VLGC支承基座设计分析

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

液化石油气船与常规船型的不同点之一就是需要布置支承基座，用来限制独立舱的垂向、横向和纵向位移[1]。针对某VLGC船，介绍支承基座的设计与校核方法,该船设计参考英国船级社(LR)的规范和直接计算指南[3-4]，同时满足IGC CODE的要求[5]。有限元分析校核过程采用Patran软件建模，Nastran求解以及后处理分析软件Shipright进行后处理。

1 支承布置初步设定

基座一般布置在船体强框位置处，根据该船船体和液舱结构形式，垂向支承基座S、防纵摇支承基座LP以及底部防横摇支承基座LR布置在船体内底板上，顶部防横摇支承基座UR布置在船体甲板，止浮支承基座AF布置在液舱顶部斜板上。基座因位置不同所承受载荷有较大差异，特别是在纵向，因此垂向支承、防横摇、止浮支承基座分为A、B、C三种规格以便节省材料。基座支承初步设定见图1。

2 有限元粗网格分析

该船的粗网格模型建模要求与常规船型大致相同，网格大小为肋距/纵骨间距[6]。对支承基座，在粗网格分析中进行简化建模，采用Spring单元来模拟木块树脂在此处产生的作用，基座的粗网格模型见图2。为了准确模拟木块树脂的作用，对Spring单元的建模、属性设定和分析要求较高。

Spring单元要保证方向一致性，对于同一种类型基座的Spring单元，单元轴向要保持一致不能存在夹角。例如该船所有垂向支承基座的Spring单元轴向与主坐标Z向平行。

Spring单元为一维弹簧单元，通过定义弹簧的弹性刚度、阻尼、单元的节点自由度等实现。该船Spring单元刚度为

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式中：H1、H2为木块、树脂的厚度，mm；E1、E2为木块、树脂的弹性模量，MPa；A1、A2为木块、树脂的垂直受压方向的截面积， mm2。

弹簧单元节点的自由度可以依据木块受压的方向及参考的坐标系。例如，在主坐标系下，垂向基座弹簧单元node1和node2的自由度选择为UZ，防横摇基座弹簧单元node1和node2的自由度选择为UY，防纵摇基座弹簧单元node1和node2的自由度选择为UX，止浮基座弹簧单元自由度的设定进行了简化，其node1和node2的自由度也选择为UZ。

弹簧单元不仅能够承受压力还能承受拉力，实际上木块只承受压的状态，因此对弹簧单元进行迭代分析。当有弹簧单元承受拉力时，应把受拉弹簧单元删除，重新对模型进行计算，直至所有的弹簧单元仅承受压应力。在具体的分析过程中一般认为迭代计算5次就可达到目的。要想确定弹簧单元受拉还是受压，首先要明确弹簧的方向，例如：当垂向支座的弹簧单元矢量方向沿-Z向时，读取的弹簧力为负值则表示弹簧受压，反之受拉。根据LR船级社的指导意见，弹簧单元矢量方向设定的原则为：垂向支座与止浮支座的弹簧单元矢量方向设定为-Z向，防横摇支座的弹簧单元矢量方向为-Y向,防纵摇支座的弹簧单元矢量方向设定为-X向。

3 基座压力分析

船体舱段有限元计算分析可以得到船体结构应力响应以及弹簧单元所承受的压力，舱段分析要进行多种工况校核，每个工况下基座承担的压力会有所不同。因此要对所有工况下的压力值进行比较，筛选出每个基座所承担的压力最大值。具体步骤为：①从计算结果中读出每个弹簧所受的力；②对属于同一基座的弹簧进行求和，得到基座所承受的压力；③对每个工况下基座所受的压力进行比较选出最大压力值。部分统计结果见表1。

