B型LNG独立舱结构的计算分析

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(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

目前营运的液化天然气(以下简称LNG)船舶货舱围护系统主要有薄膜型和独立舱型，独立舱型又分为A、B、C三型[1]。但是其核心技术均为国外公司所垄断，严重制约了国内相关产业的战略发展。

目前，对B型独立舱的研究较少[2]，根据DNVGL相关规范[3-5]，针对规范中给定的载荷工况，对自主设计的B型独立舱进行强度计算分析，通过屈服和屈曲强度计算，对独立舱结构中存在的问题进行探讨。

1 结构特点及计算模型

1.1 船型简介及货舱结构特点

本文计算对象为B型独立舱LNG船的货舱，作为其载体的船体主要参数见表1。船体布置形式为双层底、双层舷侧和单层甲板式结构，纵向布置4个货舱，隔舱为双层结构形式。

表1 B型独立舱LNG船主要参数 m

B型独立舱采用横向双舱设计，每个货舱内部中间设有一道横向制荡舱壁。在货舱底部和顶部设有支撑装置、止横摇装置、止纵摇装置和止浮装置。为了满足液化天然气低温的要求，货舱结构及相连接的支撑结构均采用9镍钢材料。

1.2 计算模型

采用MSC.PATRAN软件作为有限元计算的前后处理工具，进行舱段模型的创建、载荷及边界条件的施加、计算结果的处理等。MSC.NATRAN作为计算的求解器。采用DNVGL的PULS软件进行屈曲强度的校核。

根据规范要求，计算模型采用1个完整舱加2个边界半舱的船体和货舱模型。该范围内的船体和货舱主要结构，包括独立舱的支撑和止摇装置均需相应的有限元单元进行模拟。具体为水密和主要支撑构件腹板采用板单元模拟，纵骨、主要支撑构件面板及加强筋采用梁单元模拟，支撑装置的垫木采用弹簧单元模拟[6]。其中板单元主要采用四节点的矩形网格单元，梁单元为两节点的一维单元。除了舱段粗网格的计算外，还需要对应力集中区域采用50×50的细网格单元创建细网格模型。见图2、3。

2 工况及计算载荷

DNVGL规范指出，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，所以装载工况的选择必须基于能获得最大应力响应的内外部压力载荷和船体梁载荷组合的工况。本次计算有10种工况，包括完整航行状态时连续装载和隔舱装载下的静载荷工况和各种动载荷工况，还包括船体破损工况及港口工况，其说明见表2。这些计算工况综合考量了货舱结构及支撑结构的屈服和屈曲强度。

表2 载荷工况简介表

规范中的海水动载荷基于北大西洋环境10-8概率水平波浪载荷，计算海水静压力和动压力需参照DNVGL相关规范。货舱内部压力载荷的计算如下。

静压力载荷：psta.=ρcghz+p0;

垂向动压力载荷：pdyn_V=ρcg(1+az)hz+p0;

横向动压力载荷：pdyn_T=ρcghz+p0+ρcghyay。

其中：p0为货舱蒸汽压力，屈服强度计算是规范指定值，屈曲强度计算时取p0=0。

根据不同的载荷类型，需要施加不同的边界约束条件，此计算中包括船体梁载荷边界约束、局部对称载荷边界约束和局部非对称载荷约束3种，船体梁载荷边界约束示意于图3。根据载荷类型选择边界条件，最后根据载荷工况将计算结果叠加。

3 弹簧单元的迭代问题

货舱通过支撑装置与船体连接，支撑装置由货舱支座、船体支座和垫木组成(见图1b)。货舱在发生运动时，货舱与船体也会通过止摇装置的垫木进行接触。计算采用弹簧单元模拟垫木在力学表现上与实际的垫木是有差异的，在货舱和船体的相对运动中，垫木只承受压力，而模拟后的弹簧既承受压力也可以承受拉力。所以在进行计算时需要将受拉的弹簧单元从模型中删除，经过多次计算及弹簧单元调整后完成迭代，而且针对每种计算工况都需要进行弹簧单元的迭代，具体迭代过程见图4。

通过迭代，最终获取所有受压的弹簧单元，并把每种工况下的弹簧压力统计出来。通过弹簧压力的分布，优化调整支撑装置的布置，以降低最大压力水平。根据最终的弹簧压力结果，选择典型工况下的支座作为进行细网格评估的对象。而每种工况下的压力数据作为后续支座细网格强度校核的载荷数据，并对支座进行强度校核和优化。

4 强度校核及分析

货舱结构及其相连的支座采用的9镍钢，其屈服强度为490 MPa，抗拉强度为690 MPa。规范规定了不同结构不同工况的许用应力值和屈曲强度衡准(见表3)，以及不同工况类型的细网格的评估衡准。其中，应力采用von Mise应力作为评判应力。

