獨(dú)立B型LNG船液艙結(jié)構(gòu)晃蕩強(qiáng)度研究

陳 潛，劉 俊，唐文勇

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240;2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240)

0 引 言

由于能源消費(fèi)的持續(xù)增長(zhǎng)，海上液化天然氣運(yùn)輸量不斷增加，世界范圍內(nèi)投入使用的LNG 船的數(shù)量也逐年增加。2011 年，世界LNG 運(yùn)輸船統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)表明全球共有355 艘LNG 運(yùn)輸船［1］，而這一數(shù)量在未來(lái)10 年中有望翻一番，并且新設(shè)計(jì)與建造的LNG 船的裝載量普遍在155 000 m3以上，這給造船界帶來(lái)了巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。LNG 船是國(guó)際公認(rèn)的高技術(shù)、高難度、高附加值的產(chǎn)品，掌握設(shè)計(jì)與建造LNG 船的各方面技術(shù)，抓住全球LNG 船發(fā)展的機(jī)遇，對(duì)我國(guó)船舶行業(yè)至關(guān)重要。

目前，LNG 船的儲(chǔ)罐系統(tǒng)主要有獨(dú)立B 型和薄膜型2 種。其中獨(dú)立B 型包括Moss 型和SPB型，而薄膜型包括GTT No96 型、Mark III 型和CSI型。這幾種儲(chǔ)罐系統(tǒng)各有利弊，此前，工業(yè)界廣泛使用的是薄膜型液艙，其次是Moss 型，國(guó)內(nèi)外對(duì)薄膜型和Moss 型液艙的研究比較多［2-5］。當(dāng)設(shè)計(jì)裝載量較大時(shí)，Moss 型儲(chǔ)罐系統(tǒng)因?yàn)榍蚬拗睆降南拗?，只能通過(guò)增加船長(zhǎng)來(lái)增加裝載量，而船長(zhǎng)的增加會(huì)帶來(lái)穩(wěn)定性下降和船體總強(qiáng)度方面的一些問題，這使得Moss 型儲(chǔ)罐系統(tǒng)在大型LNG 船的應(yīng)用上處于劣勢(shì)。相對(duì)比較成熟的薄膜型儲(chǔ)罐系統(tǒng)則受到液艙內(nèi)液貨晃蕩作用的影響較明顯，艙內(nèi)的液位受到嚴(yán)格限制，此前也有幾艘薄膜型LNG 船因?yàn)榛问幎a(chǎn)生船舶事故的實(shí)例，對(duì)于其在大型LNG 船上的應(yīng)用需要對(duì)其液艙晃蕩進(jìn)行充分的分析計(jì)算，保證薄膜艙壁結(jié)構(gòu)在非常大的晃蕩載荷作用下不會(huì)失效。而SPB 型儲(chǔ)罐系統(tǒng)由于有制蕩艙壁的存在，對(duì)艙內(nèi)的液位沒有限制，晃蕩產(chǎn)生的影響較小，同時(shí)還具有蒸發(fā)率低，液艙維修方便等優(yōu)點(diǎn)，但由于其建造工藝復(fù)雜且技術(shù)提出較晚，對(duì)其的研究和應(yīng)用目前都較少。但隨著大型LNG 船的需求增加，SPB 型儲(chǔ)罐液艙在晃蕩問題上的優(yōu)異表現(xiàn)將使其得到更多的應(yīng)用。

本文研究對(duì)象為某170 000 m3獨(dú)立B 型LNG 船(SPB 型)。和以往的LNG 船相比，目標(biāo)LNG 船艙容大，且為自撐式的獨(dú)立B 型棱形液艙，對(duì)此類大艙容的新型LNG 船液艙晃蕩進(jìn)行研究十分必要。本文在DNV 相應(yīng)規(guī)范要求下進(jìn)行液艙結(jié)構(gòu)晃蕩強(qiáng)度研究，同時(shí)通過(guò)使用塊單元和接地彈簧單元分別對(duì)墊塊進(jìn)行模擬，對(duì)比其在相同晃蕩載荷作用下的響應(yīng)，研究這2 種模擬方式對(duì)獨(dú)立B 型LNG (SPB 型)液艙結(jié)構(gòu)晃蕩強(qiáng)度分析的影響。研究成果可為我國(guó)獨(dú)立B 型LNG 船(SPB 型)液艙結(jié)構(gòu)晃蕩強(qiáng)度評(píng)估提供參考依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)載荷