表1 基座承受压力的部分统计表格(负值表示受压)/N

4 支承布置图修定

对基座的承载压力分析后依据各基座的承载能力修改支承布置。如：顶部防横摇减少了布置的数量，进行隔档布置；前舱壁外侧的垂向支撑能力不足增设了一个B型支座等。修改后的布置图见图3。

图3 修改后的支承布置

根据修定的布置图修改粗网格模型重新计算，再次统计每个基座承载的压力。根据计算的结果选取典型基座进行网格细化。选取的主要依据一是在同类型基座中所承担的压力最大；二是基座所在的位置及其加强结构具有一定的代表性。

对基座的细网格进行分析，包含对基座结构细节的强度校核和疲劳校核。细网格模型的建模要求参考船级社规范，不同的网格大小其校核衡准是不同的。基座强度校核的细化模型见图4。

图4 基座细网格模型

模型细化后嵌入到舱段粗网格模型中进行加载计算分析。此时可以只选定危险工况进行细网格计算分析，以便节省分析时间。计算后检查模型结果，对不满足强度要求的结构进行优化，重新加载计算。细网格分析就是一个对模型不断计算、优化的过程，最终使得结构满足强度要求。

5 基座校核方法优化

5.1 木块模拟单元的选取

采用Spring弹簧单元来模拟木块的作用，以此来传递液货舱与船体之间的载荷。Spring单元迭代计算过程比较简单，对计算机配置的要求不高，通用性强。但是Spring单元的特性是同时能够承受拉压力，因此在分析过程中需要根据上次计算的弹簧力把所有受拉Spring单元删除后重新迭代计算。此种迭代计算方法可能对最终的弹簧力造成一定的误差，受拉Spring单元删除后弹簧力重新分布，在删除的Spring单元中可能出现重新受压的单元。此方法计算产生的误差在衡准可接受范围内，不影响工程的实际应用。

在研究中发现也可以选取gap单元来模拟木块的特性，gap单元为一维非线性接触单元，可以定义压缩刚度、拉伸刚度、剪切刚度等属性。定义gap单元的压缩刚度值而令拉伸剪切刚度为零，在分析时木块受压gap单元传递有效载荷，木块受拉gap单元传递载荷为零。如此，就能准确描述木块的特性，最终得到准确的木块受压载荷。采用gap单元来模拟木块，计算分析比较复杂，迭代计算耗时比较长，同时对计算机的配置要求很高，一般需要采用工作站进行分析。

5.2 粗网格中基座模型的简化

分析发现，可以简化基座模型来提高建模速度，节省分析工时，同时不影响最终的分析结果。在粗网格模型中某基座所承担的压力主要受布置位置、舱室自重、液货自重、货物加速度的影响，基座本身的影响不大。同时细网格分析时基座压力直接从主模型中读取，统计的基座最大压力值只做参考，对最终的细网格结果无影响。因此对该基座模型进一步简化，见图5。基座模型简化不仅可以提高建模的速度，而且可以减少对图纸的依赖(前期分析时不需要基座结构图完备)。对于基座模型简化同时也减少了spring单元的个数，节省对弹簧力的统计时间。

图5 基座的粗网格模型

5.3 木块模拟单元的不均匀受压

当基座木块受压时存在受压不均匀的情况，一侧受压严重，另一侧受压相对较轻。在有限元计算分析时由于木块模拟单元之间是相互独立的，彼此不传递载荷，使得单元受压不均匀状态更为严重。在本文细网格分析结果中，某基座的弹簧力见图6。左上角的弹簧力为1.19×106N，左下角弹簧力为3.45×105N，右下角的弹簧力为3.26×105N，同时在右下角的一些弹簧单元因为承受拉力而在迭代计算过程中删除。结果表明木块上的弹簧力相差较大，甚至出现一侧局部受拉的现象，这与木块的特性有一些差异，会使分析结果过于保守。通过学习研究发现，用实体单元来模拟木块可以降低压力过于集中的现象，以后细网格分析可将木块建成体单元进行计算。

图6 基座弹簧力图