超大型集装箱船的B型LNG燃料舱结构强度分析

2020-11-27刘晓媛郑文青张玉奎王连成

舰船科学技术 2020年5期

刘晓媛，郑文青，张玉奎，王连成

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 北京中远海运船舶贸易有限公司，北京 100020)

0 引言

集装箱船相比传统货船具有货物装卸效率高、能保证运输质量、码头停靠时间短等优点，集装箱船的尺度和形式也随着时代的需求不停更新换代，集装箱船的大型化是一个突出特点。目前超大型集装箱船在全球主要班轮航线上的配置比例快速提高[1]，超大型集装箱船采用液化天然气（LNG）作为辅助燃料的趋势也日趋明显。采用天然气作为燃料一方面能降低船舶运营成本，另一方面有利于满足IMO对船舶氮氧化物和硫化物排放日趋严格的要求。

尽管市场上有小型集装箱船采用C型舱作为LNG燃料动力方案的经验，但对于20 000箱级别的超大型集装箱船而言，C型舱方案难以适用。薄膜型围护系统在舱容利用率和结构重量方面具有优势，但其制造和维护成本高，建造周期长，在不限制装载时可能面临严峻的晃荡问题；B型独棱形独立舱采用平板型舱壁结构形式，具有较高的舱容利用率，内部结构可有效抑制晃荡，用于较大舱容的燃料舱具有优势[2-3]。

本文以一型采用双燃料动力的20 000箱超大型集装箱船为研究对象，介绍一种针对B型LNG燃料舱的结构设计与强度分析方法和流程

1 结构设计

双燃料动力的20 000 TEU超大型集装箱船，全长约400 m，宽约58 m。采用B型独立舱作为其LNG燃料舱形。B型燃料舱舱内部设有1道中纵制荡舱壁，舱内设有主要横向强框、水平强框及纵向强框等主要支撑构件，并采用纵骨架式的板架形式。舱体结构采用耐-163 ℃低温的9%镍钢，主船体与舱底之间设置有各类支座结构，例如垂向支座、防纵摇支座和防横摇支座等。另外燃料舱顶部与主船体间也设有若干防纵摇与防横摇支座，以增强对燃料舱在船体纵摇，横摇以及前冲等运动下的约束作用。燃料舱支座与船体支座间使用强度高且隔热性能良好的层压木连接。

图 1 LNG燃料舱沿船长方向的布置Fig. 1 Location of LNG fuel tank along longitudinal direction

2 波浪载荷预报

根据IGF Code（International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint Fuels）要求，B型燃料舱的结构分析应考虑所有动、静载荷的影响，对不规则波浪中的船舶加速度和运动，以及船舶及液货舱对这些力和运动的响应。因此需要对船舶进行直接波浪载荷预报，获得船体运动加速度的长期预报结果，从而确定燃料舱处的运动和受载情况。本文采用Hydrostar软件进行波浪载荷预报，需要建立船体质量模型和湿表面模型，水动力网格如图2所示。

图 2 波浪载荷预报水动力网格Fig. 2 Hydrodynamic mesh for wave load forecasting

通过三维绕辐射势流理论，计算作用在船体上的波浪载荷，获得波浪诱导的船体剖面的剪力与弯矩载荷响应传递函数，并根据船舶运行海况的波浪分布情况，对作用在船体上的波浪载荷进行短期和长期的预报[4]，波浪载荷预报的流程如图3所示。

图 3 波浪载荷预报流程Fig. 3 Process of wave load forecasting

计算波浪剪力和弯矩时，波浪频率按照波长船长比例范围进行选取，波浪频率范围为0.1～2.0 Hz，步长为0.05 Hz，共39个频率；浪向角取0°～350°，步长为10°，共36个浪向，波频与浪向组合可得1 404个单位波幅的规则波，可得出较为全面的结果。航行工况的波浪载荷均采用长期预报方法，各个浪向出现概率相等，海况采用北大西洋波浪散布图，载荷参数控制取1 0-8超越概率。

根据长期预报的加速度结果，可以获得LNG燃料舱受到的局部压力载荷。

3 燃料舱结构强度分析

超大型集装箱船的B型LNG燃料舱的结构强度分析流程如图4所示。首先进行直接波浪载荷长期预报，获得燃料舱的加速度，计算燃料舱内部压力载荷，建立包含燃料舱结构的舱段有限元模型，并对模型施加载荷与边界条件进行分析，根据初步计算结果筛选较高应力区域进行细化分析。

