独立B型LNG船液舱结构晃荡强度研究

陈 潜，刘 俊，唐文勇

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海200240;2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240)

0 引 言

由于能源消费的持续增长，海上液化天然气运输量不断增加，世界范围内投入使用的LNG 船的数量也逐年增加。2011 年，世界LNG 运输船统计的数据表明全球共有355 艘LNG 运输船［1］，而这一数量在未来10 年中有望翻一番，并且新设计与建造的LNG 船的装载量普遍在155 000 m3以上，这给造船界带来了巨大的机遇与挑战。LNG 船是国际公认的高技术、高难度、高附加值的产品，掌握设计与建造LNG 船的各方面技术，抓住全球LNG 船发展的机遇，对我国船舶行业至关重要。

目前，LNG 船的储罐系统主要有独立B 型和薄膜型2 种。其中独立B 型包括Moss 型和SPB型，而薄膜型包括GTT No96 型、Mark III 型和CSI型。这几种储罐系统各有利弊，此前，工业界广泛使用的是薄膜型液舱，其次是Moss 型，国内外对薄膜型和Moss 型液舱的研究比较多［2-5］。当设计装载量较大时，Moss 型储罐系统因为球罐直径的限制，只能通过增加船长来增加装载量，而船长的增加会带来稳定性下降和船体总强度方面的一些问题，这使得Moss 型储罐系统在大型LNG 船的应用上处于劣势。相对比较成熟的薄膜型储罐系统则受到液舱内液货晃荡作用的影响较明显，舱内的液位受到严格限制，此前也有几艘薄膜型LNG 船因为晃荡而产生船舶事故的实例，对于其在大型LNG 船上的应用需要对其液舱晃荡进行充分的分析计算，保证薄膜舱壁结构在非常大的晃荡载荷作用下不会失效。而SPB 型储罐系统由于有制荡舱壁的存在，对舱内的液位没有限制，晃荡产生的影响较小，同时还具有蒸发率低，液舱维修方便等优点，但由于其建造工艺复杂且技术提出较晚，对其的研究和应用目前都较少。但随着大型LNG 船的需求增加，SPB 型储罐液舱在晃荡问题上的优异表现将使其得到更多的应用。

本文研究对象为某170 000 m3独立B 型LNG 船(SPB 型)。和以往的LNG 船相比，目标LNG 船舱容大，且为自撑式的独立B 型棱形液舱，对此类大舱容的新型LNG 船液舱晃荡进行研究十分必要。本文在DNV 相应规范要求下进行液舱结构晃荡强度研究，同时通过使用块单元和接地弹簧单元分别对垫块进行模拟，对比其在相同晃荡载荷作用下的响应，研究这2 种模拟方式对独立B 型LNG (SPB 型)液舱结构晃荡强度分析的影响。研究成果可为我国独立B 型LNG 船(SPB 型)液舱结构晃荡强度评估提供参考依据。

1 设计载荷

1.1 设计晃荡载荷

液体晃荡是极为复杂的一种流体运动现象，具有强烈的非线性和随机性。而液体晃荡与液舱结构变形两者的耦合作用又使液体晃荡问题更为复杂。LNG 船航行状态下的变速、摇摆等运动形式都会引起液舱内的LNG 晃荡。因为大型LNG 船液舱内的自由液面长，晃荡情况下的液体压强变化幅度大，需要对晃荡问题给予充分的关注。学术界对晃荡现象的研究方法分为理论研究、实验研究和数值计算三大类。

针对本文研究的某170 000 m3独立B 型LNG 船液舱，根据DNV 相应规范［6］，晃荡载荷计算准则为以下2 个方面:

1)对于距离横向制荡舱壁和端部横舱壁范围内的构件，压力为:

对于距离纵向制荡舱壁和舱边舱壁0.25bb范围内的构件，压力为:

式中:lb为横舱壁或完全有效横制荡舱壁之间的距离;bb为纵舱壁或完全有效纵向制荡舱壁之间的距离;ρ 为液货密度;L 为船长;B 为型宽。

2)与制荡舱壁和端部舱壁邻近的强框架，压力为:

与制荡舱壁和端部舱壁邻近的桁材构件，压力为:

式中:lb为有效晃荡长度;bs为有效晃荡宽度;Pbhd为制荡舱壁和端部舱壁上的压力;s 为强框架或桁材与舱壁的距离。

1.2 设计静水载荷

根据DNV 规范，液舱在承受晃荡载荷的同时还有静水压力和蒸汽压力的作用，蒸汽压力取0.7 bar施加在液舱水密边界上，静水压力取最危险的充装容积进行加载。

图1 给出了横摇和纵摇2 种情况的设计载荷示意图。

图1 横摇和纵摇设计载荷示意图Fig.1 Pressure of roll and pitch condition

2 LNG 船结构有限元模型

2.1 LNG 船及液舱尺度介绍

170 000 m3独立B 型LNG 船(SPB 型)结构形式为双壳、双底结构，液舱设置制荡舱壁。独立B型LNG 船(SPB 型)为自撑式，其液舱侧壁与船体无接触，通过液舱底部和顶部的垫块与船体结构接触。其主尺度为总长290 m，垂线间长278 m，型宽46 m，型深27 m，设计吃水12 m，载货量170 000 m3，航速19.5 kn，液舱尺寸为总舱长50 m，总舱宽38 m，舱高28 m。液舱材料为9%镍钢。

