基于有限元的船用LNG燃料罐疲劳损伤量化分析

2023-10-21汪家政陈泽滔聂钰明李同兰温小飞郁惠民

上海船舶运输科学研究所学报 2023年4期

汪家政, 陈泽滔, 聂钰明, 李同兰, 温小飞, 郁惠民

(1.舟山长宏国际船舶修造有限公司, 浙江舟山 316052;2.浙江海洋大学船舶与海运学院, 浙江舟山 316022;3.舟山市卓林船舶设计有限公司, 浙江舟山 316000)

0 引言

液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)作为绿色能源,具有高效、环保等优点,应用前景广阔,但存在很大的安全隐患,如易泄漏、易燃和易爆等。在船舶航行过程中,船体会受到波浪的冲击和LNG液体晃荡引起的惯性载荷的作用,这会使船上的LNG燃料罐承受交变应力[1],从而导致其构件疲劳断裂。若LNG燃料罐因疲劳损伤而断裂,进而引发LNG泄漏,会导致船舶发生火灾、爆炸和失控等事故,危及船员的生命和财产安全,故必须对LNG处理设施中与火灾和爆炸有关的危害进行研究[2]。

自20世纪90年代至今,全球各主要船级社一直在努力完善船体结构疲劳强度计算方法[3-4],中国船级社(China Classification Society,CCS)也发布了与船体结构疲劳强度有关的规范和指南[5-8],国际海事组织为此专门颁布了《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》和《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》[9-10]。船用LNG燃料罐的可靠性和安全性问题持续受到国内外学者的关注,有学者采用谱分析方法[12-14]和设计波法[15]对LNG运输船进行疲劳评估,也有学者对载荷和边界条件加载精准度[16]进行研究,但这些方法的有效性尚未完全得到验证。因此,为验证LNG燃料罐疲劳量化分析方法的可行性,本文采用有限元分析方法,结合《船舶应用天然气燃料规范(2021)》[11]相关要求,以ANSYS(19.0)结构计算数据为基础,利用疲劳曲线(即S-N曲线,其中:S为交变应力值;N为应力循环次数)、载荷谱和工况组合等对LNG燃料罐的疲劳损伤情况进行量化分析。

1 研究方法

1.1 疲劳分析法

疲劳分析法是以试验为基础构建的方法。现行的疲劳分析法大致可分为名义应力疲劳分析法、局部应力应变分析法、损伤容限设计法和疲劳可靠性设计法等4种[17]。

1) 名义应力疲劳分析法通过有限元分析找到应力危险点所在位置,根据装置结构载荷谱、材料S-N曲线和疲劳累积损伤准则计算得到构件的疲劳损伤情况。该方法中的名义应力为控制变量,考虑了载荷顺序和残余应力的影响,简单易行。

2) 局部应力应变分析法以最大局部应力应变相同为切入点,根据构件应力最大部位的应力-应变响应预测构件的疲劳寿命。该方法存在固有缺陷,即忽略了缺口根部附近应力梯度和多轴应力的影响,同时疲劳寿命的计算精度对疲劳缺口系数K的精度有很高的要求。此外,还要参照疲劳应力-疲劳寿命曲线,试验数据的获取难度比S-N曲线大。

3) 损伤容限设计法以断裂力学为基础,通过疲劳裂纹扩展和试验验证,保证裂纹在使用时段内不会扩展并导致结构受损,确保零件能安全使用。

4) 疲劳可靠性设计法基于数学概率统计理论对材料的属性、载荷施加次数及顺序进行统计分析,从而得到构件的疲劳寿命。目前机械系统的可靠性研究尚不成熟,且不能解决疲劳寿命评估问题。

综上,本文采用船级社认可的名义应力疲劳分析法进行计算分析,具体流程见图1。

1.2 S-N曲线法

材料的S-N曲线是评价结构疲劳情况的关键依据,根据文献[5],其所述S-N曲线(见图2)包含B、C、D、E、F、F2、G和W等8条曲线,X轴为应力循环次数N,Y轴为交变应力值S,各曲线对应不同形式的结构节点,曲线公式为

图2 文献[5]中所述S-N曲线

lgN=lgK-mlgS

(1)

式(1)中:K为S-N曲线参数,可通过查S-N曲线参数表得到;m为S-N曲线的反斜率,拐点左侧取3,右侧取5。

根据LNG燃料罐的实际焊接形式选定E曲线,查表得曲线的拐点坐标(N,Sq)为(107,46.814 7),将其转换成对数型式为(lg 107,lg 46.814 7),即为(7,1.67)。若E曲线拐点前后2段均为直线,则曲线表达式可整理为

y-1.67=a(x-7)

(2)

式(2)中:y和x分别为交变应力值S和应力循环次数N的对数值;a为直线斜率,图2中曲线上段斜率为-1/3,下段斜率为-1/5。

根据《船舶应用天然气燃料规范(2021)》的规定,可由LNG燃料罐的设计寿命确定其疲劳损伤情况,其长期分布载荷谱见图3[5],其中:Q为均布面荷载;Pi为循环载荷,可考虑8个循环载荷水平;ni为循环次数。Pi和ni的计算公式可分别表示为

