獨(dú)立C型液貨艙參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

武超然，陳 明，南志偉，王慶祥

（1. 大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，大連 116024；2. 富瑞重型裝備有限公司，上海 200042）

獨(dú)立C型液貨艙參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

武超然1，陳 明1，南志偉2，王慶祥2

（1. 大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，大連 116024；2. 富瑞重型裝備有限公司，上海 200042）

基于VBA技術(shù)對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了小型LNG船獨(dú)立C型貨艙的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。軟件將初步設(shè)計(jì)、罐體構(gòu)件尺寸計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出以及實(shí)體建模功能集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了C型獨(dú)立貨艙設(shè)計(jì)的參數(shù)化。軟件功能豐富，使用便利，是LNG船C型獨(dú)立液貨艙設(shè)計(jì)的有效工具。

獨(dú)立C型貨艙；VBA技術(shù)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；實(shí)體建模

0 引言

隨著市場(chǎng)上LNG需求量的增加，小型LNG運(yùn)輸船的需求也隨之增加。經(jīng)研究，貨艙容積在20000m3以下的LNG運(yùn)輸船，普遍采用單圓筒式的獨(dú)立C型貨艙[1]。C型獨(dú)立貨艙的優(yōu)點(diǎn)是艙容利用率較高，可以承受較高的貨物蒸氣壓力，是最安全的一種LNG液貨艙。其設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的次屏壁，維護(hù)費(fèi)用低，技術(shù)相對(duì)成熟。在短途運(yùn)輸中，可以不對(duì)BOG進(jìn)行處理，大大減少了設(shè)備成本。因此，小型LNG運(yùn)輸船通常采用這種類型的液貨艙。

在C型貨艙設(shè)計(jì)技術(shù)方面，有學(xué)者[2]通過(guò)研究相似船型LPG船以及乙烯運(yùn)輸船及其液貨艙，闡述了中小型LNG運(yùn)輸船液貨艙的設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)；另有學(xué)者[3]介紹了C型獨(dú)立液艙的特點(diǎn)，并詳細(xì)闡述了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和相關(guān)計(jì)算方法。這些研究與成果為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船C型貨艙的設(shè)計(jì)人員提供了可行的方法，但這些研究?jī)H將有關(guān)計(jì)算規(guī)范與貨艙設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)人員僅通過(guò)設(shè)計(jì)流程以及規(guī)范中計(jì)算方法的歸納，無(wú)法直接、快速地開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外設(shè)計(jì)公司已完成的貨艙設(shè)計(jì)實(shí)例的研究，整合了C型液艙設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠通過(guò)參數(shù)化計(jì)算完成的工作，編寫(xiě)了獨(dú)立C型液貨艙設(shè)計(jì)軟件，并通過(guò)多個(gè)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)工作中使用該程序，提高了貨艙各部分板厚的分布布置和計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算校核的參數(shù)化。同時(shí)，通過(guò)AutoCAD建立了液貨艙的三維實(shí)體模型，可直接獲取液艙重量、重心位置等相關(guān)信息，同時(shí)給有限元分析工作提供了實(shí)體模型，提高了工作效率。

1 開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

VBA的全稱是Visual Basic for Application，是AutoCAD的一種二次開(kāi)發(fā)工具[4]。VBA將AutoCAD和Visual Basic的功能結(jié)合在一起，能夠快速創(chuàng)建出符合用戶要求的程序，大大提高了用戶的工作效率。AutoCAD VBA的開(kāi)發(fā)使用的是AutoCAD ActiveX技術(shù)，這種技術(shù)使用戶能夠從AutoCAD的內(nèi)部或外部以編程的方式操作AutoCAD。

2 設(shè)計(jì)流程

獨(dú)立C型貨艙及相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 三向加速度計(jì)算

基于船型參數(shù)、液貨艙位置以及液貨密度、材料性質(zhì)，根據(jù)《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱IGC規(guī)則）中的有關(guān)規(guī)定，計(jì)算橫向、縱向和垂向的加速度分量，為后面的設(shè)計(jì)和計(jì)算做準(zhǔn)備。

根據(jù)IGC規(guī)則，設(shè)計(jì)蒸汽壓力Po是液艙頂部的最大表壓，任何情況下不能低于液艙內(nèi)安全閥的最大壓力釋放值（MARVS），并給出了P0的計(jì)算公式：

式中：C為液艙特征尺度，取下列值中的最大值：h（沿船高量取的液艙高度），0.75b（沿船寬量取的液艙寬度的0.75倍），0.45L（沿船長(zhǎng)量取的液艙長(zhǎng)度的0.45倍）；

Ρ為設(shè)計(jì)溫度下液貨密度，kg/m3；

σm為使用材料的許用應(yīng)力，MPa；

σA為使用材料的許用動(dòng)應(yīng)力，MPa。

在計(jì)算裝載液貨壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)考慮由于船舶橫向運(yùn)動(dòng)以及縱向運(yùn)動(dòng)引起的液貨質(zhì)心加速度變化所產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)?，F(xiàn)采用北大西洋海況10-8概率水平下船舶運(yùn)動(dòng)在三個(gè)方向上的無(wú)因次加速度分量：

