LNG船绝缘层对晃荡载荷缓冲效应研究

王嫣然 ，刘 俊，庄志鹏，唐文勇

（1海洋工程国家重点实验室（上海交通大学），上海 200240；2德劳工业服务（上海）有限公司北京分公司 北京 100020）

LNG船绝缘层对晃荡载荷缓冲效应研究

王嫣然1，刘 俊1，庄志鹏2，唐文勇1

（1海洋工程国家重点实验室（上海交通大学），上海 200240；2德劳工业服务（上海）有限公司北京分公司 北京 100020）

文章采用动力学响应对比方法研究LNG船绝缘层对晃荡载荷的缓冲效应。首先引入缓冲系数概念，然后建立No96型LNG船液货舱有绝缘层模型和无绝缘层模型，通过晃荡软件计算晃荡载荷，对比两种模型在相同晃荡载荷下的动力学响应，得出缓冲系数，并通过讨论晃荡载荷参数确定No96型LNG船舷侧处绝缘层缓冲系数的范围。

LNG船绝缘层；晃荡载荷；缓冲系数；动力学响应

1 引 言

近年来新兴市场要求LNG船能够适应部分装载的工况，而部分装载可能导致严重的液货舱晃荡问题，船体结构可能会由于晃荡所产生的局部砰击压力而发生破坏，因而晃荡局部强度分析是LNG船设计的重要环节。液舱晃荡载荷可以采用波高函数法、MAC法、VOF法和LEVEL-SET法等[1]进行计算。针对晃荡冲击载荷下绝缘层强度校核，英国劳氏船级社[2]和美国船级社[3]给出了相应的规范，Cho[4]采用全局—局部方法进行了实船绝缘箱水弹性分析。对于船体局部强度的校核，庄志鹏等[5-6]针对No96型LNG船体结构晃荡强度评估方法给出了建模建议并提出了完整的评估方法。

由于LNG船液舱温度需要维持在-163℃左右以保持天然气处于液化状态，设有阻止液舱与外界进行热量交换的绝缘层。No96型LNG船绝缘层包含两层绝缘箱，绝缘箱内部设有隔板，箱子中填充膨胀珍珠岩。若以船体结构为目标进行局部强度分析，绝缘层对晃荡载荷起到缓冲作用。鉴于试验或数值计算得到的是液舱主屏蔽面上的晃荡冲击载荷，庄志鹏等[6]提出了晃荡冲击载荷下舱壁结构局部强度的简化分析方法，在绝缘层缓冲效应已知的前提下，运用该方法进行晃荡载荷下船体结构局部强度分析时，可以省略绝缘层，从而大大简化建模及计算工作量，使得分析具有更好的操作性，故此研究绝缘层的缓冲作用对船体局部强度分析很有必要。

本文首先引入了缓冲系数这一概念用于表征绝缘层缓冲效应的大小，提出了缓冲系数的计算方法，并针对某20万吨级No96型LNG船No.2液货舱舷侧处绝缘层计算不同晃荡载荷参数下的缓冲系数，确定了该结构类型的LNG船绝缘层缓冲系数范围，研究成果可为我国进行LNG船体结构设计及晃荡强度分析提供有效参考。

2 绝缘层缓冲系数及其计算方法

2.1 晃荡局部强度分析

晃荡冲击载荷下船体结构晃荡强度分析有两种方法：一种是建立包括绝缘层的船体局部结构有限元模型，在绝缘箱表面施加试验或计算得到的晃荡冲击载荷，进行船体结构动响应分析，这种方法模型复杂，计算量大，英国劳氏船级社在文献[2]中对该方法有一定描述；另一种是在绝缘层缓冲系数已知的情况下，绝缘层效应通过缓冲系数体现，从而无需在模型中建出。

2.2 缓冲系数的引入

为反映绝缘层的缓冲效应本文引入缓冲系数这一概念，将其定义为相同晃荡载荷作用下有绝缘层模型和无绝缘层模型最大动力学响应之比。

动力学响应的特征变量主要有两种，分别为应力与位移。当选用应力为变量时，参照动砰击压力的“折减系数”[7]概念定义缓冲系数。Hagiwara等[8]最早提出“折减系数”，随后折减系数逐渐得到更多学者的认可和拓展，其具体定义如下：若构件在一定的边界条件下，因砰击压力的冲击作用引起构件中的动应力最大值与作用在该构件上的均布静压力下的应力最大值相当，静压力Peq与砰击压力峰值Pi（）max均值的比值为砰击压力的“折减系数Kr”，即

