16 500 m3液化石油氣船無甲板弱結(jié)構(gòu)下水強度計算

張振坤，劉文斌，黃巍巍，徐鵬輝

(揚州大洋造船有限公司，江蘇揚州225107)

1 主要量度

16 500 m3液化石油氣船是揚州大洋造船有限公司為希臘船東建造的大型半冷半壓式液化氣船，掛利比里亞方便旗，無限航區(qū)，入BV船級社。該船為雙底、單殼、球鼻艏、單機、單槳，IMO 2G船型。該船設(shè)有3個貨艙，每個貨艙內(nèi)安裝1個“C”型獨立液罐，每個液罐容積5 500 m3，貨艙區(qū)主甲板上布置1個甲板液罐，最大載貨量16 500 m3，可裝運最低－48℃多種液化石油氣和化學氣體，包括乙烷、乙烯、無水氨、氯乙烯、丙烷等25種貨品。

船體主要量度:

16 500 m3液化石油氣船總布置圖見圖1。

本船除滿足BV船級社規(guī)范，國際公約(如SOLAS等)，還應滿足美國海岸警衛(wèi)隊USCG、澳大利亞聯(lián)邦水域航線要求及液化氣船諸多特殊的規(guī)范。

2 無甲板弱結(jié)構(gòu)強度分析和計算

2.1 無甲板弱結(jié)構(gòu)強度分析

由于液化石油氣船在船臺上受承載能力及設(shè)備起吊能力的限制，貨艙內(nèi)的液罐需在船體下水后進行吊裝，故在船臺建造時貨艙區(qū)域不安裝合攏頂邊艙分段和甲板分段。船舶將在大開口、無甲板弱結(jié)構(gòu)狀態(tài)下下水，即下水前貨艙區(qū)船體結(jié)構(gòu)尚不具備完整性，導致船體中段結(jié)構(gòu)的總縱強度和剛度都明顯削弱，船舶在下水過程中可能發(fā)生由于縱、橫向強度和剛度的不足引起的結(jié)構(gòu)變形或更嚴重的后果，直接影響船體自身的安全性。因此，對要分析的對象建立相應的力學/數(shù)學模型，運用先進的有限元分析軟件，對船舶在大開口下水時進行分析計算是否滿足安全下水要求。并根據(jù)計算分析結(jié)果，制定相應的工藝解決方案及措施。

2.2 無甲板弱結(jié)構(gòu)強度計算

下水時船舶狀態(tài)，貨艙大開口情況:

1號艙口:長33.95 m×寬23.1 m，2號艙口:長33 m×寬23.1 m，3號艙口:長32.8 m×寬23.1 m。

貨艙開口:橫向開口為21.6 m，占船寬100%;總長為99.75 m，占整個貨艙長度99.6%。

船舶下水時對船體強度按規(guī)范要求進行計算，得出以下數(shù)據(jù)如圖2所示。

由計算結(jié)果可知:

最大應力:222.3 MPa

舯橫剖面最小剖面模數(shù)W=0.992 7 m3

最小慣性矩I=8.509 1 m4

對應最大彎矩:Max BM=2.10×105kN·m

最大彎矩位置:Fr71

對應最大剪力:7.17×103kN 最大剪力位置:Fr43

圖1 16 500 m3液化石油氣船總布置圖

圖2 加強前的典型橫剖面模數(shù)及慣性矩計算

利用Patran軟件進行有限元分析，對船體下水變形進行計算，應變云圖如圖3所示。

圖3 貨艙區(qū)有限元計算應變云圖

由有限元應變云圖可知:無甲板弱結(jié)構(gòu)狀態(tài)下下水時，主船體變形很大，最大形變值為320 mm，對船舶安全下水產(chǎn)生了嚴重的隱患。

試算表明，船舶結(jié)構(gòu)強度和剛度明顯不足，不滿足船舶的安全下水要求。因此，必須對船體結(jié)構(gòu)制定相應的臨時加強方案，增大船體結(jié)構(gòu)強度及剛度，以實現(xiàn)船舶的安全順利下水。

3 臨時加強方案

考慮到加裝臨時加強及后續(xù)吊裝液罐作業(yè)時的方便性，且不影響后續(xù)的頂邊艙合攏，在盡可能簡化建造工藝，縮短建造周期的前提下選定了下述下水臨時結(jié)構(gòu)加強方案:設(shè)置一個強框架結(jié)構(gòu)，該框架結(jié)構(gòu)由2道沿舷側(cè)外板縱向分布，延伸至整個貨艙區(qū)域的箱型結(jié)構(gòu)，并首尾適當延伸;以及5道連接兩舷的橫向工字梁組合而成。具體的結(jié)構(gòu)加強方案如圖4所示。

圖4 臨時加強方案示意圖

對增加臨時加強后的船體舯橫剖面需重新進行計算，最大應力為127.8 MPa，舯橫剖面最小剖面模數(shù)為1.726 9 m3，最小慣性矩為13.869 9 m4。

與加強前相比:船體最小剖面模數(shù)增加74%，最小慣性矩增加63%。計算圖表如圖5所示。

對增加臨時箱型加強后船體進行下水時主船體變形模擬計算，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)規(guī)范計算和有限元計算結(jié)果可知:增加加強后，船體結(jié)構(gòu)模數(shù)和慣性矩顯著增大;計算最大應力明顯小于理論應力極限值，船體強度和剛度得到顯著改善。與箱型加強結(jié)構(gòu)前的320 mm最大變形量相比，增加箱型加強后的變形量僅為21.4 mm，遠遠優(yōu)于未做箱型加強方案前的狀態(tài)，達到了預期的技術(shù)要求。

圖5 加強后的典型橫剖面模數(shù)及慣性矩計算

4 結(jié)論

通過對下水時船體的總縱強度及橫向強度的計算分析結(jié)果可知，本船在無甲板弱結(jié)構(gòu)時不能滿足安全下水要求;在增加臨時箱型結(jié)構(gòu)加強后，船體結(jié)構(gòu)強度和剛度理論上完全滿足船舶在無甲板、無頂邊艙狀態(tài)下的弱結(jié)構(gòu)形式下水的安全要求。首次將規(guī)范計算和有限元局部計算2種方法應用到液化石油氣船的無甲板弱結(jié)構(gòu)下水中，為無甲板弱結(jié)構(gòu)下水的成功提供了較為充分的技術(shù)支持和理論依據(jù)。

圖6 增加臨時箱型加強結(jié)構(gòu)后應變云圖