LNG船絕緣層對晃蕩載荷緩沖效應研究

王嫣然 ，劉 俊，莊志鵬，唐文勇

（1海洋工程國家重點實驗室（上海交通大學），上海 200240；2德勞工業(yè)服務（上海）有限公司北京分公司 北京 100020）

LNG船絕緣層對晃蕩載荷緩沖效應研究

王嫣然1，劉 俊1，莊志鵬2，唐文勇1

（1海洋工程國家重點實驗室（上海交通大學），上海 200240；2德勞工業(yè)服務（上海）有限公司北京分公司 北京 100020）

文章采用動力學響應對比方法研究LNG船絕緣層對晃蕩載荷的緩沖效應。首先引入緩沖系數(shù)概念，然后建立No96型LNG船液貨艙有絕緣層模型和無絕緣層模型，通過晃蕩軟件計算晃蕩載荷，對比兩種模型在相同晃蕩載荷下的動力學響應，得出緩沖系數(shù)，并通過討論晃蕩載荷參數(shù)確定No96型LNG船舷側(cè)處絕緣層緩沖系數(shù)的范圍。

LNG船絕緣層；晃蕩載荷；緩沖系數(shù)；動力學響應

1 引 言

近年來新興市場要求LNG船能夠適應部分裝載的工況，而部分裝載可能導致嚴重的液貨艙晃蕩問題，船體結(jié)構可能會由于晃蕩所產(chǎn)生的局部砰擊壓力而發(fā)生破壞，因而晃蕩局部強度分析是LNG船設計的重要環(huán)節(jié)。液艙晃蕩載荷可以采用波高函數(shù)法、MAC法、VOF法和LEVEL-SET法等[1]進行計算。針對晃蕩沖擊載荷下絕緣層強度校核，英國勞氏船級社[2]和美國船級社[3]給出了相應的規(guī)范，Cho[4]采用全局—局部方法進行了實船絕緣箱水彈性分析。對于船體局部強度的校核，莊志鵬等[5-6]針對No96型LNG船體結(jié)構晃蕩強度評估方法給出了建模建議并提出了完整的評估方法。

由于LNG船液艙溫度需要維持在-163℃左右以保持天然氣處于液化狀態(tài)，設有阻止液艙與外界進行熱量交換的絕緣層。No96型LNG船絕緣層包含兩層絕緣箱，絕緣箱內(nèi)部設有隔板，箱子中填充膨脹珍珠巖。若以船體結(jié)構為目標進行局部強度分析，絕緣層對晃蕩載荷起到緩沖作用。鑒于試驗或數(shù)值計算得到的是液艙主屏蔽面上的晃蕩沖擊載荷，莊志鵬等[6]提出了晃蕩沖擊載荷下艙壁結(jié)構局部強度的簡化分析方法，在絕緣層緩沖效應已知的前提下，運用該方法進行晃蕩載荷下船體結(jié)構局部強度分析時，可以省略絕緣層，從而大大簡化建模及計算工作量，使得分析具有更好的操作性，故此研究絕緣層的緩沖作用對船體局部強度分析很有必要。

本文首先引入了緩沖系數(shù)這一概念用于表征絕緣層緩沖效應的大小，提出了緩沖系數(shù)的計算方法，并針對某20萬噸級No96型LNG船No.2液貨艙舷側(cè)處絕緣層計算不同晃蕩載荷參數(shù)下的緩沖系數(shù)，確定了該結(jié)構類型的LNG船絕緣層緩沖系數(shù)范圍，研究成果可為我國進行LNG船體結(jié)構設計及晃蕩強度分析提供有效參考。

2 絕緣層緩沖系數(shù)及其計算方法

2.1 晃蕩局部強度分析

晃蕩沖擊載荷下船體結(jié)構晃蕩強度分析有兩種方法：一種是建立包括絕緣層的船體局部結(jié)構有限元模型，在絕緣箱表面施加試驗或計算得到的晃蕩沖擊載荷，進行船體結(jié)構動響應分析，這種方法模型復雜，計算量大，英國勞氏船級社在文獻[2]中對該方法有一定描述；另一種是在絕緣層緩沖系數(shù)已知的情況下，絕緣層效應通過緩沖系數(shù)體現(xiàn)，從而無需在模型中建出。

2.2 緩沖系數(shù)的引入

為反映絕緣層的緩沖效應本文引入緩沖系數(shù)這一概念，將其定義為相同晃蕩載荷作用下有絕緣層模型和無絕緣層模型最大動力學響應之比。

動力學響應的特征變量主要有兩種，分別為應力與位移。當選用應力為變量時，參照動砰擊壓力的“折減系數(shù)”[7]概念定義緩沖系數(shù)。Hagiwara等[8]最早提出“折減系數(shù)”，隨后折減系數(shù)逐漸得到更多學者的認可和拓展，其具體定義如下：若構件在一定的邊界條件下，因砰擊壓力的沖擊作用引起構件中的動應力最大值與作用在該構件上的均布靜壓力下的應力最大值相當，靜壓力Peq與砰擊壓力峰值Pi（）max均值的比值為砰擊壓力的“折減系數(shù)Kr”，即