通常所说的“缓冲”含义为减小传递给支撑物体的支架或结构的冲击力，这种缓冲也称为隔振。当采用位移为动力响应变量时，绝缘箱对晃荡载荷的缓冲类似于这种形式，缓冲系数的计算可参考由绝对位移幅值x0与基础位移幅值y0之比所表示的隔振传递率η′，即

如祁皑，郭长城[9]采用位移对比计算了楼板振动中的传递系数，朱红[10]在文中也提到以位移对比计算隔振传递率。

综合考虑上述两种缓冲定义方式以及在LNG船局部强度校核时应力和位移均需要考虑这一情况，将缓冲系数分别定义为应力缓冲系数ηstress和位移缓冲系数ηdof如下：

其中：S为有绝缘层模型最大应力响应，S0为无绝缘层模型最大应力响应；D为有绝缘层模型最大位移响应，D0为无绝缘层模型最大位移响应。

2.3 绝缘层缓冲系数计算方法

采用实验或软件计算的方法得到晃荡冲击载荷后，分别施加于有绝缘层和无绝缘层的船体结构，进行动响应分析分别得到最大的应力及位移响应S，S0，D和D0后，即可根据（3）式得到该类绝缘层的缓冲系数。

3 绝缘层缓冲效应分析

3.1 晃荡载荷计算

本文针对某20万吨级5舱型LNG船进行分析，分析中选取液货运动最严重的No.2液货舱，采用Sloshing2D晃荡软件，进行了不同装载深度下不同晃荡周期、晃荡角度下晃荡载荷计算，得到晃荡载荷的峰值以及作用时间的可能范围，同时得到横摇情况下最为严重的30%L（L为液舱长度）装载水平的晃荡冲击载荷曲线，将其作为基础载荷形式，如图1所示。

3.2 有限元模型

针对No.2液货舱舷侧建立结构有限元模型，采用板单元模拟木材、船体结构及树脂层[5]。根据文献[2]，采用弹簧单元模拟主次绝缘箱相邻板、树脂层与船体、绝缘箱之间的接触，船体结构边界六个自由度全部约束，绝缘层部分不加约束。为减小计算时长，根据对称性选取1/4结构进行分析，并在对称面处施加对称边界条件。无绝缘层模型（模型1）和有绝缘层模型（模型2）分别见图2及图3。

图1 晃荡载荷随时间变化示意图Fig.1 The sloshing load as change of time

图2 无绝缘层模型（模型1）Fig.2 The FE model with the insulation system(Model 1)

图3 有绝缘层模型（模型2）Fig.3 The FE model without the insulation system(Model 2)

3.3 晃荡载荷参数变化对缓冲系数的影响

液舱内晃荡冲击载荷具有载荷峰值和载荷作用时间两个普遍的特征参数，将晃荡计算得到的目标船不同工况下峰值和作用时间这两个载荷参数的范围加以扩展，通过在该可能范围内变化这两个参数进行结构动响应分析及缓冲系数计算，最终可以得到晃荡载荷参数变化对缓冲系数的影响以及同类型LNG船绝缘层对晃荡载荷的缓冲效应范围。

表1 晃荡载荷峰值变化载荷工况Tab.1 The cases of different sloshing load peak

3.3.1晃荡载荷峰值变化

本文所讨论的晃荡载荷形式为非脉冲和脉冲两种形式叠加，如图1所示。将Sloshing2D晃荡软件计算得到的目标船晃荡载荷峰值变化范围适当放大，最终得到晃荡载荷峰值范围为5-400 kPa。缓冲系数计算时，在上述范围内变化其载荷峰值，载荷形式参考3.1节所述基础载荷，选取的计算工况见表1。

针对表1中的不同峰值晃荡载荷分别进行有限元分析，得到各工况下的应力及位移响应。根据（3）式得应力缓冲系数及位移缓冲系数，绘出两种缓冲系数随载荷峰值变化曲线如图4、图5所示。

图4 应力缓冲系数随晃荡载荷峰值变化曲线Fig.4 Stress buffer coefficient as change ofsloshing load peak

图5 位移缓冲系数随晃荡载荷峰值变化曲线Fig.5 Displacement buffer coefficient as change of sloshing load peak

由图4和图5可以看出，液舱内晃荡载荷峰值在可能的范围内变化时，No96型LNG船舷侧处绝缘层的应力及位移缓冲系数变化很小，因而绝缘层的缓冲系数受晃荡载荷峰值的影响可以忽略。

3.3.2 晃荡载荷作用时间变化

晃荡载荷作用时间范围应同时包括最小作用时间及与晃荡周期一致这两种情况，并在此范围基础上适当放大，得到可能产生的晃荡载荷作用时间范围为0.171 5-22.295 s。缓冲系数计算时，在上述范围内变化载荷作用时间，载荷形式同样参考基础载荷，选取的计算工况见表2。

