B型独立舱支撑结构的计算分析

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(沪东中华造船(集团)有限公司 开发研究所，上海 200129)

B型独立舱支撑结构的计算分析

姚雯，耿元伟，张汇平，江克进

(沪东中华造船(集团)有限公司 开发研究所，上海 200129)

考虑到采用B型独立舱的船舶独立舱的支撑结构设计的重要性，根据支撑结构承受载荷特点，通过弹簧单元模拟支撑结构中的垫木以获得支座强度校核时的载荷数据，将该载荷施加在支座的有限元模型上进行计算分析，对支座进行强度校核及优化，从而获得合理的支撑结构型式。

B型独立舱；支撑结构；有限元

近年来，天然气作为清洁能源日益被全球能源市场看好，我国LNG船需求量大增。实船应用的大型LNG船的液货围护系统有球罐型(MOSS)、薄膜型(Membrane)和SPB型。3种应用于实船的大型LNG船围护系统技术均属国外。随着我国能源结构调整带动我国LNG产业链尤其是LNG运输船和浮式LNG装置需求的增加，研发我国自有知识产权的低蒸发率、操作与维护方便的新型围护系统极为必要。独立舱的支撑结构连接船体与液货舱，其设计除必须考虑液货舱和货物的垂向载荷外，还必须考虑横向和纵向加速度载荷，因此，该支撑结构的强度计算显得尤为重要。

1 支撑结构的设计

计算对象选择某B型独立舱液化天然气船，其主要参数见表1。

表1 B型独立舱液化天然气船主要参数 m

在最初的方案设计中，主要考虑支撑结构的功能性进行设计，考虑到承受载荷特点及整体布局，设计了5种类型的支撑结构。该船的支撑结构包括了位于货舱底部的Vertical Support,Anti-pitch, Anti-rolling lower和位于货舱顶部的Anti-rolling upper,Anti-floting 5种类型。底部支撑结构布置见图1。

图1 底部支撑结构布置

支撑结构由垫木和金属支座组成，本文主要分析金属支座部分。Anti-pitch和Anti-rolling除了需要承受垂向载荷外，还承受纵向和横向载荷，因此支座结构的典型型式见图2。

图2 典型支座型式

2 计算原理

根据DNV规范CN31-12的要求，进行相关舱段有限元和支座强度的分析计算。舱段有限元计算除了校核液货舱的屈服和屈曲强度外，其中涉及的支座首先通过舱段有限元计算获得承压支座的压力载荷，然后施加在支座的模型中进行强度分析。

2.1 舱段有限元计算

采用MSC/PATRAN软件建立舱段模型(见图3)，该有限元模型包括评估的中间完整舱和2个边界半舱模型，并包括支撑结构。其中，垫木采用Spring单元进行模拟，其他结构采用板单元和杆单元进行模拟。

图3 舱段有限元模型

设计载荷是由船体装载手册中的实际装载工况来决定的。计算载荷分为船体梁载荷、海水压力、货物压力、蒸汽压力、运动加速度等。根据规范要求的装载工况，将载荷施加在模型上。围护系统支座设计须考虑支座能够承受围护系统及液货的静、动载荷。液货舱支座模型布置见图4。

图4 液货舱支座模型布置

边界条件根据载荷不同而不同，主要分为3种，船体梁载荷对应的边界、对称局部载荷对应的边界和非对称载荷对应的边界，计算时根据不同类型的载荷施加不同的边界条件，见图5。

图5 船体梁载荷下的边界条件

本文计算舱段有限元模型中采用Spring单元模拟垫木，Spring单元可以受拉力和压力，而垫木只承受压力。因此，通过多次迭代，将每种计算工况下的受拉Spring单元从该计算的有限元模型中移除，仅留下只承压的Spring单元，具体迭代过程见图6。

图6 迭代流程

迭代完成后，将每种工况下的Spring单元所受的压力值读取出来，对于每一种类型的支座编制相应的压力表格，选出压力最大值的支座位置和对应的工况，作为典型支座进行强度校核和优化。

2.2 支座的计算

舱段有限元计算完成后，将根据压力选出来的典型位置的支座细化成50×50网格大小并过渡到自然网格大小，模型范围至结构刚度较大处。将典型工况的计算载荷施加在此有限元模型上，把舱段有限元模型对应工况的节点位移值映射到对应的支座模型边界上(见图7)，由NASTRAN进行求解计算。支座模型边界约束见图8。

图8 支座模型边界约束

3 强度校核及优化

以Anti-pitch支座作为例子。在最初的方案设计完成后，其结构强度需要根据规范要求进行直接强度计算分析。通常初步设计时，支座强度不会满足规范要求，需要进行多次的方案改进，从结构型式，到材料及板材规格等方面进行改善。根据有限元计算结果，需要有针对性地进行增加构件或增减厚度，见图9为改进过程中的3种典型型式。与液货舱相连的结构材质为9%Ni，与船体结构相连的材质为E36或E40，其评估衡准根据规范要求也不相同，见表2。

图9 支座方案的改进图

表2 细网格强度衡准 MPa

该支座主要承受垂向和纵向载荷，强度校核时选择垂向最大和纵向载荷最大的2种典型工况进行分析，根据图9所示的3种结构状态时的应力云图见图10、图11。其中，在垂向最大载荷下，与垫木直接接触的支座水平板应力较大，在结构改进时，从增加板厚到增加加强筋，最后调节板厚同时增加加强筋，目的是优化支座的应力分布以满足强度要求等。

图10 纵向载荷最大工况时应力云图

图11 垂向载荷最大工况时应力云图

4 结论

在舱段有限元计算时，采用Spring单元模拟垫木，通过迭代的方式将不符合要求的Spring单元从计算的模型中移除。根据舱段有限元的计算结果筛选出极限工况下的支座位置，并将该位置处支座进行细化，通过细网格模型的计算分析，对支座进行加强及优化。

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Direct Strength Analysis for Support Structure of the Independent Type-B Tank

YAOWen,GENGYuan-wei,ZHANGHui-pin,JIANGKe-jin

(Ship Research & Development Department, Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co. Ltd., Shanghai 200129, China)

The design of support structure is very important to the independent type-B tank. According to characteristics of loads acting on the support structures, the support wood was modeled with spring element to assess strength of the support structure by finite element method (FEM). In light of the numerical results of direct strength analysis, the support structure can be optimized.

independent type-B tank; support structure; FEM

U663

A

1671-7953(2017)06-0028-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.006

2017-04-01

2017-04-28

工信部“新型液化天然气船液货围护系统预先研究”项目(Z1215E01)

姚雯(1984—)，女，学士，工程师

研究方向：结构开发设计