通常所說的“緩沖”含義為減小傳遞給支撐物體的支架或結(jié)構的沖擊力，這種緩沖也稱為隔振。當采用位移為動力響應變量時，絕緣箱對晃蕩載荷的緩沖類似于這種形式，緩沖系數(shù)的計算可參考由絕對位移幅值x0與基礎位移幅值y0之比所表示的隔振傳遞率η′，即

如祁皚，郭長城[9]采用位移對比計算了樓板振動中的傳遞系數(shù)，朱紅[10]在文中也提到以位移對比計算隔振傳遞率。

綜合考慮上述兩種緩沖定義方式以及在LNG船局部強度校核時應力和位移均需要考慮這一情況，將緩沖系數(shù)分別定義為應力緩沖系數(shù)ηstress和位移緩沖系數(shù)ηdof如下：

其中：S為有絕緣層模型最大應力響應，S0為無絕緣層模型最大應力響應；D為有絕緣層模型最大位移響應，D0為無絕緣層模型最大位移響應。

2.3 絕緣層緩沖系數(shù)計算方法

采用實驗或軟件計算的方法得到晃蕩沖擊載荷后，分別施加于有絕緣層和無絕緣層的船體結(jié)構，進行動響應分析分別得到最大的應力及位移響應S，S0，D和D0后，即可根據(jù)（3）式得到該類絕緣層的緩沖系數(shù)。

3 絕緣層緩沖效應分析

3.1 晃蕩載荷計算

本文針對某20萬噸級5艙型LNG船進行分析，分析中選取液貨運動最嚴重的No.2液貨艙，采用Sloshing2D晃蕩軟件，進行了不同裝載深度下不同晃蕩周期、晃蕩角度下晃蕩載荷計算，得到晃蕩載荷的峰值以及作用時間的可能范圍，同時得到橫搖情況下最為嚴重的30%L（L為液艙長度）裝載水平的晃蕩沖擊載荷曲線，將其作為基礎載荷形式，如圖1所示。

3.2 有限元模型

針對No.2液貨艙舷側(cè)建立結(jié)構有限元模型，采用板單元模擬木材、船體結(jié)構及樹脂層[5]。根據(jù)文獻[2]，采用彈簧單元模擬主次絕緣箱相鄰板、樹脂層與船體、絕緣箱之間的接觸，船體結(jié)構邊界六個自由度全部約束，絕緣層部分不加約束。為減小計算時長，根據(jù)對稱性選取1/4結(jié)構進行分析，并在對稱面處施加對稱邊界條件。無絕緣層模型（模型1）和有絕緣層模型（模型2）分別見圖2及圖3。

圖1 晃蕩載荷隨時間變化示意圖Fig.1 The sloshing load as change of time

圖2 無絕緣層模型（模型1）Fig.2 The FE model with the insulation system(Model 1)

圖3 有絕緣層模型（模型2）Fig.3 The FE model without the insulation system(Model 2)

3.3 晃蕩載荷參數(shù)變化對緩沖系數(shù)的影響

液艙內(nèi)晃蕩沖擊載荷具有載荷峰值和載荷作用時間兩個普遍的特征參數(shù)，將晃蕩計算得到的目標船不同工況下峰值和作用時間這兩個載荷參數(shù)的范圍加以擴展，通過在該可能范圍內(nèi)變化這兩個參數(shù)進行結(jié)構動響應分析及緩沖系數(shù)計算，最終可以得到晃蕩載荷參數(shù)變化對緩沖系數(shù)的影響以及同類型LNG船絕緣層對晃蕩載荷的緩沖效應范圍。

表1 晃蕩載荷峰值變化載荷工況Tab.1 The cases of different sloshing load peak

3.3.1晃蕩載荷峰值變化

本文所討論的晃蕩載荷形式為非脈沖和脈沖兩種形式疊加，如圖1所示。將Sloshing2D晃蕩軟件計算得到的目標船晃蕩載荷峰值變化范圍適當放大，最終得到晃蕩載荷峰值范圍為5-400 kPa。緩沖系數(shù)計算時，在上述范圍內(nèi)變化其載荷峰值，載荷形式參考3.1節(jié)所述基礎載荷，選取的計算工況見表1。

針對表1中的不同峰值晃蕩載荷分別進行有限元分析，得到各工況下的應力及位移響應。根據(jù)（3）式得應力緩沖系數(shù)及位移緩沖系數(shù)，繪出兩種緩沖系數(shù)隨載荷峰值變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 應力緩沖系數(shù)隨晃蕩載荷峰值變化曲線Fig.4 Stress buffer coefficient as change ofsloshing load peak

圖5 位移緩沖系數(shù)隨晃蕩載荷峰值變化曲線Fig.5 Displacement buffer coefficient as change of sloshing load peak

