LNG运输船C型独立液货罐鞍座加强计算研究

刘玉智

(上海交通大学， 上海 200240)

LNG运输船C型独立液货罐鞍座加强计算研究

刘玉智

(上海交通大学， 上海 200240)

阐述了LNG运输船C型独立液货罐鞍座的结构特点，如何利用有限元分析校核鞍座加强的强度，并以一艘28 000 m3LNG运输船的C型独立双耳液货罐鞍座加强为例，分析有限元强度计算结果。

LNG C型独立液货罐 鞍座 无因次加速度 有限元计算

1 引言

液化天然气(Liquefied Natural Gas,缩写LNG)是一种清洁能源，主要成分是甲烷，在常态下沸点为-161℃,空气中可燃极限为5%～15% ，是目前地球上最为纯净且方便高效的能源之一，已成为近年来世界上增长速度最快的矿物燃料。随着LNG海上运输需求量的日益增大，LNG运输船的开发与研究已成为当今船舶制造业的热点问题。

一般来说，载货量在100 000 m3以内的LNG运输船称之为中小型LNG运输船，中小型LNG船液货舱系统采用C型独立舱。现阶段，国内对于液化气船的研究主要集中在LPG船，且相关设计和制造的难点问题已经基本解决，而对于开发难度大的中小型LNG运输船来说研究工作只是刚刚开始，对于其结构设计的难点——鞍座设计，尚处以摸索阶段。

2 C型独立液货罐的鞍座结构形式

C型独立液货罐的鞍座分前后两部分组成。一部分为固定支座，典型结构形式见图1，图中嵌入层压木中与液货本体连接的止移扁钢用于承受作用于液货舱上的碰撞力。另一部分为活动支座，典型结构形式见图2，图中两层层压木之间嵌以不锈钢薄板，可以允许液货舱与支座之间有微量的移动，用以承受液货舱在温度变化和船体变形时的收缩和膨胀[1]。

如图1和图2所示，层压木位于鞍座顶板上，固定支座的层压木前后用高腹板扁铁加以固定，承受液货罐纵向冲力，活动支座两层层压木分别用小腹板扁铁加以横向固定，承受的纵向力很小，整个鞍座结构设计得非常强。常用的LPG运输船都是采用这种鞍座结构，鞍座左舷到右舷横向布置，鞍座下面固定在内底上，左右舷固定在底边舱斜板上，并与加大加强的舷侧主肋骨固定连接，如图3、图4所示。

还有另一种鞍座结构形式，鞍座结构与层压木反转，将鞍座与液货罐本体连接在一起，然后通过层压木与船体内底连接。鞍座结构似碗状，两舷与底边舱斜板留有间隙，不固定连接，如图5所示。

鞍座结构同样分为两部分，固定支座和活动支座，如图6、图7所示。

3 C型独立液货罐的鞍座结构加强受力分析

以图6的鞍座结构形式为例，鞍座与层压木连接，对于层压木的属性，在有限元模型(见图8)中无法有效地模拟，因此为了计算鞍座下双层底内结构加强，需要求出层压木与内底接触面的垂向支反力及层压木的横向固定挡板的纵向支反力。

为了得到层压木接触面垂向支反力，有限元模型 (见图8) 包括整个液罐与其内部结构及鞍座结

构，液货罐边界加载垂向压力，用弹簧单元模拟层压木，弹簧刚度通过在内底上施加垂向单位力读取相应位移来得到，在层压木与内底接触的位置加垂向线位移约束，层压木接触面垂向支反力可通过有限元计算直接读取。

为了得到层压木横向固定挡板纵向支反力，有限元模型(见图8)包括整个液罐与其内部结构及鞍座结构，用体单元模拟层压木，液货罐边界加载纵向压力，在层压木挡板接触的位置加纵向线位移约束，挡板纵向支反力可通过有限元计算直接读取。

