液貨船罐體及支撐結構強度分析與仿真

趙城園

(中國船級社，廣西 北海 536000)

0 引 言

不同于普通的集裝箱運輸船和散貨船，液貨船運載的商品為液體，如液化天然氣（LNG）等。由于液體在運輸過程中會隨著船舶和海浪干擾作用發生晃動，且液體在運輸過程中必須具有良好的保溫特性，因此，液貨船船艙和罐體的結構強度、密封性等必須要具有較高的可靠度。

液貨船罐體的設計需要滿足大致2 個方向的要求。一是流體動力學特性，由于LNG 是一種易燃易爆的貨物，罐體設計時考慮船艙的溫度與流體動力學條件，必須要保證具有良好的保溫性，滿足罐體內部液體與氣體對內壁的沖擊載荷；二是罐體與支撐結構的力學強度特性，保證罐體在滿載的情況下，貨物晃蕩載荷、重力載荷、壓力載荷均不會對液貨船罐體及支撐結構造成強度破壞。

本文介紹液貨船MOSS 型艙室的結構原理，從流體動力學和靜力學角度對MOSS 型艙室進行建模分析，提高液貨船罐體結構的設計水平。

1 液貨船及MOSS 型液貨船艙的研究現狀

國際船舶組織將液貨船（主要是LNG 運輸船）的貨艙分為獨立式貨艙和非獨立式貨艙2 種。

1）獨立式貨艙

獨立式貨艙與船舶主體結構相互獨立，貨艙可搬運和移植到其他船體，不會影響船舶的完整性。獨立式貨艙包括方型貨艙和圓形貨艙2 種。

①方型貨艙

液貨船艙的主體形式為方型，具有更大的儲存空間，但方型液貨艙的保溫與強度設計難度較大，液貨船艙內部要設計次屏壁結構，提高方型貨艙的強度與保溫性。

②圓型貨艙

圓型貨艙泛指采用回轉體結構為主體的液貨船艙，這種船艙具有較高的比表面積，強度特性也更加優異，在液貨船中應用較多。

2）非獨立式貨艙

非獨立式貨艙是指貨艙的主體生根在船舶主體結構上，貨艙所受的重力、晃蕩載荷等最終由船舶主體承受。非獨立式貨艙具有高度的集成特性，在液貨船初始設計時需要明確貨艙的結構與布局，這種液貨艙也是目前LNG 船舶的主要形式。

非獨立式貨艙可以分為以下2 種：

①薄膜型

該類型貨艙的主體結構由鄰近船體部分的絕緣層薄膜組成，又包括艙內殼體、隔熱層等，薄膜能夠確保液艙的密封特性，殼體和隔熱層保障貨艙的強度、保溫要求。

②半薄膜型

與薄膜型貨艙不同，半薄膜型貨艙的薄膜只有局部區域存在，同樣也是由周圍的船體結構支撐。

本文研究的MOSS 型貨艙是一種半薄膜型貨艙，其結構如圖1 所示。

圖1 半薄膜型MOSS 艙室罐體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of semi-film type MOSS liquid cargo compartment

可知，MOSS 球型貨艙的主體結構由艙裙結構、罐體、隔熱層、艙內殼體以及第2 層隔熱層組成，是一種雙層殼體結構，每個球型LNG 罐體集成了液貨管路，罐體底部采用蒸汽輪機和空氣壓縮機等設備保持貨艙的低溫[1]。

2 液貨船罐體及支撐結構的強度分析與仿真

2.1 罐體的流體動力學特性

為了更加準確地描述液貨船罐體內液體由于晃動造成的沖擊載荷，對液貨船罐體內液體-氣體進行流體動力學分析。液貨船罐體內部的熱循環特性響應描述如下：

首先，LNG 液體在罐體內部存儲時，MOSS 型罐體的頂部空間存在氣體，氣體與液體的流動形成了氣液界面層；其次，罐體密閉空間內部的液體流動區域與罐體內壁進行熱交換，導致壁面附近的液體溫度上升，液體會沿著內壁向上流動。最后，在液體與氣體的共同作用下，MOSS 型罐體的頂部與外界環境進行熱交換。

MOSS 型罐體內部的流體動力學循環特性如圖2所示。

圖2 MOSS 型罐體內部的流體動力學循環特性Fig.2 Hydrodynamic circulation characteristics in MOSS tank