縱向分量：

橫向分量：

垂向分量：

L0為船體垂線間長(zhǎng)，m；K=1；

B為船寬，m；

X為艙體中心至船體中心的縱向距離，m；

Cb為方形系數(shù)；

V為服務(wù)航速，kn；

Z為艙體重心至基線的垂向距離，m。

3.2 板厚計(jì)算

1）筒體板厚計(jì)算

根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范[5]，按照式(6)對(duì)筒體板厚進(jìn)行計(jì)算。

式中：δ為計(jì)算板厚，mm；

D為液罐直徑，mm；

[σ]t為許用薄膜應(yīng)力，Mpa；

φ為焊接系數(shù)；

C為腐蝕裕量及板厚公差，mm；

Peq為設(shè)計(jì)壓力，Mpa。

其中，貨艙的內(nèi)部蒸汽壓為計(jì)算的關(guān)鍵。

根據(jù)二維加速度橢圓的方法對(duì)pgd進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)程序的循環(huán)語(yǔ)句得出pgdmax。最后，將Peq代入式(6)，可求得對(duì)應(yīng)位置的板厚。板厚分布實(shí)例如圖2所示，根據(jù)橫截面上不同角度處加速度αβ和液柱高度Zβ的變化而變化。

2）封頭板厚計(jì)算

根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范，按照式(9)對(duì)不同位置處的封頭板厚進(jìn)行計(jì)算。

式中：δ為計(jì)算板厚，mm；

D為液罐直徑，mm；

[σ]t為許用薄膜應(yīng)力，Mpa；

φ為焊接系數(shù)；

C為腐蝕裕量及板厚公差，mm；

Peq為設(shè)計(jì)壓力，Mpa。

考慮小型LNG船液貨艙容積、板材規(guī)格限制以及工藝要求等，通常選用桔瓣式球罐的布置形式來(lái)布置球形封頭如圖2所示，其分割設(shè)計(jì)主要根據(jù)封頭直徑D和板材規(guī)格來(lái)確定殼體的分帶數(shù)N、球頭分瓣數(shù)M。其中N、M取決于直徑D和板材寬度Bp。

圖2 桔瓣式封頭

3）氣室與集液井板厚計(jì)算

氣室板厚可直接根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范中，壓力容器筒體和封頭板厚的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，集液井板厚需要在此基礎(chǔ)上，考慮x方向的動(dòng)載荷。

關(guān)于碟形封頭的計(jì)算方法，根據(jù)規(guī)范中的要求進(jìn)行計(jì)算：

式中：δ為計(jì)算板厚，mm；

D為液罐直徑，mm；

[σ]t為許用薄膜應(yīng)力，Mpa；

φ為焊接系數(shù)；

C為腐蝕裕量及板厚公差，mm；

Peq為設(shè)計(jì)壓力，Mpa；

y為凸形封頭形狀系數(shù)，根據(jù)封頭尺寸在壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中查曲線圖得到。

3.3 內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核

1）真空環(huán)計(jì)算

根據(jù)我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB-150中的規(guī)定[6]，外壓圓筒的真空環(huán)可按照式(11)進(jìn)行校核。

式中：I為所需要的真空環(huán)與殼體組合橫截面對(duì)平行于殼體軸線的中性軸的慣性矩；As為真空環(huán)橫截面積；A由所選材料對(duì)可在規(guī)范中的相應(yīng)的線算圖確定，對(duì)應(yīng)于下面的系數(shù)B和殼體的設(shè)計(jì)溫度所確定的系數(shù)。D0為圓筒形殼體外徑。

Ls為支撐距離，表示從真空環(huán)中心線到一側(cè)的相鄰支撐線之間的距離的一半，再加上從中心線到該真空環(huán)另一側(cè)的相鄰支撐線之間的一半距離。δe為筒體所需的最小厚度；Pc為設(shè)計(jì)外壓力。

2）鞍座處加強(qiáng)環(huán)設(shè)計(jì)

對(duì)于鞍座處的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，規(guī)范中沒(méi)有給出明確的設(shè)計(jì)規(guī)則，但在初步設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行。然后，按照DNV規(guī)范中的公式進(jìn)行校核，也可利用有限元軟件進(jìn)行校核。

其中，DNV規(guī)范中給出的校核公式：

式中：L為加強(qiáng)環(huán)間有效長(zhǎng)度，m；Ds為加強(qiáng)環(huán)中和軸直徑，m；E為材料彈性模量，Mpa。

4 功能實(shí)現(xiàn)

軟件初始界面如圖3所示，主要功能為“初步計(jì)算”、“液貨艙設(shè)計(jì)”、“數(shù)據(jù)輸出”和“實(shí)體建?！?個(gè)模塊。

圖3 設(shè)計(jì)軟件界面

4.1 “初步計(jì)算”功能

圖4 初步計(jì)算界面

在空格中輸入相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊“計(jì)算”，完成三向加速度的計(jì)算。