4 计算实例与分析

下面以笔者所做的28 000 m3LNG运输船的鞍座加强计算为例，分析鞍座加强的受力情况。

4.1 计算相关参数

本船计算船长164.415 m，型宽27.60 m，型深18.50 m，设计吃水7.80 m，结构吃水8.00 m。

货舱结构典型普通肋位横剖面如图9所示，肋距0.8 m，内底厚度12 mm，双层底纵骨间距750 mm，内底纵骨型号HP240×11,管弄宽度3 m，距船中1 500 mm管弄侧壁厚度15.5 mm，距船中5 250 mm和9 750 mm双层底旁纵桁厚度13.5 mm。 全船3个货舱，每个货舱一个双耳型液货罐，计算以NO.2货舱液货罐固定鞍座为例，鞍座中心位于FR102。NO.2液货罐体自重750 t，罐体容积10 412 m3，液货密度0.46 t/m3,液货舱半径7.5 m，液货舱中心距基线10.1 m，距船中距离7.2 m。鞍座形式如图5所示。

根据《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》，液货舱重心的无因次加速度计算结果如下：

a0=0.4498，A=0.5361,az=0.4877,ay=0.5891,ax=0.2077。

建立有限元模型包括整个液罐与其内部结构及鞍座结构，液货罐边界加载垂向压力P1，用弹簧单元模拟鞍座层压木，共有57个节点，层压木接触面垂向支反力可通过有限元计算直接读取。计算结果见图10。

建立有限元模型包括整个液罐与其内部结构及鞍座结构，液货罐边界加载纵向压力P2，用体单元模拟层压木，共有57个节点，挡板纵向支反力可通过有限元计算直接读取。计算结果见图11。

横向总载荷F=(液货重量+液罐重量)·ay·g=(750+0.46×10 412)×0.5891×9.81=32 000kN,固定支座上端横向支撑点承受载荷7 900kN, 固定支座下端横向支撑点承受载荷8 200kN。

鞍座处双层底内设5档实肋板，肋板间距0.8m，鞍座处内底加厚至40mm，并以22mm板过渡到12mm，肋板厚度取20mm，1 500旁桁材加厚至26mm，5 250mm和9 750mm旁桁材在鞍座处加厚至20mm，距中3 000，7 500，8 250和9 000mm增加局部旁桁材，厚度16mm。具体结构见图12～图15。

4.2 结构有限元模型及其边界条件

有限元模型：高度方向取整个型深，宽度方向取整个船宽，长度方向以FR102鞍座为中心，向艏至FR109强框架，向艉至FR96强框架，如图16所示。

边界条件见表1。

4.3 载荷及组合工况

承受的载荷主要有：由4.1计算的X、Y、Z方向的载荷， 载荷分布如图17～图19所示； 结构重量，即模型中船体结构的重量，由有限元程序自动算出；考虑的载荷组合工况如下：

(1) 工况1，纵摇ax+垂荡az；

(2) 工况2，横摇ay+垂荡az；

(3) 80%纵摇ax+80%横摇ay+90%垂荡az。4.4 计算结果及分析

各个工况下鞍座下船体构件的应力表如表2所示。

内底板应力最大处位于船中管弄处；鞍座下桁材应力很大，桁材上开孔需取消；鞍座正下方FR102肋板最舷边处应力较大，其余肋板应力不大；鞍座下纵骨在靠近舷侧处需改为局部桁材，因为此处的垂向载荷非常大。

5 结论

通过实例计算可以看出，鞍座区域船体承受的局部载荷较大，整体应力水平较高，构件规格加大很多，设计中应设置良好的过渡，以防止结构突变带来的应力集中。本文是基于规范对鞍座加强的研究探讨，希望对LNG鞍座加强研究的同仁有帮助。

[1] 中国造船工程学会，中国船舶重工集团公司，中国船舶工业集团公司.船体设计实用手册结构分册[M].北京：国防工业出版社，2013.

[2] 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京：人民交通出版社，2005.

Research for Calculation of LNG Carrier C Type Independent Tank Saddle Seating Reinforcement

LIU Yu-zhi

(Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240, China)

Taking the reinforcement of one 28 000 m3LNG carrier as an example, this article mainly introduces the structure characteristic of LNG carrier C type independent tank saddle seating, researches the reinforcement of saddle seating with FEM, then analysis the FEM result.

LNG C type independent tank Saddle seating Dimensionless acceleration FEM

刘玉智(1983-)，男，工程师。

U663

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