大型高冰级破冰LNG船结构设计

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海200129)

全球未开发的油气储量约1/4分布在北极，随着全球变暖，北极地区油气开采步伐正在加快。亚马尔项目是我国在俄罗斯实施的首个特大型能源合作项目，是目前全球在北极地区最大的LNG工程，针对该项目的船舶订单需求，沪东中华开发出具备艏艉双向自主破冰能力的大型极地破冰型LNG船目标是可全年通航北极航线。为此，基于国际船级社协会(IACS)规范的PC冰级和俄罗斯规范设计满足PC3、PC4和Arc7高冰级要求的结构方案，通过有限元直接计算模拟冰载荷对船体结构的影响并与规范计算结果进行比较。

1 中剖面布置及计算

本船的中剖面布置是在常规的LNG船几何形状与结构布置的基础上，对局部结构进行优化以满足极地冰区加强的强度要求。由于冰带上沿在15338平台下方，从舭部往上到15338平台处设置成横骨架式，纵骨调整为2倍原始间距设置一档较大的T型材，见图1。将横舱壁和强框架冰带范围内的肋板上的扶强材加密，见图2、3。

图1 横骨架式

图2 横舱壁扶强材加密

图3 强框架扶强材加密

先用LR的RulesCalc软件对中剖面进行常规的规范强度校核，然后进行冰区加强方面的计算校核，最后综合考虑innerdeck和innerbottom处总弯曲应力不超过120 MPa和动应力幅值不超过80 MPa的要求，以及冰载荷造成的中垂弯矩影响，完成满足总纵强度和局部构件强度的中剖面结构规范计算校核。

2 冰区加强区域划分

冰区加强区域的划分跟船体线型、主尺度等密切相关，采用不同的骨架型式对结构尺寸有重要影响。PC和Arc冰级的冰区加强区域划分方式截然不同，PC冰级冰带划分规则见图4，Arc冰级冰带划分规则见图5。该船PC冰级冰区加强区域划分见图6，Arc冰级冰区加强区域划分见图7。考虑艏艉双向破冰，将Arc7的冰区加强区域里艉部C区域调整为类似艏部的A和A1区域。艉部相应的区域界限再根据艉部的参数b划分。艉部区域的A1区域由A1-I、A1-II、A1-III、A1-IV4个区域合为1个A1-I区域，要求更为严苛。

图4 PC冰级的冰带划分规则示意

图5 Arc系列冰级的冰带划分规则示意

图6 PC冰级的冰区加强区域划分，外板展开示意

图7 Arc冰级的冰区加强区域划分及外板展开示意

3 各区域骨架型式的选取布置

冰区加强区域的骨架型式和骨材间距的选取需根据经验和计算结果反复优化。冰载荷较大区域采用横骨架式优势明显，艏艉冰区加强区域采用横骨架式，船中区域冰带范围采用横骨架式，底部部分冰载荷较大的区域也采用横骨架式，其余区域采用纵骨架式，靠近货舱艏艉端的底部区域采用加密的纵骨架式。该船骨架型式分布见图8，云线内区域采用横骨架式，云线外区域采用纵骨架式。

图8 全船骨架型式分布示意

4 PC冰级与Arc冰级的校核方法

PC冰级的冰载荷基准值为Bow区域，其他冰区加强区域的计算所用冰载荷用Bow区域的基准值乘以各自的AF系数进行折减，AF系数通过查规范表得到。Bow区域冰载荷基准值计算公式如下。

P=F0,22C2DAR0,3

(1)

F=faCCΔ0.64

(2)

AR=7.46 sinβ′AR≥1.3

(3)

式中：fa为形状系数，根据其他公式计算；Δ为排水量，t；β′为考虑位置处的横截面轮廓线在水线高度处沿垂直方向的切角，(°)；CC和CD查规范表。

PC冰级共分10个冰区加强区域，采用不同的冰载荷进行计算，LR的Rulescalc软件里集成了PC冰级计算的规范公式，各个区域不同的骨架型式采用单独的表格分别进行校核。

Arc冰级的冰区加强区域见表1。Arc冰载荷基准值分为AI区域、A1I区域、BI区域，其他垂向的冰区划分区域计算所用冰载荷值为各自I区域的基准值乘以akl系数进行折减得到。该船线型决定A区域也只考虑AI，没有II，III，IV区域。

表1 双向破冰的Arc7冰级所需计算区域

AI、A1I、BI区域冰载荷基准值相关的计算公式如下。

(4)

(5)

(6)