表3 屈服和屈曲衡准表

4.1 屈服强度分析

1)主要构件。按规范分类，该部分结构是指独立舱的主要支撑构件，包括水平桁、垂直桁和横向强框架。根据计算结果显示：水平桁和垂直桁连接肘板趾端、横向强框架靠近支座处以及水平桁大肘板自由边等多处位置均存在不符合屈服强度要求情况。见表4。

表4 主要构件的屈服强度校核

2)次要构件。该部分是指独立舱的外壳、水密横舱壁、水密纵舱壁和制荡舱壁的连续骨材。计算结果显示均符合要求。

3)第三类构件。该部分是指独立舱的外壳、水密横舱壁、水密纵舱壁和制荡舱壁的板材部分。从计算结果可以看出，对于独立舱的外壳，只有底部局部区域在LC10工况时不满足要求外，均满足规范屈服强度要求。水密纵舱壁基本满足屈服要求，只有局部区域在LC10工况时不满足要求，见图7。应力过大的原因是该区域靠近水平纵桁转角趾端处，而载荷工况中包含有纵向加速度载荷，导致剪切应力过大而不满足。对纵向舱壁不满足要求的区域增加板厚后，计算结果显示满足规范要求。水密横舱壁和制荡舱壁均符合屈服强度要求。

4.2 屈曲强度分析

屈曲的计算采用DNVGL的PULS软件进行计算，根据不同板架选择典型的受压板格，从MSC.PATRAN中提取应力数据进行处理后输入PULS软件，并定义板格的几何属性、材料属性以及边界属性等，根据板架的形式分为加筋板格屈曲校核和非加筋板格屈曲校核。

计算结果显示，独立舱的水密纵舱壁和横舱壁基本满足屈曲要求，独立舱外壳底部区域有部分不满足屈曲要求。水平桁与纵舱壁相连区域有部分板格不满足要求。强框架、垂直桁和底部纵桁除了少数板格外基本满足要求。部分区域增加一定板厚，其他区域增加加强筋均满足屈曲要求。

4.3 高应力区结果分析

本文选取了水平桁肘板趾端高应力区、垂直桁和底部纵桁连接肘板趾端以及横向强框架部分高应力区作为研究对象，分别对该区域进行细网格的应力计算。

对于水平桁肘板趾端，从粗网格屈服计算可以看出，很多工况下均显示应力过大。由于粗网格不能很好地模拟该区域，应力水平可能失真。从细化模型的计算结果来看，部分区域的应力符合细网格的衡准要求，但仍然有部分区域超过了细网格的应力许用值。局部区域增加板厚后应力满足规范要求。

垂直桁和底部纵桁连接处在LC10工况下，细网格应力水平仍然超过许用值，见图8。趾端区域通过增加板厚后有效降低了应力值，见图9。

对于横向强框架的细化网格计算，其应力水平仍不满足要求，从计算结果来看，除了腹板有应力集中外，面板也有部分不满足要求。通过修改面板尺寸及厚度并增加腹板厚度后，应力值降低到许用值以下，见图10、11。

5 结论

计算分析结果表明，不满足规范要求的主要是：①独立舱水平桁肘板趾端区域；②靠近支撑装置、止摇装置和止浮装置的横向强框架和桁材部分区域特别是结构形状变化区域。据此，对独立舱结构不满足规范要求的区域进行结构加强，改进后的货舱结构可满足规范要求，证明了独立舱结构设计的可行性，也可为后续同类型的独立舱结构设计提供参考。由于各家船级社的规范并不相同，后续可以针对其他船级社的相应规范进行计算并作比较研究。

[1] 时光志,盛苏建.中小型LNG运输船设计关键技术[J].中国造船，2011(2):40-47.

[2] 陈潜,刘俊,唐文勇.独立B型LNG船液舱结构晃荡研究[J].舰船科学技术，2015(9):12-15.

[3] DNV-GL. CLASSIFICATION NOTES No.31.12 July 2013[S].2013.

[4] DNV-GL. RULES FOR CLASSIFICATION OF SHIPS July 2011[S].2011.

[5] DNV-GL. USER MANUAL FOR NAUTICUS HULL PULS July 2015[S].2015.

[6] 朱彦,洪涛,李小灵.21 000 m3乙烯运输船的优化设计[J].船舶与海洋工程，2016(3):16-21.

[7] 谢永和,吴剑国,李俊来.船舶结构设计[M].上海:交通大学出版社，2011.

[8] 李邦国,路华鹏,胡仁喜.Patran 2006与Nastran 2007有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2011.