某3 000 DWT LNG燃料動力散貨船燃料儲罐基座及其支承結(jié)構(gòu)強度分析

蘇羅青 陳正豪 鄭佳彥 盧龍文

摘? ? 要：3000DWT LNG燃料動力散貨船的燃料儲罐基座及其支承結(jié)構(gòu)強度，是保證LNG燃料儲罐裝置安全的基礎(chǔ)。本文采用板梁組合模型對其結(jié)構(gòu)建立有限元模型，根據(jù)規(guī)范的載荷要求對其進行數(shù)值計算分析。計算結(jié)果表明，其最大的von Mises應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：LNG燃料儲罐基座；局部強度分析；數(shù)值計算分析；許用應(yīng)力

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Strength Analysis of LNG Fuel Storage Tank Foundation and Its Reinforcement Structure of 3 000 DWT LNG Fuel Bulk Carrier

SU Luoqing1，? CHEN Zhenghao1，? ZHENG Jiayan2，? LU Longwen1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511464 ）

Abstract： The strength of LNG fuel storage tank foundation and its reinforcement structure of 3000 DWT LNG single fuel bulk carrier is the basis to ensure the safety of LNG fuel storage tank device， and the local strength analysis of relevant structures needs to be carried out according to CCS rules. By creating the finite element model of its related structures by plate beam composite model，the numerical computation and analysis are carried out according to the load requirements of the rule. And the calculation results show that its maximum von Mises stress is within the allowable stress range， that is， the strength of LNG fuel tank base and hull support structure fulfils the requirements of the codes.

Key words： LNG fuel storage tank foundation; local strength analysis; numerical computation and analysis; allowable stress

1? ? ?前言

大力推動建造新能源動力船舶項目和對傳統(tǒng)的的柴油動力船舶進行LNG動力改造，是廣東省政府發(fā)展珠江綠色航運的重要舉措。在新能源動力船舶中，LNG燃料動力船的動力系統(tǒng)因可靠性好而得到大力推廣，是新能源動力船舶發(fā)展的主流趨勢之一。根據(jù)測算，相對于柴油動力船舶，使用LNG動力船舶將有效減少80%的氮氧化物、20%的碳、100%的硫氧化物和顆粒物的排放。3 000 DWT LNG燃料動力散貨船作為綠色珠江工程的主要船型之一，不但秉承了綠色船舶理念，而且結(jié)合了珠江水系特點進行優(yōu)化設(shè)計，滿足當前排放控制標準，新造船運營后將大大助力珠江流域內(nèi)河航運綠色發(fā)展，并對推動廣東省內(nèi)河船LNG動力改造工作起著良好的示范效應(yīng)。

在內(nèi)河船LNG動力改造工作中，LNG儲罐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。LNG儲罐裝置包括儲罐和冷箱兩部分，裝置滿載時總重約為30.5 t，其具體布置位置如圖1所示。在船舶運動過程中，由于裝置重量較大且重心較高（其罐體重心距基線約10.66 m），在LNG儲罐和內(nèi)部液貨慣性力的作用下，LNG儲罐基座及其船體支承結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)屈服破壞，甚至?xí)l(fā)生罐體基座撕裂所在區(qū)域甲板的情況，從而引發(fā)重大安全事故。

根據(jù)ABS規(guī)范要求，當設(shè)備重量等于或大于5 t時，需對設(shè)備基座及其支承結(jié)構(gòu)進行局部強度計算，以保證設(shè)備、設(shè)備基座及支承結(jié)構(gòu)的安全。雖然CCS內(nèi)河規(guī)范[1]沒有相關(guān)的要求，但為了保證LNG罐體及相關(guān)結(jié)構(gòu)安全，對LNG儲罐基座及其船體支承結(jié)構(gòu)進行局部強度[2]分析是十分必要的。

