大型薄膜型LNG船结构开发设计

2014-10-30江克进王辉辉

船舶与海洋工程 2014年3期

江克进，戴立，王辉辉，李迎

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

近十年来，国内 LNG船经历了从无到有，从技术引进到独立自主开发的过程。目前国内在建的大型薄膜型LNG船，符合国际最新设计方向，在国际造船市场中具有竞争力。在大型薄膜型LNG船自主设计中，由于规范规则要求高且复杂，为保证设计质量，满足船东和船级社对船体结构强度、疲劳寿命和振动特性等的技术要求，需要进行大量的计算和优化工作。

大型薄膜型LNG船结构设计，为了满足船级社规范、IGC CODE（国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则）以及围护系统专利公司GTT等的相关要求，进行结构规范计算、疲劳分析（FDA Level 2）、液货舱晃荡（Sloshing）分析、舱段有限元计算、固有频率初步估算等工作，结合计算结果对设计图纸进行修正，并作相应优化。为后期详细设计和改进提供充分技术保证，使船体结构设计更加合理、安全和可靠，有效控制空船重量。

1 船舶概况

沪东中华造船（集团）有限公司自主研发的170000m3系列LNG船采用薄膜型结构，纵向舱室布置见图1。货舱区的典型结构型式为双层底、双层壳、双层横舱壁、双围阱甲板。总长290m，型宽43.35m，型深26.25m，载货量约170000m3，分为4个独立的液货舱。

2 大型薄膜型LNG船规范计算

2.1 LNG船中剖面设计

舯剖面计算采用LR RULES CALC 软件进行，并用SPREAD SHEET对计算结果进行验证。

LNG船中剖面设计的特殊性，在于满足围护系统专利公司GTT的相关要求。对于薄膜型LNG船，主要应该满足：1) 液货舱几何尺寸、布置的规定；2) 装载率；3) 船体构件总体性能达标。

按照 GTT要求确定结构型式，特别注意船体内壳的布置；初步确定结构型式后，在规范计算中，按照GTT对船体内壳的最大弯曲应力的要求，验证总纵强度。

计算局部强度时，主要是考虑液货装载工况，动、静载荷作用在船体结构上的响应。

结合舯剖面计算结果，对全船结构进行初步规范计算，完成基本的结构设计。

2.2 液货舱晃荡（Sloshing）响应计算

液货舱内液货装载量的不同将引起不同的晃荡载荷，因此各舱的装载量可以从5%到95%，以5%递增，从而得出19组数据。薄膜型LNG船的晃荡主要考虑：横摇（Roll），纵摇（Pitch）。根据船级社建议，横摇状态下液货晃荡周期与船体摇摆周期差在5s以外的状态可以忽略，因为得出的结果较小，主要考虑5s以内的状态；同样的，纵摇状态下考虑3s以内的状态[1]。通过分析，在纵摇状态下，内底、舱壁、内甲板等处出现晃荡载荷比较严重的区域。液货舱结构所受晃荡载荷见图2。

图2 液货舱结构所受晃荡载荷

如图2中椭圆圈内所示，纵摇的影响主要体现在横向舱壁顶部等区域。其中第1液货舱的晃荡载荷最小，第2和第3液货舱横向舱壁上的扶强材需要加强，而第4液货舱的晃荡载荷最大，修改的部分较多，包括inner deck上的扶强材也需要适当加强，以确保液货的晃荡载荷不会对船体结构造成很大的影响。

2.3 疲劳（FDA Level 2）计算

按照要求，货舱区次要构件的节点疲劳强度需满足北大西洋40a的要求。应用劳氏船级社的疲劳计算软件ShipRight Software-Fatigue Design Assessment（Level 2）进行分析。

根据疲劳计算要求，工况分别选取压载和满载出港时的状态进行计算。压载状态选取的是压载装满燃油出港工况；满载状态选取的是均质结构吃水（燃油满载）的出港工况。航线的定义根据劳氏船级社的设定，波浪载荷根据IACS北大西洋设定；航行时间根据要求设定为40a，平均每年的入坞时间设定为1.5d。通过疲劳强度分析，货舱区疲劳强度不满足要求的外板骨材及位置分布见表1。

根据计算结果，对于表1中不满足疲劳要求的纵骨节点，一般通过增大纵骨尺寸或修改纵骨与肋板的连接形式达到满足抗疲劳要求。为避免增加重量，设计中选择修改连接形式的优化方案。其他纵骨如甲板、内底、内壳、底边舱斜板上纵骨疲劳强度均满足北大西洋海况40a要求。

