基于有限元法的LNG舱罐体下加强结构强度设计

符传发　陈莉　孙文利　王昆明

摘 要：利用结构分析软件MSC Patran/Nastran，对某集装箱船的LNG罐舱结构建立有限元模型，对罐体支承结构进行在各种组合工况下的受力分析和强度计算，校核并完善加强设计方案，满足相关规范的要求，保证结构强度。

关键词：LNG舱；布置；下加强；上浮

中图分类号：U663.7 文献标识码：A

Abstract： Based on the finite element method， the LNG tank hold of a container ship is modeled and analyzed by the software MSC Patran/Nastran for various load cases and their combinations to ensure the LNG tank support structure meet the relevant rules requirements.

Key words： LNG tank； Arrangement； Strengthen； Floating

1 前言

此船型是我司首次建造的双燃料型集装箱船，本船入ABS级，液罐存放在船中区域FR76～FR85货舱之间主甲板下的LNG舱内，液罐及所装载液货的重力和垂向惯性力由与船体相连接的固定基座支撑，纵向、横向运动惯性力由相应的限位装置支撑。另外考虑到船舶破损进水后，空的液罐会上浮从而导致船舶结构损坏，因此还需要设置有限制液罐上浮的装置。整个液罐与船体结构多处相连接，这些连接装置形式复杂，受力大，需要对此进行详细的设计分析。

2 基本计算参数

3 LNG舱罐体支撑装置

LNG舱罐体支撑装置与其下加强结构形式：

本船LNG舱共布置了3个LNG罐，每个罐体各设置了1个弹性调节的装置，4个防止滚动装置，4个防止倾斜的装置以及4个防止上浮的装置。

每个罐体总自重为2 625 kN，每个罐体设置有4个防上浮装置，罐体重力与上浮力相等，上浮力由于4个防上浮装置与上部弹性装置承受，每个上浮装置与上部弹性装置受到的上浮力为525 kN。

弹性调节装置采用普通A级钢，屈服强度为235 N/mm2。

防滚动装置及下加强采用H36钢，屈服强度为355 N/mm2。

防倾斜装置及下加强普通A级钢，屈服强度为235 N/mm2。

防上浮装置采用H36钢，屈服强度为355 N/mm2。

3.1 罐体支撑装置

如图1所示。

3.2 罐体上部弹性调节装置与其详图以及其设计载荷

如图2所示。

3.3 防上浮装置与罐体承受自重装置与其受力情况

如图3所示。

4 LNG舱有限元模型

4.1 有限元模型范围

利用结构分析软件MSC Patran/Nastran建立有限元模型，LNG舱罐体下加强结构计算属于局部结构校核的范畴，边界选取的原则就是尽可能减少边界条件对中心区域的影响，但需考虑LNG罐的分布情况，本次有限元计算建立整个LNG舱模型，模型范围为：X = FR70～FR90；Y = 距舯-13 450 —距舯 +13 450；Z = 0 A.BL—17 360 A.BL。

有限元模型如图4所示。

4.2 有限元模型网格

LNG舱中船体各类板结构、强横梁、纵绗、肋板等的腹板以及舱壁采用4节点板壳单元模拟，尽量避免使用3节点板壳单元因为3节点板壳单元是常应变单元，会使应力加大，造成评估存在误差。次要构件及主要构件的面板和加强筋采用梁单元模拟，并考虑偏心。LNG罐体支撑装置与其下加强的板件与加强筋的腹板以及面板采用板壳单元模拟，网格大小为50 × 50 mm。LNG罐体罐体支撑装置与其下加强的趾端精确建模，为了网格长宽比不超过3：1，趾端采用20 mm的高度建模，

4.3 结构尺寸

根据规范要求，所有构件考虑2 mm的腐蚀余量。

4.4 边界条件

前后边界采用简支约束。

4.5 材料属性

船体所用材料为钢材，取弹性模量E =2.06×105 N/mm2，泊松比μ=0.3，密度δ=7.85 t/m3。

5 设计工况

根据液罐在船舶航行中存在的运动情况，我们考虑了以下5种计算工况：

（1）罐体自重时，每个罐体重量为2 625 kN如图1所示；

（2）在船舶航行过程中防止罐体上窜的弹性装置如图2所示；考虑船体结构的不对称，我们采取每隔90°为一个计算工况，三个货罐同时加载，罐体左右对称，故只计算左罐体与中罐体。故此装置存在了8个计算工况；

（3）船舶横倾时，引起罐体横倾的情况；

（4）船舶纵倾时，引起罐体纵倾的情况；

（5）考虑船舶破舱时候，罐体上浮情况。

6 计算结果

在计算的过程中发现设计院的详细设计图纸上遗漏了船舶破舱时防上浮装置的结构设计。

6.1 相当应力比较表格

见表1。

（1）罐体自重工况时，最大应力出现在中纵剖面上与D10940平台相连接的区域，规范许用应力为235 N/mm2，满足规范要求。

（2）上部弹性装置，最大应力出现在弹性装置与平台的连接区域，该区域应用H36钢，规范许用应力为355 N/mm2，满足规范要求。

（3）罐体纵倾和横倾工况时，最大应力出现上部的防滚动装置的肘板趾端区域，该区域采用了15 mm H36钢，规范许用应力为355 N/mm2，满足规范要求。

（4）罐体上浮工况时，D12240平台与木块接触区域应力都超出规范要求，应力过大。采用增加20 mm H36局部加厚板，最大应力出现在L9970纵剖与D12240平台的相连接处的FR78～FR380的风管围壁上，在该区域增加了大肘板来满足整体结构的刚性。规范许用应力为355 N/mm2，满足规范要求。

6.2 相当应力云图

6.2.1上部弹性结构应力云图

如图5所示。

6.2.2 罐体上浮应力云图

增加防上浮装置结构后相当应力云图如图6所示。

6.2.3 罐体横倾（纵倾）应力云图

增加防上浮装置结构后相当应力云图如图7所示。

从计算结果来看，在所有工况中，除了上浮工况下，结构的相当应力在规范许可应力范围之内。

在罐体上浮工况时，由于力的作用面积太小，最大应力达到1 430 Mpa，大大超出了钢材的许用应力。于是我们采取了在最初版详细设计图纸上对此区域增加板厚，并增加了三个加强肘板的结构优化方案，并把加强构件延伸到强结构上，注意避免（下转第页）（上接第页）

应力集中的情况，避免平台板开孔过大与过多，会引起平台板的刚性不足，从而引起局部应力过大，结构很难满足强度要求。

在罐体纵倾或横倾时，高应力出现在罐体基座的肘板端部区域，此区域尽量不要设计端部削斜的扶强材，因为端部容易有应力集中的情况。罐体下加强建议尽量采用高强度钢。

在布置通道、梯道的时候，应注意会因为平台开孔过大而引起局部强度不够，应尽量避免在高应力区开孔以及适当地优化结构形式和端部节点的方式来满足平台结构强度的要求。

7 结论

规范无法考虑LNG舱罐體支承结构在各种危险工况下的受力情况。通过有限元计算可以显示出LNG罐体支承结构在各种工况下的高应力区域，根据计算结果对结构进行调整满足规范的要求。