图3 LNG燃料罐的长期分布载荷谱

(3)

ni=0.9×10i

(4)

式(3)和式(4)中:i的取值范围为1～8;P0为概率水平为 10-8的载荷。

2 LNG燃料罐建模与仿真

2.1 计算流程

根据LNG燃料罐的结构参数,首先在软件SolidWorks中建立LNG燃料罐的几何模型,采用ANSYS Workbench网格模块对其进行网格划分。为简化计算,将部分结构简单的部件(如筒体、鞍座等)设置为壳网格,将结构和受力复杂的部件设置为实体网格。设置边界条件、约束和加载,并进行工况组合,在ANSYS求解器中进行计算。疲劳损伤计算流程见图4。

图4 疲劳损伤计算流程

2.2 几何模型

LNG 燃料罐为鞍式支座支撑的冷热隔绝双壳结构,内外罐壳体采用 8组连接件连接固定,连接件均分布在罐体靠近封头前端和后端位置。LNG燃料罐几何模型见图5,主要由内外罐体、内外加强圈、鞍式支座和冷箱等组成。鞍座支座可根据固定形式分为F型和S型2种,其中:F型底板为圆形螺栓孔,完全约束固定;S型底板为长圆形螺栓孔,允许相对滑动。连接件由多个部件组合而成,其中:在固定端的连接件由玻璃钢、固定卡套、上垫片、下垫片和定位环等组成(见图6a);在滑动端的连接件由玻璃钢、固定卡套、上垫片和下垫片组成(见图6b)。

图5 LNG燃料罐几何模型

图6 连接件局部放大剖视图

2.3 有限元模型

ANSYS提供了自适应、映射和扫略等3种网格划分方法。为兼顾准确性并服从适当简化建模的原则,采用Solid单元对夹层8个支撑件进行网格划分,采用Shell单元对内外筒体、封头、鞍座、冷箱和加强圈等结构进行网格划分。各部件的网格参数设置见表1;网格模型见图7。

表1 各部件的网格参数设置

2.4 物性参数

18 m3船用LNG燃料罐内外罐体和鞍座材料选用不锈钢S30408;内外罐体间的支撑材料选用玻璃钢D3848。LNG燃料罐的基本设计参数、玻璃钢D3848的材料性能和不锈钢S30408的材料性能分别见表2、表3和表4。

表2 LNG燃料罐的基本设计参数

表3 玻璃钢D3848的材料性能

表4 不锈钢S30408的材料性能

2.5 仿真计算

根据船级社规范[11,18]的要求,在对LNG 燃料罐进行疲劳仿真分析时应考虑疲劳载荷组合工况,以组合工况下的计算结果为依据进行疲劳分析和安全评估。主要工况包括前冲2g(g为重力加速度)、前冲-2g、侧冲g、侧冲-g、上冲g、下冲2g和装卸等。此外,还需考虑不同内罐充装率的影响,即100%、75%、50%和20%等。各工况下的外部载荷主要有加速度载荷和压力载荷(包括气体压力和液货惯性力)2种,其中:内罐体内壁受到气体压力和液货惯性力的作用,均布在燃料罐运动方向投影面上;外罐体内壁受到-0.1 MPa真空度的作用(即内外罐体之间的空间呈真空状态,表压为-0.1 MPa);燃料罐整体受到相应工况下的惯性加速度的作用。不同工况对应的载荷施加情况见表5。

表5 不同工况对应的载荷施加情况

表5中的液货投影面压力P的计算公式可表示为

P=cρngV/A

(6)

式(6)中:c为充装系数,取值为0.95;ρ为充装物密度,取值为470 kg/m3;n为系数,一般情况下取值为1;V为罐体容积,取值为18 m3;A为投影面积,取值为3.97 m2。

组合工况主要有横向、轴向、垂向和装卸等4种情形,对应的处理方式分别为侧冲g减去侧冲-g、前冲2g减去前冲-2g、上冲g减去下冲2g和内罐设计压力填充。

3 结果量化与分析

3.1 累积损伤比

考察各组合工况下的计算结果,识别各部件的最大应力点(即应力热点),并提取应力热点对应的节点编号,以节点编号为评价点计算得到各部件应力热点的第一主应力(S1)和第三主应力(S3),最后取二者中的较大值作为该部件的最大应力值。此外,100%、75%、50%和20%充装率下的热点应力值以100%充装率为基础,分别乘以 1.0、0.8、0.6和0.4之后估算得到,且4种充装率情况的时间占比可根据实际的LNG使用情况确定,若为连续使用情形,可取均分的时间占比权重0.25。根上述计算方法计算出各应力热点的总损伤比,进一步加权(时间占比权重)之后得到累积损伤比。在横向、轴向、竖向组合工况和装卸工况下各得到4个节点,共计16个应力热点。这16个应力热点在3种组合工况下的疲劳载荷的累积效应见表6～表8。