式中：a1、a2、a3为系数，取值2.95、3.06、1.84；vm为各个区域里形状系数v的最大值。

垂向II、III、IV区域载荷值为I区域载荷值做相应折减，折减值查规范表。

冰区加强区域板和骨材的强度校核根据规范里板的最小厚度和骨材的最小剖面模数计算公式编制电子表格进行计算。

5 PC3、PC4与Arc7冰级分析对比

从冰区加强区域划分来看，PC与Arc冰级在垂向分布的高度值比较接近，尤其船舯区域的垂向分布非常相似，只是PC的Ml区域近似于Arc冰级的BII和BIII区域的并集。显著不同的是中部区域Arc比PC范围明显缩小，而Arc艏艉区域和艏艉及舯部过渡区域的范围明显较大。Arc艏部的各区域界限位置跟线型因素相关性更大，对线型角度值更为敏感。

PC3、PC4与Arc7各区域计算所得冰载荷压头值见表2。

表2 PC3、PC4与Arc7各区域计算所得冰载荷压头值 MPa

由表2可见，在艏艉区域Arc7比PC4和PC3的冰载荷要大得多，而船中底部和舭部区域则PC4比Arc7都略微大些，PC3比Arc7大得更多。综合比较，Arc7和PC3要求相对接近，PC4要求则低一些。Arc7冰级在艏艉区域大面积使用E500钢级，部分厚度超过40 mm且设计环境温度达-50℃的区域板材甚至需用到FH500钢级，Arc7整体厚度要比PC4厚约30%，比PC3厚约15%，而PC冰级底部区域板厚却又大于Arc7，Arc7采用横骨架型式的区域更大一些。

6 有限元直接计算分析冰载荷对主要支撑构件的影响

外板及普通骨材通常用规范校核即可，而局部开孔和切口在冰载荷的规范计算里没有考虑。所以，与外板相接的非水密肋板、舱壁和强桁材等主要支撑构件的校核，船级社通常推荐使用有限元直接计算校核。为了评估冰载荷对强桁材、平台和肋板的挤压影响，创建局部有限元模型见图9(假设船舶左右冰载荷环境一致)。

图9 船舯局部有限元模型

模型两端边界条件采用刚固约束，根据BV船级社规范Note NR527里直接计算的设计冰载荷相关要求，该模型只施加结构吃水深度的静水载荷以及设计冰载荷，载荷大小选用PC4冰级规范计算值，模型涉及Mi、Ml、Mb3个冰区加强区域，各区域分别采用折减后的设计冰载荷值。PC4冰级对应的载荷施加范围为垂向厚度为1.252 m，水平方向连续的带状均布冰载荷，将该冰载荷分别施加在Mi、Ml、Mb3个区域的强桁材处两排外板单元上(高度约等于1.252 m)，见图10。

图10 边界条件及冰载荷施加示意

外板区域的应力分布见图11。

高应力区域集中在冰压加载的3个区域，其中Mi区域冰压加载处的应力最高，约400 MPa，此处构件的材料为E500超高强钢。

平台和肋板区域的应力分布见图12。

图12 平台和肋板区域的应力分布云图

为对比开孔影响，将模型中一档肋板的开孔封闭。从计算结果可见，在冰载荷附近且靠近外板处肋板的应力值明显大于其他区域，尤其带开孔的肋板应力值已超过构件的屈服值315 MPa，开孔封闭处肋板的应力值略微超标。有限元计算结果与规范经验公式结果比较可见，外板比较接近，但肋板处有限元结果应力偏大，这与有限元模型考虑了开孔和切口因素有关。

7 结论

1)冰层冰载荷分布方向主要是水平的，纵骨架式肋骨也是水平方向，而横骨架式肋骨方向为垂直的且通常更为密集，在同样冰载荷面积下，横骨架肋骨与外板组成的板架结构能更为有效地抵御冰层的挤压和碰撞，因此在冰载荷较大区域采用横骨架式结构性价比更好。

2)Arc冰级各冰区加强区域界限位置(尤其艏艉区域)对线型角度变化值非常敏感。从冰区加强区域看，舯部区域范围比PC小很多，而艏艉及艏艉和舯部过渡区域的范围Arc则要大得多，可见高冰载荷加强区域范围Arc更大、相对更保守。在艏艉区域的冰载荷值(尤其是艏艉双向破冰时)Arc7>PC3>PC4，而船舯底部和舭部区域的冰载荷值Arc7

3)有限元模拟高冰级的冰载荷直接计算结果显示船舯区域外板及普通骨材与规范经验公式的计算结果比较接近，其他主要支撑构件如平台、肋板、桁材等构件的有限元计算结果大于规范经验公式计算结果，符合预期，验证了模拟冰载荷直接计算的可靠性，可为后续模拟冰载荷校核其他冰区加强区域的主要支撑构件提供参考。

高冰级的LNG船舶结构设计在国内尚处于探索阶段，本文工作可为后续其他冰区航行的LNG船结构设计提供参考。