LPG船大型分段运输动力学分析

宋 阳， 马 骏

(大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连 116024)

LPG船大型分段运输动力学分析

宋 阳， 马 骏

(大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连 116024)

以83 000 m3超大型全冷式液化气船双层底分段作为研究对象，根据实际模型图纸数据建立分段运输模型，主要分析其在不同运输工况下动力学特性。在设置运输环境时，主要分析路面不平整和紧急刹车两种运输工况对分段结构可靠性的影响。通过分析出的大型分段运输最佳工况，为提升船厂建造LPG船等高端船舶的效率提供参考。

LPG船；大型分段；运输动力学；非线性有限元法；接触分析

0 引言

船体分段运输动力学是研究船体结构可靠性的学科，指在船舶建造过程中，由平板车运送船体分段过程中，对船体分段的强度、变形状况及稳定性的研究。运输动力学研究起始于20世纪50年代，现阶段主要集中在汽车业，汽车运输动力学方面有代表性的著作是德国MITSCHKE和WALCENTOWITZ[1]编著的汽车动力学。美国GILLESPIE[2]教授也全面介绍了车辆动力学的基本工程原理及汽车性能的分析方法。国内有代表性的著作是张洪欣[3]教授的汽车系统动力学和喻凡、林逸[4]教授所著的汽车系统动力学。合肥工业大学的史沛瑶[5]基于Adams/CAR软件，根据路面激励的分类建立了整车运输包装系统动力学模型。在对LPG船分段的研究中，大多采用隐式有限元分析法，通过建立LPG 船舱段的三维有限元模型，对其进行动力学分析[6]。

虽然大型货物运输动力学的相关研究已经在国内外取得了一些成果，但是在这些研究成果中多数是偏宏观和定性的陈述。针对大型货物运输可靠性而开发的许多系统，也多是面向大型货物运输前期工作中的路线规划。对于实际运输过程中影响大型货物运输可靠性的相关因素却鲜有涉及，而为数不多的涉及安全稳定性的研究也只是处于理论推导阶段。实际上，大型货物运输过程中存在着多种安全问题，例如：货车上坡时其牵引力和产生的摩擦力能否满足不发生相对移动的条件；下坡时制动力多大才能保障可靠性；路面不平整度对运输过程的影响；等。本文选取LPG船分段建立计算模型，针对运输过程中路面不平整激励、不同车速紧急刹车激励等特殊运输工况以及如何施加载荷做详细的计算与分析。

1 数值计算模型

1.1 数值方法

采用非线性有限元法求解接触载荷，在求解非线性问题的有限元方法中，Lagrange描述增量法是较常用的方法之一。在使用Lagrange方法中，节点作为形成网格的基础成员分布在研究对象上，各个节点之间通过有序连接形成特定单元，网格则由这些特定单元组合而成。在变形分析中，节点、单元都随着结构材料一起移动，单元质量恒定。

1.2 模型的建立

LPG船大型分段运输模型主要包含：LPG船分段、墩木和平板车3个部分。其中，LPG船分段选取的是83 000 m3全冷式LPG船的左舷典型双层底大型分段。该分段模型重176.8 t，纵向尺寸为16.9 m，横向尺寸为18.3 m，垂向尺寸为6.75 m。墩木边长1.2 m，宽0.8 m，高0.5 m，共15个。墩木作为分段与平板车之间的过渡支撑，位于旁桁材与框架肋板交界处下方，如图1所示。

图1 LPG船大型分段、墩木和简化平板车模型

在大型分段建模过程中，通常将横截面较小的梁结构使用线单元建立，通过定义截面属性的方式来模拟梁的效果，但是这样就会影响模型中与其相近肘板等结构的尺寸。为了让模型分析结果更加准确，在建立船体分段模型的过程中，全部使用面单元Shell 163建立，平板车的承载面也由Shell 163单元建立，考虑平板车自身特性，将此模型中的平板车视为刚体。墩木模型及平板车承载面下方简化轮胎模型所用单元为Solid 164单元[7]。

2 多种运输工况仿真计算

2.1 分段运输中基础参数设置

在设置分段运输模型的基础参数时，重力加速度为9.8 m/s2，墩木与平板车之间的最大静摩擦系数为0.4，滑动动摩擦系数为0.35。图2为平板车静止情况下的计算结果，以供比较。

图2 平板车静止时分段模型3个方向的时程曲线

由图2a可以看出，水平方向(X向和Y向)两个加速度保持为零，而竖直方向(Z向)的加速度由于初始阶段受重力作用影响，墩木和分段受到冲击而发生振荡。

2.2 分段运输中紧急刹车工况

特大型平板车的刹车时间通常约1 s，紧急刹车时间约为0.4 s，最大行驶速度为5 km/h。由限制滑移的条件可知，紧急刹车时加速度a<3.92 m/s2。考虑LPG船分段的特殊性，设定4种工况分别对模型进行分析。紧急刹车工况中约束平板车简化轮胎模型在竖直方向上的位移，平板车运行总时间为10 s。4种工况如表1所示。

表1 紧急刹车激励载荷

2.3 分段运输中承受路面不平整激励工况

假定平板车运输分段过程中，在各种路面不平整激励载荷作用时行驶速度均为v=0.8 m/s，平板车运行总时间均为10 s，根据路面不平整激励的级别，设定了4种激励载荷，详细数值如表2所示。

