船用LNG帶冷箱燃料罐強度仿真分析

孫 堅， 王嘉明， 季少偉， 謝仁杰

(1.中國船級社江陰辦事處， 江蘇 江陰 214431； 2.江南造船(集團)有限責任公司， 上海 201913)

0 引 言

隨著經濟的發展，中國的環境污染治理問題已迫在眉睫，新型清潔能源的推廣使用是大勢所趨。LNG因其熱值大、性能高、清潔等特性，正在逐步取代煤、石油等污染嚴重的傳統燃料[1-2]。LNG為低溫液體，在裝卸、運輸過程中有一定的安全隱患，通常需采用特殊的罐體裝載、運輸。隨著LNG的推廣，LNG的使用對象越來越多，運輸載體和手段越來越豐富，這些都對LNG燃料罐體的設計標準和建造質量提出新的要求[3-4]。在船舶行駛過程中，LNG燃料罐內的壓力會升高，這就要求LNG燃料罐在設計過程中須保證其在一定的壓力下可正常工作。

本文對LNG帶冷箱燃料罐開展研究，考慮其在貨物載荷、慣性載荷的作用下的結構響應，并對其筒體、封頭、內外容器間的支撐結構以及鞍座等結構進行強度分析，為后續船用LNG燃料罐的結構強度設計提供計算依據。

1 有限元模型

以某船用11 m3的LNG燃料罐為研究對象，該燃料罐體為8點支撐內外罐結構。為阻隔熱量傳遞，內外罐體之間設計為真空狀態，并通過玻璃鋼支撐件連接。該燃料罐有效容積為11 m3，結構總長為7.3 m，內容器內徑為2.0 m，外殼內徑為2.2 m，內容器和外容器均有加強角鋼。罐體左側和右側各有一冷箱，焊接于罐體，左冷箱長為1.78 m，右冷箱長為1.52 m。

根據相關圖紙，充分考慮燃料罐的結構特點，利用有限元軟件建立整體結構三維有限元模型，內外筒體、冷箱、鞍座墊板、防沖板、腹板、筋板和底板等結構均采用殼單元，支撐管、固定管、墊板等采用體單元[5-7]。模型總計有221 408個網格單元和256 741個節點。結構整體有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 LNG燃料罐整體有限元模型

圖2 燃料罐二分之一有限元模型

2 計算工況

表1所示為LNG燃料罐的各種計算工況：工況1的8 808 Pa相當于罐內介質2倍加速度質量對于罐體投影面的壓力；工況2的11 372 Pa相當于罐內介質1倍加速度質量對于封頭投影面的壓力；工況3的4 404 Pa相當于罐內介質1倍加速度質量對于罐體下投影面的壓力；工況4的8 808 Pa相當于罐內介質2倍加速度質量對于罐體上投影面的壓力。其中，工況1和工況2均考慮罐體重力加速度。

罐體投影面壓力計算公式為

式中：n為計算因數，在工況1和4中n=2,在工況2和3中n=1；m為LNG燃料質量；ρ為LNG燃料密度，取450 kg/m3[8]；V為燃料罐有效容積，該燃料罐為11 m3;g為重力加速度，本文取9.81 N/kg;s為燃料罐的投影面積，在工況2中s=3.843 m3，在工況1、3和4中s=9.924 m3。

表1 計算工況表

為了清楚顯示所加載荷大小，以工況2(-x方向水平運動)為例，載荷示例取半寬模型，但運用整個模型進行計算，重力載荷方向取豎直向下[8]。工況2中結構載荷示例如圖3～圖6所示。

圖3 內容器計算壓力1.2 MPa加載示例

圖4 貨物慣性載荷11 372 Pa加載示例(+x方向)

圖5 外容器真空度0.1 MPa載荷加載示例

圖6 水平方向慣性載荷(-g)示例

3 材料參數

罐體本身所使用的材料為S30408，由于玻璃鋼在內外罐體連接時起著重要作用，連接部分也需進行有限元強度分析。材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

4 邊界條件

4.1 約束

在定義工況1～工況4的邊界條件時，在一側鞍座底板施加6個自由度約束(Dx=0，Dy=0，Dz=0，Rx=0，Ry=0，Rz=0)，另一側鞍座底板施加5個自由度約束(Dy=0，Dz=0，Rx=0，Ry=0，Rz=0)，加載后的各工況邊界條件示例如圖7所示。

圖7 所有工況的邊界條件示例

4.2 接觸定義

玻璃鋼與內外罐支撐結構間的連接采用面面接觸單元模擬，其中外墊片和內墊片分別與玻璃鋼定義接觸，兩者之間的摩擦因數均設置為0.3，接觸如圖8所示。玻璃鋼與內外墊片節點未平衡，圖8中外墊片被結構固定，內墊片可滑動。

圖8 玻璃鋼與墊片

5 計算結果與分析

通過MSC.Nastran的計算分析得到在4個工況下該燃料罐的應力分布云圖和玻璃鋼剪切應力分布云圖，如圖9～圖16所示。

圖9 工況1半寬相當應力分布云圖

圖10 工況1玻璃鋼剪切應力分布云圖

圖11 工況2半寬相當應力分布云圖

圖12 工況2玻璃鋼剪切應力分布云圖

圖13 工況3半寬相當應力分布云圖

圖14 工況3玻璃鋼剪切應力分布云圖

圖15 工況4半寬相當應力分布云圖

圖16 工況4玻璃鋼剪切應力分布云圖

通過計算分析得：在工況1條件下，該液罐的應力最大點位于內容器，最大值為169 MPa，小于許用應力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應力為23.7 MPa,小于許用值，符合規范要求；在工況2條件下，該液罐的應力最大點位于內容器，最大值為169 MPa，小于許用應力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應力為21.8 MPa,小于許用值，符合規范要求；在工況3條件下，該液罐的應力最大點位于內容器，最大值為168 MPa，小于許用應力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應力為21.2 MPa,小于許用值，符合規范要求；在工況4條件下，該液罐的應力最大點位于內容器，最大值為169 MPa，小于許用應力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應力為22.5 MPa,小于許用值，符合規范要求。

根據計算結果，分別得到燃料罐不同部位在4種工況下的中面應力和表面應力的最大值和許用值如表3所示。

表3 燃料罐不同部位中面應力和表面應力的最大值和許用值

6 結 論

采用數值仿真方法對LNG船用燃料罐在運輸過程中受到貨物載荷、慣性載荷作用下的應力水平進行分析，得到如下結論：

(1) 燃料罐整體結構中最大的中面應力和表面應力都在內容器上，外殼上的應力均小于內容器上的應力，這是因為船舶在運動過程中會產生作用在內容器上不同方向的慣性載荷。

(2) 綜合4個工況，該型船用燃料罐各構件應力均小于規范中的許用值，強度滿足要求，符合行業規范。