表1 疲劳强度不满足要求的外板骨材及位置分布

3 大型薄膜型LNG船有限元计算

为保证结构设计的深化，引入有限元计算。相关计算满足LR的要求，使用船级社软件加载、前后处理。重点关注IGC CODE 和GTT等关于薄膜型LNG船的特殊要求，结合大型LNG船的特殊装载工况，通过舱段有限元计算评估结构屈服强度和屈曲强度。在各动、静等工况下，分析船体结构的响应，提出相关结构的修改意见。

当然 IGC CODE 对于全船结构有限元分析有相应的要求，而在开发设计阶段，舱段有限元的计算更加实用和有效[2]。按照LR船级社建议，通过LNG船舱段有限元分析，对规范计算的结果进行验证、修改，为确定LNG船货舱区构件尺寸提供了依据。

3.1 主要承受载荷

由于各个构件受力复杂，根据规范要求需对舱段在十余种工况下的应力进行校核[3]。对于每种工况，舱段所受的载荷分为总纵弯矩、水压力和货物载荷等。

1) 总纵弯矩：分为静水弯矩和波浪弯矩，静水弯矩即总体专业根据配载情况给出船中弯矩最大值，而波浪弯矩则根据规范要求进行计算；

2) 水压力：分为静水压力和附加水压力，附加水压力反应船舶外板上某处位于波峰或波谷时，该处水压力发生的变化；

3) 货物载荷：分为货物自重载荷和货物附加载荷，货物附加载荷用于反应船体运动时产生加速度，货物受加速度影响对结构产生的额外载荷。

3.2 计算工况

船舶在营运过程中，船体结构承受来自自身装载的载荷以及外部载荷，同时载荷又是时刻变化的，不是所有载荷变化都会对船体结构造成损害，因此只需要选择几种典型工况对船体结构进行计算评估。

根据LR船级社的船体结构评估要求，主要分为11种典型工况（见表2）进行计算分析。

表2 典型工况

3.3 屈服结果分析

通过LR船级社的后处理软件ShipRight进行船体结构的屈服和屈曲校核。

各个船体结构区域的Combined Stress(σe)，Direct Stress(σ)，Shear Stress(τxy)需要满足不同工况下的衡准要求。前述需要校核的应力分别对应于ShipRight软件中的Von-Mises Stress, Global Stress, Shear Stress。

以底部结构为例，对于双层底肋板，根据LR要求，需要分别对Static Cases和Dynamic Cases两种工况对应的 Von-Mises Stress，Shear Stress校核。图 3、4为双层底肋板 Static Cases下各个子工况的最大Von-Mises Stress及Shear Stress结果图。同样，根据LR要求，该工况下Von-Mises Stress的材料利用因子不大于0.75；Shear Stress不大于110.25MPa（见图4），在靠近底边水舱的位置Shear Stress较大，出现了大于应力衡准的区域，需要针对LR要求，对该区域进行修改。

图3 Static Cases下Von-Mises Stress结果

图4 Static Cases下Shear Stress结果

3.4 屈曲结果分析

由于屈曲分析是基于净尺寸模型，需将原有限元模型转为用于屈曲分析净尺寸模型。同时，ShipRight会自动根据主要构件和次要构件作为边界，将各个板架生成用于屈曲计算的 PANEL单元，进行屈曲分析并显示结果。

采用Factor against Buckling(λ)作为屈曲评估依据，对于纵向构件，需要满足λ＞1；对于横向构件，需要满足λ＞1.1。图5为底部外板不符合屈曲衡准的区域，主要显示了3号货舱的底部外板部分。

图5 外底板屈曲不符合要求的区域

根据舱段有限元模型的屈服及屈曲计算结果，对不满足LR要求的区域进行结构尺寸或形式的修改，如增加板厚或增加加强筋。设计过程中控制修改范围，达到最优化的设计方案。同样对于应力较小的区域还可以适当减少板厚或构件，以降低材料重量。

4 船体总振动固有频率预报

船舶振动直接影响船体结构安全性和人员居住的舒适性，是船舶性能的重要指标之一。在船舶设计前期，为避免共振，降低振动响应，对船体梁固有频率的预报是相当重要的[4]。然而在开发设计阶段，往往资料及数据欠缺。因此通过几种经验公式，对于 LNG船进行总振动固有频率预报。随着设计的深入，进一步采用有限元法，对 LNG船进行总振动固有频率计算。同时，将经验公式计算得出的结果与有限元结果比较分析，探讨其对于LNG船进行总振动固有频率预报的适用性。

设计船在满载及压载状态下应用各方法计算的船体总振动固有频率结果见表3、4。