本文以儲罐甲板（含LNG儲罐基座）與主甲板之間結(jié)構(gòu)為研究對象，通過對其建立有限元模型[3]，并根據(jù)《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》（2021）[4]中要求的載荷與工況組合進行加載計算，為評估其區(qū)域的結(jié)構(gòu)局部強度提供依據(jù)。

本船的主尺度如下：

總長? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?64.99 m

垂線間長 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 63.50 m

型寬? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?15.80 m

型深? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.30 m

設(shè)計吃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4.20 m

2? ? 基座及船體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計

基座作為設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的連接橋梁，承受著船舶運動中設(shè)備受到的慣性力，并將其荷載傳遞給船體結(jié)構(gòu)，起著保證設(shè)備安全、正常運行的作用，因此基座結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、強度是否滿足規(guī)范要求，對設(shè)備的安全、運行及后期保養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。LNG儲罐裝置的儲罐和冷箱可以視為相互獨立的兩個設(shè)備，因此從結(jié)構(gòu)設(shè)計上可分為儲罐基座和冷箱基座兩部分考慮。LNG儲罐滿載時23.93 t、冷箱滿載時6.6 t，位于儲罐甲板（距基線10.66 m），由于設(shè)備重量大、重心高，船舶運動過程中設(shè)備的慣性力較大，基座區(qū)域范圍內(nèi)的儲罐甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)保證有足夠的強度及剛度。設(shè)備載荷的傳遞路徑如下：罐體底座→儲罐基座→船體支承結(jié)構(gòu)→相鄰的船體結(jié)構(gòu)。

為了提高甲板的強度與剛度，基座區(qū)域范圍內(nèi)的甲板板厚增加至規(guī)范要求值的2倍，儲罐基座結(jié)構(gòu)型式與設(shè)備底座相似，甲板加厚板范圍及結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。其腹板、面板板厚與設(shè)備底座規(guī)格相同，并在每檔肋位處設(shè)置加強肘板；同時對應(yīng)儲罐基座腹板的甲板下布置縱壁，以提高其強度；冷箱基座腹板結(jié)合所在區(qū)域的甲板骨材布置及冷箱底座結(jié)構(gòu)特點進行布置，面板寬度與底座寬度保持一致，其基座俯視圖如圖2所示。

3? ? 有限元模型

采用大型通用有限元軟件建立冷箱基座、儲罐基座及相關(guān)船體結(jié)構(gòu)有限元模型，并對其進行強度評估。

3.1 有限元模型

模型采用右手坐標系：X向為船長方向，向艏為正；Y向為船寬方向，向左舷為正；Z向為高度方向，向上為正。模型范圍如下：（1）X向取#-1～#7；（2）Y向取整船船寬；（3）Z向取主甲板以上到儲罐甲板（含儲罐基座）。

模型采用板梁組合模型，單元的典型尺寸為100 mm，建模時對基座一些不必要的特征（如面板上的螺栓孔、腹板的流水孔等）進行簡化；使用梁單元模擬T型材面板、甲板橫梁、艙壁扶強材；使用板單元模擬艙壁、甲板、T型材腹板、基座腹板、面板及肘板；模型共有23 820個節(jié)點、3 266個梁單元、17178個板單元。有限元模型，如圖3所示。

3.2? ?材料參數(shù)

模型材料參數(shù)，如表1所示。

4? ? ?邊界條件及設(shè)計載荷

4.1? ?邊界條件

在#7和主甲板上施加剛性固定的邊界條件，即前端面和下端面所有節(jié)點上施加 ux=uy=uz=?x=?y=?z=0 約束，如圖4所示。

4.2? ?設(shè)計載荷

根據(jù)《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》（2021），應(yīng)考慮下列載荷：

（1）重力載荷

重力載荷包括LNG液罐和罐內(nèi)的液貨重量，通過MPC施加。

依據(jù)GCY4152-024-019-LNG儲罐安裝圖， 儲罐空載時約重13.3 t，滿載時約重23.93 t；冷箱空載時約重5.6 t，滿載時約重6.6 t （上述重量已包含保溫層、管系附件、閥門、鞍座等所有附件重量）；LNG儲罐和液貨受到的慣性力，通過MPC上獨立點（即LNG儲罐和液貨重心）施加。