由圖4和圖5可以看出，液艙內(nèi)晃蕩載荷峰值在可能的范圍內(nèi)變化時，No96型LNG船舷側(cè)處絕緣層的應力及位移緩沖系數(shù)變化很小，因而絕緣層的緩沖系數(shù)受晃蕩載荷峰值的影響可以忽略。

3.3.2 晃蕩載荷作用時間變化

晃蕩載荷作用時間范圍應同時包括最小作用時間及與晃蕩周期一致這兩種情況，并在此范圍基礎上適當放大，得到可能產(chǎn)生的晃蕩載荷作用時間范圍為0.171 5-22.295 s。緩沖系數(shù)計算時，在上述范圍內(nèi)變化載荷作用時間，載荷形式同樣參考基礎載荷，選取的計算工況見表2。

表2 晃蕩載荷作用時間變化載荷工況Tab.2 The cases of different sloshing load time

圖6 應力緩沖系數(shù)隨載荷作用時間變化曲線Fig.6 Stress buffer coefficient as change of sloshing load time

圖7 位移緩沖系數(shù)隨載荷作用時間變化曲線Fig.7 Displacement buffer coefficient as change of sloshing load time

針對表2中的不同作用時間晃蕩載荷分別進行有限元分析，得到各工況下的應力及位移響應。根據(jù)（3）式得應力緩沖系數(shù)及位移緩沖系數(shù)，兩種緩沖系數(shù)隨載荷作用時間變化曲線分別如圖6、圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，晃蕩載荷作用時間較短時，應力和位移緩沖系數(shù)變化明顯；隨著載荷作用時間增長，應力和位移緩沖系數(shù)均在小范圍內(nèi)上下波動并逐漸趨于一個定值。從圖中還可以看出，液艙內(nèi)晃蕩載荷峰值及作用時間在可能的范圍內(nèi)變化時，應力及位移緩沖系數(shù)基本都在50%-70%之間。

4 結(jié) 語

本文通過引入緩沖系數(shù)的概念，簡化了LNG船晃蕩的船體結(jié)構局部強度計算，并通過討論晃蕩載荷參數(shù)確定了No96型LNG船舷側(cè)處絕緣層緩沖系數(shù)的范圍，得到以下結(jié)論：

（1）晃蕩載荷峰值變化對絕緣層緩沖系數(shù)影響可以忽略；

（2）晃蕩載荷在作用時間比較短的情況下，絕緣層緩沖系數(shù)變化明顯，隨著時間增長變化程度減??；

（3）對于本文研究的20萬噸級5艙No96型LNG船舷側(cè)處結(jié)構類型，位移緩沖系數(shù)和應力緩沖系數(shù)基本都在50%-70%范圍內(nèi)變化，在對同類型船體結(jié)構進行晃蕩沖擊載荷下結(jié)構晃蕩強度評估時，絕緣層的緩沖效應可以通過在該范圍內(nèi)合理選取緩沖系數(shù)體現(xiàn)，從而在模型中省略絕緣層。

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[5]莊志鵬,劉 俊,唐文勇．薄膜型LNG船晃蕩沖擊局部強度分析建模方法研究[J]．船舶工程,2011,33(3):17-20.

[6]莊志鵬,劉 俊,唐文勇．薄膜型LNG船船體結(jié)構晃蕩強度研究[J]．武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2013,37(5):1093-1097．

[7]王 輝,顧學康．砰擊載荷作用下船底肋骨等效設計壓力的確定[J]．艦船科學技術,2010,32(3):11-15．

[8]Hagiwara K,Yuhara T．Fundamental study of wave impact loads on ship bow[R]．1974:337-342．

[9]祁 皚,郭長城．樓板振動中傳遞系數(shù)等問題的研究[J]．哈爾濱建筑大學,1995,28(6):115-121．

[10]朱 紅．隔振原理的理論分析與應用[J]．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2008,172(18):127-129．

Buffering effect of insulation system on sloshing load in LNG tank

WANG Yan-ran1,LIU Jun1,ZHUANG Zhi-peng2,TANG Wen-yong1

(1 State Key Laboratory of Ocean Engineering(Shanghai Jiao Tong University),Shanghai 200240,China;
2 Germanischer Lloyd Industrial Services(Shanghai)Co.,Ltd.,Beijing Branch,Beijing 100020,China)

The comparison method of dynamic response is applied to analyzing the buffering effect of insulation system on sloshing load in LNG tank.The buffer coeffient is introduced,and the FE models with the insulation system and without the insulation system of a No96-type tank are built.The buffer coeffient is obtained by comparing the dynamic response of the two models under the same sloshing load which is calculated by sloshing software.Furthermore,the buffer coefficient’s range of insulation system on the No96-type LNG shipboard is determined by using different sloshing load parameters.

insulation system of LNG tank;sloshing load;buffer coefficient;dynamic response

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.04.009

1007-7294（2014）04-0419-05

2013-06-23

王嫣然（1989-），女，碩士研究生；通訊作者：劉 俊（1971-），女，博士，上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院副教授，Email:jliu@sjtu.edu.cn。