2.2 结构有限元模型

采用MSC. PATRAN 软件建立LNG 船液舱有限元模型，x 轴指向船首为正，y 轴从右舷向左舷为正，z 轴垂直向上为正。模型采用板梁组合结构，液舱板及桁材采用板单元模拟，小型骨材采用梁单元模拟，大型骨材采用板单元和梁单元结合方式模拟，模型网格尺寸与纵骨间距一致为800 ×800 mm。图2 为国外某SPB 型液舱资料与本文目标液舱有限元模型对比图，从图中可看到制荡舱壁及舱内结构。

图2 国外某SPB 型液舱资料与本文目标液舱有限元模型对比图Fig.2 Comparison of SPB type tank in foreign material and target tank FEA model in this research

2.3 垫块

目标LNG 船液舱与船体在舱顶和舱底部通过垫块连接，垫块主要分为垂向垫块、反横摇垫块和反纵摇垫块。垫块为只受压不受拉单元，在有限元模型中，分别通过块单元和接地弹簧单元对其进行模拟。如果在计算结果中，块单元或接地弹簧单元为受拉的情况，就将块单元或者接地弹簧单元剔除，进行下次计算，如果计算结果中所有块单元或者接地弹簧单元都处于压缩状态，则停止计算。

进行分析比较的模型分别为块单元模拟垫块模型(模型1)和接地弹簧单元模拟垫块的模型(模型2)。这2 个模型中，对反纵摇垫块的x 方向位移进行约束，对反横摇垫块的y 方向位移进行约束。其中，模型1 在块单元上施加固定约束，模型2 由接地弹簧单元作为接地约束。

图3 和图4 给出了2 个模型的边界条件示意图。

图3 模型1 边界条件Fig.3 Model 1′s boundary conditions

图4 模型2 边界条件Fig.4 Model 2′s boundary conditions

3 计算结果及分析

通过有限元静力分析，表1 给出了横摇和纵摇工况下主要构件的最大应力结果，图5 和图6 分别给出了模型1 和模型2 在横摇和纵摇工况下主要框架的应力云图。

表1 主要构件最大应力计算结果Tab.1 Maximum stress of main members

图5 模型1 主要框架应力云图(横摇和纵摇工况)Fig.5 Von Mises stress of model 1′s main frames (roll and pitch load case)

图6 模型2 主要框架应力云图(横摇、纵摇)Fig.6 Von Mises stress of model 2′s main frames (roll and pitch load case)

从应力、变形结果可看出:

1)液舱结构在横摇和纵摇工况下，主要表现为液舱侧板和水密横舱壁较大的弯曲变形。这是由于目标LNG 舱容较大，并且独立B 型LNG 船(SPB型)四壁并没有受到船体的支撑作用，在比较大的静水载荷作用下产生的合理变形。

2)液舱内部的水平桁材、横舱壁垂直桁材和横框架上应力结果较大，最大应力集中在这些桁材的拐角处，这是由于桁材附着在舱壁上变形被拉伸而在拐角处引起的应力集中。

3)模型1 和模型2 分别通过块单元和接地弹簧单元对垫块进行模拟，可以看出，两者的有限元计算结果相近，尤其是对液舱内部结构的有限元计算结果基本没有影响，因此可认为两者都是有效的对垫块模拟方法。

4 结 语

对大型液化天然气船的晃荡强度进行有效评估是确保LNG 船在运营过程中保持安全的重要内容之一。本文通过对独立B 型LNG 船(SPB 型)结构的有限元模型化以及规范晃荡载荷的计算，采用直接计算方法对170 000 m3LNG 船在横摇和纵摇2 种情况下的液舱结构强度进行了计算评估，并通过使用块单元和接地弹簧单元分别对垫块进行模拟，研究这2 种模拟方式对独立B 型LNG (SPB 型)液舱结构强度分析的影响，计算结果表明:

1)除应力集中效应影响，无论横摇还是纵摇工况下，应力水平均满足总强度要求;

2)在通过有限元考察SPB 型LNG 船液舱晃荡效应时，可以进行适当简化，用接地弹簧单元或者块单元来对垫块进行模拟;

3)由于制荡舱壁的存在，SPB 型LNG 船在大舱容情况下，晃荡表现良好，液舱大部分区域应力都远小于许用应力，液舱内部水平桁材、横舱壁垂直桁材和横框架的拐角处应力水平普遍较大，需要引起关注。

［1］朱小松，谢彬，喻西崇.LNG/LPG 液舱晃荡研究进展综述［J］.中国造船，2013，54(1):229 -236.ZHU Xiao-song，XIE Bin，YU Xi-chong.Research progress of liquid sloshing in LNG/LPG tanks［J］. Shipbuilding of China，2013，54(1):229 -236.

［2］祁恩荣，庞建华，徐春，等.薄膜型LNG 液舱晃荡压力与结构响应试验［J］. 舰船科学技术，2011，33(4):17-24.QI En-rong， PANG Jian-hua， XU Chun，et al.Experimental study of sloshing pressure and structural response in membrane LNG tanks［J］. Ship Science and Technology，2011，33(4):17 -24.

［3］滕蓓，祁恩荣，陆晔，等.大型LNG 船液舱晃荡结构动响应研究［J］.舰船科学技术，2012，34(4):7 -12.TENG Bei，QI En-rong，LU Ye，et al.Structural dynamic response study of large LNG carriers under sloshing impacts in tanks［J］.Ship Science and Technology，2012，34(4):7-12.

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［5］滕蓓，陆晔，祁恩荣. LNG 船液舱围护系统结构极限承载力研究［J］.舰船科学技术，2012，34(2):36 -39.TENG Bei，LU Ye，QI En-rong.Research on ultimate limit state for liquid natural gas cargo containment system［J］.Ship Science and Technology，2012，34(2):36 -39.

［6］DNV.Hull structural design，ships with length 100 metres and above［S］.July，2013.