表2 路面不平整激励载荷

3 结果分析

截取分析过程中的前4 s结果，如图3～图6所示。

3.1 紧急刹车激励对分段运输可靠性的影响

图3为分段模型在3个方向上加速度的变化情况以及静止状况下分段3个方向上的加速度比较。从中可以看出，在紧急刹车激励工况下分段模型只在Y方向上的加速度有较大变化，可知紧急刹车激励对Y方向的动力学特性影响较大。因此，本文以刹车激励对Y方向上动力学特性的影响为例，分析分段运输过程中的动力学特性。

图4为不同行驶速度下平板车与分段的时程曲线。从中可以看出，平板车和分段在1.8 s(刹车)～2.2 s，速度曲线保持不变，这表明两者受到相同的加速度作用，速度减小趋势相同，平板车与分段之间没有产生滑移，此过程为平稳刹车。

图3 不同行驶速度分段模型加速度时程曲线

图4 不同行驶速度时平板车与分段速度时程曲线

图5 不同车速紧急刹车激励对分段行驶方向最大应力及应变影响

除了宏观地分析分段运输过程中的稳定性之外，还需要定性地分析分段模型在运输过程中的受力及变形情况。表3列出了4种紧急刹车工况下分段运行方向的最大应力与应变值。

表3 各工况结果数据统计

图6 不同路面激励下分段模型加速度时程曲线

根据表3的数据绘制变化曲线，得到不同车速下紧急刹车激励对分段行驶方向最大应力及最大应变的影响，如图5所示。

从图5中可以看出，在紧急刹车时间同为0.4 s的条件下，随着平板车行驶速度的增加，分段行驶方向最大应力和最大应变均不断增加。由最大应力曲线可以看出，在考虑紧急刹车时间为0.4 s时，此分段运输过程应控制运行最大速度为0.8 m/s，以保证分段紧急刹车中最大应力不超出屈服极限235 MPa而产生塑性变形。

3.2 路面不平整激励对分段运输可靠性的影响

在ANSYS/LS-DYNA中计算4种路面不平整激励工况，结果如下。

由图6中后3个工况的加速度变化情况与工况一分段3个方向上的加速度变化情况比较可知，分段模型在Z轴方向上的加速度有较大变化，故路面不平整激励工况对Z轴方向上的动力学特性影响较大。因此，本文以路面不平整激励对Z轴方向上动力学特性的影响为例，分析分段运输过程中的动力学特性。由计算结果列出4种工况下竖直方向最大应力值及最大应变值，如表4所示。

表4 4种工况结果数据统计

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根据表4的数据，在Excel软件中绘制变化曲线，得出不同路面不平整激励对分段竖直方向最大应力及最大应变的影响，如图7所示。

图7 不同路面激励对分段竖直方向最大应力及最大应变影响

从图7中可以看到，随着竖直方向路面不平整激励的增加，分段在竖直方向上的最大应力在不断增加，在竖直方向上的最大应变也在不断增加。由于制造分段所用的钢材屈服极限为235 MPa，假设平板车行驶速度保持为v=0.8 m/s，则当路面竖直方向激励值大于22.5 mm时，分段结构强度容易遭到破坏，行驶过程应小心避免。

4 结语

以LPG大型分段为研究对象，采用有限元法对其进行动力学分析，得到如下结论：

(1) 为保证紧急刹车时LPG船分段的可靠性，平板车行驶速度应限制在0.8 m/s以内。

(2) 当平板车以0.8 m/s速度行驶时，大于22.5 mm的竖直方向激励易使分段遭到破坏，应谨慎避免。

[1] (德)MITSCHKE M, WALLENTOWITZ H.汽车动力学[M].4版.北京：清华大学出版社,2009.

[2] (美)GILLESPIE T D.车辆动力学基础[M].赵六奇,金达锋，译.北京：清华大学出版社,2006.

[3] 张洪欣.汽车系统动力学[M].上海：同济大学出版社,1996.

[4] 喻凡,林逸.汽车系统动力学[M].北京：机械工业出版社,2005.

[5] 史沛瑶.重型货车运输过程动力学建模分析及货物可靠性影响因素研究[D].合肥：合肥工业大学,2013.

[6] 梅明.全压式LPG船结构强度直接计算研究[D].武汉：武汉理工大学,2013.

[7] 张红松,胡仁喜,康士延,等.ANSYS 14.5/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].3版.北京：机械工业出版社,2013.

Dynamics Analysis of Large Block of LPG Ship in Transport

SONG Yang, MA Jun

(Department of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning， China)

Taken the block size of 83 000 m3double bottom LPG ship as the research target, the establishment of transportation model block is based on the data of actual model drawings. The dynamic characteristics of the block in different transportation conditions are mainly analyzed. When the transportation environment is set up, the uneven pavement excitation and the emergency braking are taken into account. The best transportation environment of large block size can provide references for the efficiency improvement of advanced shipbuilding such as LPG.

LPG ship; large block; transport dynamics; nonlinear finite element method; contact analysis

宋 阳(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋结构物振动及强度分析研究。

U673

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