在進行罐體內部的流體動力學分析時，提出如下假設：

①LNG 液體視為不可壓縮的粘性流體，在實際流體動力學計算時，采用純甲烷的物理和化學特性進行相關計算。

②不考慮MOSS 外罐體的熱阻，只考慮罐體內部隔熱層的熱阻。由于外罐體的厚度較低，導熱能力強，因此可以將其熱阻忽略。

③忽略罐體支撐結構的傳熱。

④對于罐體內部的氣體液體邊界層，將其視為恒熱流密度邊界。

1）連續性方程

根據上述假設，建立罐體內部流體的連續性方程如下：

式中：ρ為液體的密度；SM為相變源項。

2）動量方程

動量方程是流體在牛頓第二定律上的體現，即流體的動量時間變化率與外界作用力之和相同，如下：

式中：τj為應力張量；ρgi為液體的重力體積力；μ為流體動力學膨脹系數；δij為壓力。

3）能量方程

能量方程由流體動力學第一定律得到，即液體中增加的能量等于外界對液體微元做的功，溫度為T，流體動力學能量方程為：

式中：λ為導熱系數，cr為熱容。

結合罐體內動量方程與壓力場邊界[2]，通過數值模擬得到罐體內液體的湍流速度模型，圖3 為幾組不同溫度條件下的罐體內湍流速度數據。

圖3 不同溫度條件下的罐體內湍流速度數據Fig.3 Data of turbulence velocity in tank under different temperature conditions

2.2 液壓船MOSS 型罐體及支撐結構的靜力學分析

2.2.1 液貨船罐體的靜力學有限元計算過程

液貨船罐體及支撐結構的靜力學特性主要是指在罐體內部液體的重力與沖擊作用載荷下，罐體及支撐結構的安全性。本文結合Ansys-workbench 軟件進行分析，整體分析流程如圖4 所示。

圖4 液貨船罐體的靜力學分析流程圖Fig.4 Flow chart of static analysis of tank of liquid cargo ship

1）載荷提取

罐體的靜力學強度載荷主要包括罐體及液貨的重力和罐體液體的流體動力學載荷-晃蕩載荷。

由于晃蕩載荷是一種非線性的變載荷，因此需要通過載荷譜表示，建立液貨艙室的晃蕩載荷[3]譜函數為：

式中：w為角頻率；wp為載荷譜的波峰頻率；Hs為載荷幅值。

2）有限元模型建立

首先需要充分提取MOSS 型船艙的機械結構，在此基礎上做一定程度的簡化，同時需要結合LNG 液艙的二維數值，確定罐體的基本模型特征。然后需要確定有限元網格的劃分精度，網格劃分時需要充分結合罐體的結構特性，在危險截面和重要承載區域的網格需要盡量的密，網格整體尺寸低于50 mm，且罐體有限元求解的步長需要足夠小，保證有限元仿真的精確性。

圖5 為MOSS 型罐體局部結構的有限元模型。

圖5 MOSS 型罐體局部結構的有限元模型Fig.5 Finite element model of MOSS type tank local structure

3）數值求解

為了獲取準確的罐體及支撐結構有限元分析結果，將數值模擬的橫向和縱向的分析時間定為5 個載荷周期，并結合高性能計算機硬件設備進行求解[4]。

4）結構優化

從罐體及支撐結構的極限和疲勞仿真結果進行結構的優化，提升結構安全性。

2.2.2 罐體及支撐結構的有限元仿真

在建立Workbench 有限元模型時，將MOSS 型罐體的外殼定義為合金18CrNiMo，隔熱層材料定義為Q345A，支撐結構采用材料Q235b，MOSS 型罐體的有限元模型屬性如表1 所示。

表1 MOSS 型罐體的有限元模型屬性Tab.1 Finite element model properties of MOSS type tank

圖6 為MOSS 型罐體局部區域的有限元仿真結果。根據仿真結果，可對MOSS 型艙室進行結構優化。

圖6 MOSS 型罐體局部區域的有限元仿真結果Fig.6 Finite element simulation results of MOSS tank local area

3 結 語

LNG 液貨船作為一種重要的資源運輸船，其結構可靠性是研究重點。本文從液貨船MOSS型船艙罐體的流動力學特性與靜力學特性出發，針對MOSS 型艙室罐體進行數值模擬和仿真計算，詳細介紹了整個過程，有助于MOSS 型艙室罐體的結構優化。