小型液化氣船C型獨立液艙內(nèi)鞍座處加強環(huán)設計研究

呂立偉忻 迪鄭文青

（1.上海交通大學 上海200030；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；3.烏斯坦船舶系統(tǒng)商貿(mào)(上海)有限公司 上海200030）

小型液化氣船C型獨立液艙內(nèi)鞍座處加強環(huán)設計研究

呂立偉1，2忻 迪3鄭文青2

（1.上海交通大學 上海200030；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；3.烏斯坦船舶系統(tǒng)商貿(mào)(上海)有限公司 上海200030）

C型獨立艙型式的小型液化氣船，其液貨系統(tǒng)（含液貨罐）的設計是難點。液貨罐的自身質(zhì)量和液貨質(zhì)量由與船體相連的兩道鞍座來承受，罐體內(nèi)部的加強環(huán)則承載了鞍座處的支反力，因此鞍座處加強環(huán)的強度尤為重要。文中提出了一種在設計初期確定鞍座處液罐內(nèi)加強環(huán)尺寸的方法，并采用有限元分析法驗證了該方法的可行性。

小型液化氣船；C型獨立艙；鞍座；加強環(huán)

引 言

小型液化氣船根據(jù)所裝載的貨物，通常可分為LPG、LEG和LNG運輸船，其液艙一般采用單圓筒型或者雙聯(lián)圓筒型的C型獨立艙。國內(nèi)很多設計單位都有小型液化氣船的設計經(jīng)驗，但液貨系統(tǒng)一般都由國外公司承包完成，國內(nèi)很少自行設計，特別是小型LNG船的液貨系統(tǒng)，目前國內(nèi)還沒有設計公司能自主設計。近年來，越來越多的設計單位開始關注小型LNG船的液貨系統(tǒng)設計，也有很多工程師進行了C型獨立艙結構設計研究［1］，中國船級社也推出了相應的規(guī)范［2］。

關于C型獨立艙的內(nèi)部壓力、蒸氣壓力、止搖止浮裝置、開孔加強等都已達成比較一致的認識；然而，在設計初期如何確定鞍座處加強環(huán)的尺寸，各船級社以及IGC規(guī)則都沒有一個明確的規(guī)定，僅僅是提出后期的應力校核衡準，因此，設計者在設計初期進行液罐內(nèi)加強環(huán)設計時就缺少依據(jù)。而液罐鞍座處的加強環(huán)由于承載著液貨和罐體的質(zhì)量，尺寸通常都非常大。因此，我們希望通過研究分析，找出一種可以在設計初期確定加強環(huán)尺寸的方法，從而避免在詳細設計過程中出現(xiàn)較多修改。

1 設計方法簡介

根據(jù)CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范》［2］，鞍座處所承受的液貨艙載荷以正弦（余弦）函數(shù)的分布形式模擬，如圖1所示，其中Pz和Py分別為液貨艙的縱向力分量和橫向力分量，考慮動載荷，加速度按照二維橢圓原則合成［3］。

圖1 鞍座處受力模擬示意圖

因此，若能計算出液貨艙作用在鞍座上的分布力，再將這些支反力施加到加強環(huán)上，則可根據(jù)加強環(huán)的應力分析初步確定其尺寸。

1.1 正弦（余弦）函數(shù)的確定

由圖1可知，垂向載荷分量Pz引起的分布力可按正弦函數(shù)模擬，橫向載荷分量Py引起的分布力可按余弦函數(shù)模擬，加強環(huán)上某點A的壓力線密度表達式為：

式中：a和b為修正系數(shù)，根據(jù)層壓木支撐范圍按式（3）和式（4）確定：

α為位置A點與水平面的夾角，x為層壓木支撐的起始角，見圖2所示。

圖2 計算參數(shù)示意圖

1.2 計算模型及載荷施加

如前所述，本方法的目的為在方案設計階段，能較快地確定鞍座處的加強環(huán)的尺寸，因此要求快速建立模型。推薦采用梁系模型來模擬，帶板的有效寬度對結果影響不大，建議取為加強環(huán)腹板高度的2倍左右，為了便于載荷的施加，建議用36根梁來模擬加強環(huán)，即每10°范圍內(nèi)設置一根梁。

邊界條件準確與否對計算結果影響很大，經(jīng)過大量的計算分析及變形控制，推薦按以下方式設置邊界條件：在止搖裝置的位置橫向線位移約束，在止浮裝置的位置垂向線位移約束；除此之外，還應在中部位置設橫向線位移約束，以保證模型的變形符合實際，如下頁圖3所示。

垂向載荷和橫向載荷包括動載荷、靜載荷，可按式（5）和式（6）計算：

式中：β為合成角度，需考慮0°、10°、20°、30°和40°（如存在）；

αβ為在任意β方向上由重力和動載荷引起的無因次合成加速度，見參考文獻［3］；

PC為液罐滿載時液貨的質(zhì)量，t；

PT為液罐自身的質(zhì)量，t。

計算出垂向載荷和橫向載荷引起的壓力線密度后，再將其分別拆成法向分量和切向分量后疊加，由于液罐設有止搖裝置，同時液罐和層壓木之間通過填料粘合，摩擦力很大，故切向載荷可不予考慮。因此，加載到位置點A的線載荷為：

1.3 校驗衡準

根據(jù)參考文獻［2，4］，鞍座處加強環(huán)的許用合成應力為0.57σB和0.85σF中的較小值，許用剪切應力為0.53σF，其中σB為材料抗拉強度（N/mm2），σF為材料屈服強度（N/mm2）。