4.2 “液貨艙設(shè)計(jì)”功能

點(diǎn)擊“液貨艙設(shè)計(jì)”按鈕，進(jìn)入該功能模塊。此功能分為筒體設(shè)計(jì)、封頭設(shè)計(jì)、氣室設(shè)計(jì)、集液井設(shè)計(jì)、真空環(huán)計(jì)算以及鞍座處的加強(qiáng)環(huán)設(shè)計(jì)。

利用軟件計(jì)算筒體板厚時(shí)，如圖5中筒體橫截面所示，“位置角度”表示在筒體頂端為0°，在筒體底端為180°，因?yàn)閳A形左右對(duì)稱，因此角度的取值范圍是0°至180°，即包含了所有情況。用戶根據(jù)筒節(jié)所在位置，輸入角度即可。在內(nèi)部蒸汽壓一欄，可通過(guò)前面輸入的參數(shù)由程序完成計(jì)算；如果有特殊要求，可在單選按鈕中選擇“手動(dòng)輸入”，在空格中輸入數(shù)值。點(diǎn)擊“計(jì)算”，完成某一角度處的板厚計(jì)算。更改位置角度，可繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。以上計(jì)算結(jié)果均由程序自動(dòng)保存，在“數(shù)據(jù)輸出”時(shí)可以查看。

圖5 液貨艙設(shè)計(jì)筒體計(jì)算界面

封頭板厚計(jì)算模塊如圖6所示，需要用戶提供桔瓣數(shù)、球頭瓣數(shù)以及球頭的半徑等參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算后，在“最大板厚”處顯示的是封頭的最大板厚，桔瓣和球頭上各塊板的板厚由程序計(jì)算并自動(dòng)保存，在“數(shù)據(jù)輸出”后可以查看。其他功能模塊可在輸入?yún)?shù)后，直接計(jì)算并顯示得到的結(jié)果。

圖6 液貨艙設(shè)計(jì)封頭計(jì)算界面

4.3 “數(shù)據(jù)輸出”功能

點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)輸出”，輸入文件名并選擇路徑保存文本文檔。

4.4 “實(shí)體建?！惫δ?/p>

圖7 實(shí)體建模功能界面

通過(guò)前面計(jì)算，并在尺寸選取中輸入相關(guān)參數(shù)。如圖7所示，用戶需要輸入各部分板厚的實(shí)際取值，氣室與集液井需要在x軸方向進(jìn)行定位。參數(shù)輸入完成后，在“模型生成”中，依次點(diǎn)擊各部分建模按鈕，生成三維實(shí)體模型。最后，點(diǎn)擊“顯示模型”按鈕，在AutoCAD中查看模型。

圖8 實(shí)體模型

5 結(jié)束語(yǔ)

“獨(dú)立C型液貨艙設(shè)計(jì)軟件”實(shí)現(xiàn)了C型獨(dú)立貨艙設(shè)計(jì)的參數(shù)化，集成了“初步計(jì)算”、“貨艙設(shè)計(jì)”以及“實(shí)體建?！钡裙δ?。在完全依照行業(yè)相關(guān)規(guī)范，并總結(jié)了大量前人的研究?jī)?nèi)容基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了界面簡(jiǎn)潔、自動(dòng)化程度高又不失靈活的功能模塊，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。其中，“實(shí)體建?！惫δ芩⒌哪Ｐ涂芍睂?dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，大大提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。但是，目前程序的功能僅限于液貨船C型單罐的設(shè)計(jì)，更多形式的液貨艙設(shè)計(jì)功能有待開(kāi)發(fā)和完善。

[1] 陳瑞權(quán), 陸晟. C型LNG液貨艙設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶工程, 2013,S1:11-13+69.

[2] 丁玲, 馬坤. 中小型LNG運(yùn)輸船液貨罐設(shè)計(jì)技術(shù)[J].船舶, 2010,01:26-29.

[3] 裴軼群, 陸晟, 劉文華. 小型LNG船C型獨(dú)立液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊, 2012,02:28-34.

[4] 曾洪飛, 張帆, 盧擇臨. AutoCAD VBA&VB.NET開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社,2009.

[6] 洪德曉, 丁伯民, 戴季煌, 朱紅松. 壓力容器設(shè)計(jì)與實(shí)用數(shù)據(jù)速查[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

Parametric Design Study of Type-C Independent Liquid Tank

Wu Chao-ran1, Chen Ming1, Nan Zhi-wei2, Wang Qing-xiang2
(1. Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Furui Heavy Equipment CO., Ltd.., Shanghai 200042, China)

The second-time development of AutoCAD based on VBA technology, the paper designs the parametric design software of type-C independent tank for small-scale LNG ship. The software integrates the function of preliminary design, tank size calculation, data output and entity modeling. It realizes the parametric design of type-C independent tank. The software has powerful features and it is convenient for use. It is an effective tool for designing the type-C liquid tank of LNG ship.

type-C independent tank; VBA technology; parametric design; entity modeling

U662.9

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.010

武超然（1988-），男，碩士，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)。