表2 晃荡载荷作用时间变化载荷工况Tab.2 The cases of different sloshing load time

图6 应力缓冲系数随载荷作用时间变化曲线Fig.6 Stress buffer coefficient as change of sloshing load time

图7 位移缓冲系数随载荷作用时间变化曲线Fig.7 Displacement buffer coefficient as change of sloshing load time

针对表2中的不同作用时间晃荡载荷分别进行有限元分析，得到各工况下的应力及位移响应。根据（3）式得应力缓冲系数及位移缓冲系数，两种缓冲系数随载荷作用时间变化曲线分别如图6、图7所示。

由图6和图7可以看出，晃荡载荷作用时间较短时，应力和位移缓冲系数变化明显；随着载荷作用时间增长，应力和位移缓冲系数均在小范围内上下波动并逐渐趋于一个定值。从图中还可以看出，液舱内晃荡载荷峰值及作用时间在可能的范围内变化时，应力及位移缓冲系数基本都在50%-70%之间。

4 结 语

本文通过引入缓冲系数的概念，简化了LNG船晃荡的船体结构局部强度计算，并通过讨论晃荡载荷参数确定了No96型LNG船舷侧处绝缘层缓冲系数的范围，得到以下结论：

（1）晃荡载荷峰值变化对绝缘层缓冲系数影响可以忽略；

（2）晃荡载荷在作用时间比较短的情况下，绝缘层缓冲系数变化明显，随着时间增长变化程度减小；

（3）对于本文研究的20万吨级5舱No96型LNG船舷侧处结构类型，位移缓冲系数和应力缓冲系数基本都在50%-70%范围内变化，在对同类型船体结构进行晃荡冲击载荷下结构晃荡强度评估时，绝缘层的缓冲效应可以通过在该范围内合理选取缓冲系数体现，从而在模型中省略绝缘层。

[1]Chen Y G,Djidjeli K,Price W G．Numerical simulation of liquid sloshing phenomena in partially filled containers[J]．Computers&Fluids,2009,38(4):830-842．

[2]Lloyd’s Register．Sloshing assessment guidance document for membrane tank LNG operations[S]．May 2009．

[3]ABS．Strenght assessment of membrane-type LNG contaiment systems under sloshing Loads[S]．April 2006．

[4]Cho J R,Park S W．Hydroelastic analysis of insulation containment of LNG carrier by global-local approach[J]．International Journal for Numerical Methods in Engineering,2008,76(5):749-774．

[5]庄志鹏,刘 俊,唐文勇．薄膜型LNG船晃荡冲击局部强度分析建模方法研究[J]．船舶工程,2011,33(3):17-20.

[6]庄志鹏,刘 俊,唐文勇．薄膜型LNG船船体结构晃荡强度研究[J]．武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2013,37(5):1093-1097．

[7]王 辉,顾学康．砰击载荷作用下船底肋骨等效设计压力的确定[J]．舰船科学技术,2010,32(3):11-15．

[8]Hagiwara K,Yuhara T．Fundamental study of wave impact loads on ship bow[R]．1974:337-342．

[9]祁 皑,郭长城．楼板振动中传递系数等问题的研究[J]．哈尔滨建筑大学,1995,28(6):115-121．

[10]朱 红．隔振原理的理论分析与应用[J]．内蒙古科技与经济,2008,172(18):127-129．

Buffering effect of insulation system on sloshing load in LNG tank

WANG Yan-ran1,LIU Jun1,ZHUANG Zhi-peng2,TANG Wen-yong1

(1 State Key Laboratory of Ocean Engineering(Shanghai Jiao Tong University),Shanghai 200240,China;
2 Germanischer Lloyd Industrial Services(Shanghai)Co.,Ltd.,Beijing Branch,Beijing 100020,China)

The comparison method of dynamic response is applied to analyzing the buffering effect of insulation system on sloshing load in LNG tank.The buffer coeffient is introduced,and the FE models with the insulation system and without the insulation system of a No96-type tank are built.The buffer coeffient is obtained by comparing the dynamic response of the two models under the same sloshing load which is calculated by sloshing software.Furthermore,the buffer coefficient’s range of insulation system on the No96-type LNG shipboard is determined by using different sloshing load parameters.

insulation system of LNG tank;sloshing load;buffer coefficient;dynamic response

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.04.009

1007-7294（2014）04-0419-05

2013-06-23

王嫣然（1989-），女，硕士研究生；通讯作者：刘 俊（1971-），女，博士，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院副教授，Email:jliu@sjtu.edu.cn。