图 4 超大型集装箱船LNG燃料舱结构强度分析流程Fig. 4 Process of structural strength analysis for ultra-large container ship′s LNG fuel tank

3.1 舱体结构的分析

舱体结构分析的目的，一方面对舱体结构进行强度校核，另一方面为后续的支座模型详细计算提供载荷与边界条件。舱体分析获得的各个支座处的支反力，是支座强度详细分析的必要输入条件。

舱段模型包含所有水密结构、主要支承构件、纵向构件和加强筋，主要构件均采用板单元、梁单元和杆单元进行模拟。燃料舱网格大小取纵骨间距，船体网格大小取主要支承构件间距[5]。舱段模型如图5所示。

层压木是液货舱和船体连接的纽带，起到隔热作用，同时也是力的传递途径，因此需要根据实际力的相互作用情况合理的进行模拟。由于各种类型的支座层压木均设计为受拉时液货舱和船体会脱开，而只有压紧的时候才会接触，因此层压木只能承受压力而不能承受拉力，采用和层压木支撑方向刚度相同的非线性gap单元进行模拟。层压木与支座支撑面板间的空隙一般采用环氧树脂填充，对于第i个层压木块结构，设Kwood,i为层压木的压缩刚度，Kresin,i为环氧的压缩刚度，则层压木和环氧合成的等效压缩刚度Ki由下式确定[6]：

图 5 货舱有限元模型Fig. 5 Finite element model of cargo hold

主船体有满载和压载这两种装载状态，对于每一种装载，设计工况均包括正浮状态和倾斜状态，每种工况组合不同的吃水，波浪弯矩、波浪剪力、船体加速度等参数，以模拟实际运营过程中各种不利的受力情况。设计工况考虑了静水压力、波浪载荷、压载水压力和LNG燃料舱的内压力。除以上工况外，还根据IGF Code规定的静水中向左倾斜30°、静水中向右倾斜30°、0.5 g加速度前冲和0.25 g加速度后冲的特殊工况进行了校核。

舱段模型的边界条件采用一端刚性固定，另一端施加剪力和弯矩的方式进行，同时将目标位置的剪力和弯矩调整到目标值。在自由端使用刚性MPC单元连接所有纵向连续构件节点，使得端面在受力变形后仍为平面。

3.2 支座结构的分析

支座结构是B型燃料舱结构的关键部位之一。燃料舱的支座局部模型采用50 mm×50 mm的细网格建模以较为准确的模拟支座的形状，采用板单元模拟钢结构部分，采用体单元模拟层压木。以一典型的垂向支座结构为例，层压木受到燃料舱的垂向压力和水平摩擦力作用，如图6所示（深色箭头代表层压木所受压力，浅色箭头代表摩擦力）。垂向压力可通过读取舱段模型中的gap单元受力得到。摩擦力大小等于垂向压力与摩擦系数的乘积，摩擦力方向分别指向船首、船尾、左舷和右舷方向。在层压木的端面施加垂向压力和摩擦力，且载荷均分到单元表面的各个节点上。

图 6 支座的载荷施加Fig. 6 Load applying on support structure

局部细网格模型的边界条件由舱段模型的计算结果确定，舱段模型与局部模型边界对应的节点将位移和转角继承给局部模型，作为局部模型计算的边界条件。

3.3 强度校核衡准

根据IGF Code要求，对于采用镍钢制造的B型舱，其等效膜应力应不小于Rm/2 与Re/1.2 的小者，Rm为最小拉伸强度，Re为最小屈服强度。

对于结构不连续处的细化网格区域（100 mm ×100 mm），相当应力应满足以下要求：

非焊接区域单元应力

式中： σv为Von Mises应力，许用应力，对于网格尺寸小于100 mm × 100 mm的单元，其相当应力 σv可由100 mm × 100 mm范围内的单元进行应力平均后获得。

4 计算结果与设计改进

LNG燃料舱舱段计算的典型评估区域包括舱体顶板、底板、横舱壁、边板、中纵舱壁、纵向与垂向桁材、横向强框架与水平桁等区域。

初步设计方案的计算结果如图7左侧结构所示，由于横舱壁结构跨度较大，水平桁端部过渡结构区域应力水平过高，应力集中较为明显。优化设计方案中通过在横舱壁之间增加撑杆结构，增加了水平框架的整体强度，如图7右侧结构所示，使得水平桁应力分布更加均匀，结构优化后最大应力由389 MPa下降至323 MPa，满足衡准要求。

优化设计后，各区域在不同工况下的最大合成应力，如表1所示。