独立式液货舱沥青船支撑结构的有限元分析

张延辉，张少雄，曾 涛

(1.上海宏航船舶技术有限公司，上海200032;2.武汉理工大学 交通学院，武汉430063)

沥青船按照装载沥青的货舱的形式可以分为整体式和独立式两种。独立式液货舱以其在热量损失少、腐蚀小、施工方便等方面的独特优势越来越受到沥青运营商的青睐［1］。在独立式液货舱沥青船中，舱底支撑垫块的分布会直接影响到货舱重量向船底的传递以及船舶航行时的运动对船体结构的影响，但是由于目前的各主要船级社在规范上对这一特殊结构形式的船舶没有具体的规定，而按照传统的平均受力计算的方法来确定垫块数量及分布并不能准确地得到各个位置的垫块的受力情况。因此有必要采用有限元直接计算的方法来确定各位置垫块的受力［2］。以一艘正在建造中的载重量为12 000 t石油沥青船(以下简称为本船)为例，说明独立式液货舱沥青船的结构设计的特点。并介绍货油舱区域船体结构三维舱段建模特点、独立液货舱三维建模特点、支撑垫块建模特点以及船体结构通过垫块支撑独立液货舱后温度场和结构强度的有限元分析思路和方法。

1 船舶概况

1.1 用途

该船为一艘运输液态石油沥青并兼装闪点大于60℃重油的船舶。在液态石油沥青运输过程中，维持温度不超过200℃，液货舱采用独立式独立舱形式，入级法国船级社。

1.2 主要参数

总长/Loa146.0 m

垂线间长Lpp137.2 m

型宽B 22.0 m

型深D 10.8 m

设计吃水dd7.8 m

结构吃水ds7.9 m

载重量DWT ～12 000 t

液货舱容积Vc～11 723.98 m3

2 货油舱区域船体结构

该船货油舱区域船体结构为单底、双壳、单甲板(上甲板与凸型甲板);船舯泵舱区域为双层底、双壳、二层甲板平台;从艏部至艉部有连续凸形甲板，四道水密横舱壁将货油舱区域分为4个货舱和1个泵舱。每4档肋位设置强框架(由实肋板、舷侧隔板、甲板强横梁组成)，在船艏底部平坦区域另设置中间肋板，在独立液货舱围壁下方区域设置中间半肋板;在肋板面板上设置横向防倾挡板和长宽分别为200 mm×200 mm、350 mm×350 mm的支撑垫块。

货油舱区域设置4个独立式液货舱，每个独立式液货舱设置一个中纵舱壁将货油舱分成左、右2个独立的货油舱，独立液货舱的舱底、侧壁、舱顶和中纵舱壁均为纵骨架式。

独立式液货舱设置纵向制动挡块兼定位器，保证液货舱准确的纵向定位以及两船相撞时制止液货舱像前或向后移动。在舱体底部和顶部分别设置横向设置防倾制动挡块兼定位器，每个液货舱设置一组制动挡块，以保证船舶在横倾为30°时液货舱的安全，在液货舱顶部靠近舷侧的部位设置防浮止推块，凸形甲板的强度能承受货舱区域破舱进水时，液货空舱浮力的作用。该船第三 货舱区域的垫块布置见图1。

图1 NO.3货舱底部垫块布置

3 ULEPSI货舱垫块

在独立式液货舱与单底之间设置垫块，垫块采用荷兰BEELE公司的ULEPSI支撑垫块，该垫块能够吸收由于货舱同海水之间温度不同所产生的热量传递，能够控制货舱的温度传递并支撑住上面货物的重量，同样能够吸收由于船体运动所产生的应力，垫块的规格分为200 mm×200 mm和350 mm×350 mm，最大可以承受压力分别为320 kN和980 kN。垫块由垫块底座和四层板块组成，由下到上依次为18 mm厚的黑色合成橡胶、15 mm厚的棕色合成橡胶、12 mm厚的加强玻璃纤维塑料和15～30 mm厚的钢板。根据船舶横摇和纵摇运动，确定垫块布置位置和规格。支撑垫块的围框型式见图2～3。

图2 支撑垫块底座

图3 支撑垫块示意

4 有限元直接计算

根据该船资料建立1/2舱段+1舱段+1/2舱段形式的有限元模型，其中垫块采用一维的rod单元进行模拟。有限元模型见图4～5。

图4 三维有限元计算模型

图5 船底部分有限元模型

按照法国船级社《钢质船舶入级规范》(2007)中的相关规定施加载荷工况［3］。由于该船所装载的货物沥青的粘度较大，因此独立货舱内液货的晃荡产生的影响忽略不计。经过三维有限元法计算，考虑到沥青运输过程中的纵摇和横摇，并释放不合理的垫块(即受拉应力的垫块)，得到各个垫块的受力，结果见图6。

图6 垫块受力图(单位:kN)

5 结论

采用三维有限元直接计算方法，既考虑到船舶的各种航行工况，又考虑到船舶在恶劣海况下的不规则运动(纵摇、横摇等)对支撑垫块的受力的影响，反复调整、释放不合理的垫块，从而得到每个垫块的最大受力，依次确定垫块的规格和布置。与传统的“平均受力计算法”相比，再结合营运中沥青船垫块的破环形式和所处的位置，用三维有限元分析方法来确定垫块的规格的布置是可行的、合理的，值得推广。

［1］赵彩凤.独立液货舱型式沥青运输船设计特点［J］.船海工程，2006(3):26-28.

［2］张少雄.计及温度应力的不同舱壁形式沥青船强度直接计算［J］.船海工程，2009(4):20-22.

［3］VERITASBUREAU.Rules for the classification of steel ships［S］.2007.