（2）船舶運動引起的載荷

船舶運動包括縱搖、艏搖、垂蕩、縱蕩和橫蕩。計算作用于燃料艙的加速度（其作用點取燃料艙的重心處），應(yīng)包括下列分量：

（A）垂向加速度：取縱搖、橫搖及垂蕩的運動加速度；

（B）橫向加速度：取首搖、橫搖和橫蕩的運動加速度，以及橫搖的重力分量；

（C）縱向加速度：取縱搖和縱蕩的運動加速度，以及縱搖的重力分量。

內(nèi)河船的運動加速度如下：

（A）沿船寬方向加速度： 1 g；

（B）垂直向上加速度： 1 g；

（C）垂直向下加速度： 2 g。

（3）靜橫傾載荷

靜橫傾載荷，取在0°～ 20°范圍內(nèi)最不利的靜橫傾角的載荷。

（4）碰撞載荷

碰撞載荷應(yīng)基于滿載狀況確定，向前慣性力為a，向后慣性力為 a/2：

a=（2-3×（L-60）/80）g=1.8 g。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：L——船長，取L=64.99 m。

g——重力加速度。

（5）風(fēng)載荷

儲罐所受風(fēng)力 F ，按下式計算：

F=PA? ?kN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：P ——單位面積的計算風(fēng)壓， kN/m2。A級航區(qū)P=-0.003 0 hf 2+0.046 5 hf + 0.181 9；

hf ——儲罐受風(fēng)中心至水面的垂直距離， 1≤hf ≤7，m；

A ——儲罐的受風(fēng)面積，m2。

（6）船舶浸水產(chǎn)生的載荷

對于獨立燃料艙，在鄰近船體和燃料艙結(jié)構(gòu)設(shè)計止浮墊塊和支撐結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮空艙全部浸水時的浮力產(chǎn)生的載荷：本船LNG儲罐的體積為40 m3，空罐的重量為13.3 t，空罐完全浸沒在水中產(chǎn)生的凈浮力為Ff=（40×1.0-13.3）×9.81=261.9 kN。

4.3? ?載荷組合工況

根據(jù)《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（2018），載荷組合工況如表2所示。

說明：ax、ay、az分別為船舶運動加速度各個分量；風(fēng)載荷沿船寬方向；碰撞載荷沿船長方向；浸水載荷垂直向上。

5? ? 校核衡準與計算結(jié)果

5.1? 校核衡準

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016），各個構(gòu)件的許用應(yīng)力如表3所示。

表中： σe—— von Mises 應(yīng)力；

σw——船寬或型深方向應(yīng)力；

σz——梁單元節(jié)點合成應(yīng)力；

τ——剪應(yīng)力。

5.2? ?計算結(jié)果

計算結(jié)果，如表4所示。

由表4可知：基座、船體支承結(jié)構(gòu)的最大von Mises 應(yīng)力，分別為154 MPa、159 MPa；板的最大剪切應(yīng)力為87.3 MPa，位于儲罐基座腹板處。

LC4工況的有限元模型von Mises 應(yīng)力云圖、剪切應(yīng)力云圖，如圖5～8所示。

6? ? ?結(jié)論

從表4可知， LC1～LC12工況的船體支承結(jié)構(gòu)、基座結(jié)構(gòu)最大von Mises 應(yīng)力，均小于規(guī)范要求的許用應(yīng)力，因此LNG燃料罐基座及船體支撐結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

參考文獻

[1]鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S]. 中國船級社， 2018.

[2] 蘇羅青，盧龍文等. 基于子模型技術(shù)的某船貫穿式大開口角隅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J]. 廣東造船. 2020.

[3] 劉兵山，黃聰.Patran從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社.2003.

[4]船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范 [S]. 中國船級社， 2021.