2 實例分析及驗證

本節(jié)以某小型LNG船為例，采用上述方法來確定液罐鞍座處加強環(huán)的尺寸，并通過有限元方法加以驗證。

2.1 輸入?yún)?shù)

本液罐型式為單圓筒形殼體，球型封頭，設計參數(shù)如下：

液罐直徑 16.0 m

液罐筒體板厚 25 mm

液罐封頭板厚 13 mm

材料特性（9鎳鋼） σB=640 N/mm2σF=490 N/mm2

液貨（LNG）密度 0.5 t/m3

液罐質(zhì)量 320 t

液罐容積 ～7 000 m3

無因次加速度分量az0.775

無因次加速度分量ay0.713

層壓木支撐角度 160°

2.2 計算分析

（1）確定模擬函數(shù)

由上式可得，a=0.08，b=0.204。

（2）計算垂向載荷和橫向載荷

垂向載荷及橫向載荷的線密度表達式為

式中：最大β角為48.4°，計算時考慮0°、10°、20°、30°和40°。計算得到的輸入載荷見下頁表1。

（3）建立模型及加載

采用3D-Beam軟件建立模型，沿法向施加線載荷，梁屬性及載荷示意圖見圖4 ～圖5，以β=0°和β=30°為例：

圖3 計算模型及邊界條件

表1 輸入法向設計載荷×103kg/m

圖4 梁屬性及模型立體示意圖

圖5 β=0°及β=30°時線載荷分布

（4）結果分析

計算結果見表2。

表2 加強環(huán)應力計算結果N/mm2

由結果可見，本加強環(huán)尺寸的設計可行，而且尚有很大的優(yōu)化空間，但是為了驗證本計算方法的可靠性，將采用有限元分析的方法進行復核。

2.3 有限元方法驗證

目前，關于采用有限元方法進行液罐強度校核的規(guī)范尚未正式出臺，但分析原理已經(jīng)確定：建立有限元模型，包括整個液罐及其附加結構，在鞍座處根據(jù)實際情況設置邊界，內(nèi)部載荷按IGC規(guī)則的相關規(guī)定計算［5］，考慮設計蒸氣壓力和船舶在海上運動產(chǎn)生的附加動壓力，在這里不再贅述。有限元分析模型及計算結果見圖6和圖7。

圖6 液貨艙有限元模型

有限元的計算結果與網(wǎng)格大小有很大關系，本分析中網(wǎng)格大小為R/15，約為530 mm，這也是CCS的推薦值。由結果可見，最大合成應力為248 N/mm2，和采用3D-Beam分析的結果非常接近。作者還對網(wǎng)格尺寸的影響進行了分析，調(diào)整網(wǎng)格大小至400 mm和320 mm， 得出的最大合成應力分別為264 N/mm2以及274 N/mm2。由此可見，本文介紹的分析方法是可行的。

圖7 鞍座處加強環(huán)上最大合成應力（N/mm2）

按文中介紹的方法可以非常便捷地進行設計優(yōu)化，表3是幾種設計方案的結果對比。由于目前國內(nèi)對該類型液貨艙有限元分析的相關規(guī)范、網(wǎng)格大小等還不是十分成熟，如晃蕩載荷是否考慮，鞍座處層壓木在有限元計算中如何模擬等，因此建議在設置鞍座處加強環(huán)的應力許用值時，應考慮10%的余量。方案3雖然也滿足要求，但應力水平較高，實際設計中并不采用。

表3 加強環(huán)不同方案結果對比N/mm2

3 結 論

本文介紹的用于初步確定鞍座處加強環(huán)尺寸的計算方法，證明是可行的。在方案設計階段采用該方法可減少有限元建模的工作量，而且方案的優(yōu)化更為便捷，該方法同樣適用于雙聯(lián)圓筒形液貨艙。

文中給出了一種求解鞍座處支反力的方法，以及二維梁系模型的邊界條件處理方法。鞍座處加強環(huán)結構非常重要，在設計時必須充分重視，在應力評估時作者也建議在規(guī)范規(guī)定的許用值基礎上考慮10%的余量。

［1］ 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（2）：28-34.

［2］ 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［3］ 吳嘉蒙，呂立偉，蔡詩劍.液化天然氣船貨艙內(nèi)部壓力研究［J］.上海造船，2011（1）：37-42.

［4］ DNV. Rules for Classification of Ships/High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft［S］. January 2007.

［5］ 吳嘉蒙，呂立偉.薄模型液化天然氣船結構規(guī)范計算的比較和研究［J］.船舶，2012（4）：38-44.

Research on design of rings at saddle inside of independent tank C in small LNG carrier

Lü Li-wei1,2XIN Di3ZHENG Wen-qing2
(1. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3. Ulstein Marine Enterprises Ltd., Co.(Shanghai), Shanghai 200030, China)

For LNG carrier with C type independent tank, the design of the liquid cargo system (including liquid cargo tank) is a difficulty. The weights of liquid cargo and tank are supported by two saddles, and the ring inside the tank bears the counterforce from the saddle. Therefore the strength of the ring at saddle is very important. This paper proposes a method to calculate the scantling of the rings at the saddle in the beginning of the design, which is verified by FEM analysis.

small LNG carrier; C type independent tank; saddle; ring

U663.7

A

1001-9855（2014）02-0044-05

2013-06-03；

2013-06-28

呂立偉（1982-），男，工程師，主要從事船舶設計與研究工作。忻 迪（1979-），男，工程師，主要從事船舶設計與研究工作。鄭文青（1986-），男，工程師，碩士，主要從事船舶設計與研究工作。