船底板架的最大合成應力和最大剪應力均出現(xiàn)在肋板上，其中最大合成應力為253 MPa，最大剪應力為144 MPa，如圖7所示。

圖 7 主要支撐構(gòu)件有限元計算結(jié)果

2.4 應力衡準

考慮到船體發(fā)生破損是在極限條件下發(fā)生的，即本計算工況屬于極限情況。根據(jù)各船級規(guī)范宗旨，船舶在極限情況下允許結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形。因此，許用合成應力可取材料屈服應力σ，對應的許用剪應力可取

上述實例分析中，肋板材質(zhì)為H32、屈服應力為315 MPa，故可取許用合成應力315 MPa，許用剪應力計算結(jié)果滿足強度要求，參見表2。

表 2 應力衡準MPa

3 結(jié) 論

本文從雙燃料PCC船LNG燃油艙的特殊性出發(fā)，闡述了對其在破艙情況下的結(jié)構(gòu)強度進行評估的必要性，介紹了一種用于計算LNG燃油艙在破艙下的結(jié)構(gòu)強度的方法，并將該方法應用到實際計算案例，從而對LNG燃油艙在破艙下的結(jié)構(gòu)強度進行評估，保證其在破艙情況下的結(jié)構(gòu)有效性。

文中所給出的LNG燃油艙在破艙下的結(jié)構(gòu)強度計算方法中，水頭的選取非常重要，計算時需充分重視，應基于可能破損情況下的最大吃水選取計算水頭。