1.1 設(shè)計(jì)晃蕩載荷

液體晃蕩是極為復(fù)雜的一種流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，具有強(qiáng)烈的非線性和隨機(jī)性。而液體晃蕩與液艙結(jié)構(gòu)變形兩者的耦合作用又使液體晃蕩問題更為復(fù)雜。LNG 船航行狀態(tài)下的變速、搖擺等運(yùn)動(dòng)形式都會(huì)引起液艙內(nèi)的LNG 晃蕩。因?yàn)榇笮蚅NG 船液艙內(nèi)的自由液面長(zhǎng)，晃蕩情況下的液體壓強(qiáng)變化幅度大，需要對(duì)晃蕩問題給予充分的關(guān)注。學(xué)術(shù)界對(duì)晃蕩現(xiàn)象的研究方法分為理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三大類。

針對(duì)本文研究的某170 000 m3獨(dú)立B 型LNG 船液艙，根據(jù)DNV 相應(yīng)規(guī)范［6］，晃蕩載荷計(jì)算準(zhǔn)則為以下2 個(gè)方面:

1)對(duì)于距離橫向制蕩艙壁和端部橫艙壁范圍內(nèi)的構(gòu)件，壓力為:

對(duì)于距離縱向制蕩艙壁和艙邊艙壁0.25bb范圍內(nèi)的構(gòu)件，壓力為:

式中:lb為橫艙壁或完全有效橫制蕩艙壁之間的距離;bb為縱艙壁或完全有效縱向制蕩艙壁之間的距離;ρ 為液貨密度;L 為船長(zhǎng);B 為型寬。

2)與制蕩艙壁和端部艙壁鄰近的強(qiáng)框架，壓力為:

與制蕩艙壁和端部艙壁鄰近的桁材構(gòu)件，壓力為:

式中:lb為有效晃蕩長(zhǎng)度;bs為有效晃蕩寬度;Pbhd為制蕩艙壁和端部艙壁上的壓力;s 為強(qiáng)框架或桁材與艙壁的距離。

1.2 設(shè)計(jì)靜水載荷

根據(jù)DNV 規(guī)范，液艙在承受晃蕩載荷的同時(shí)還有靜水壓力和蒸汽壓力的作用，蒸汽壓力取0.7 bar施加在液艙水密邊界上，靜水壓力取最危險(xiǎn)的充裝容積進(jìn)行加載。

圖1 給出了橫搖和縱搖2 種情況的設(shè)計(jì)載荷示意圖。

圖1 橫搖和縱搖設(shè)計(jì)載荷示意圖Fig.1 Pressure of roll and pitch condition

2 LNG 船結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 LNG 船及液艙尺度介紹

170 000 m3獨(dú)立B 型LNG 船(SPB 型)結(jié)構(gòu)形式為雙殼、雙底結(jié)構(gòu)，液艙設(shè)置制蕩艙壁。獨(dú)立B型LNG 船(SPB 型)為自撐式，其液艙側(cè)壁與船體無(wú)接觸，通過(guò)液艙底部和頂部的墊塊與船體結(jié)構(gòu)接觸。其主尺度為總長(zhǎng)290 m，垂線間長(zhǎng)278 m，型寬46 m，型深27 m，設(shè)計(jì)吃水12 m，載貨量170 000 m3，航速19.5 kn，液艙尺寸為總艙長(zhǎng)50 m，總艙寬38 m，艙高28 m。液艙材料為9%鎳鋼。

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

采用MSC. PATRAN 軟件建立LNG 船液艙有限元模型，x 軸指向船首為正，y 軸從右舷向左舷為正，z 軸垂直向上為正。模型采用板梁組合結(jié)構(gòu)，液艙板及桁材采用板單元模擬，小型骨材采用梁?jiǎn)卧M，大型骨材采用板單元和梁?jiǎn)卧Y(jié)合方式模擬，模型網(wǎng)格尺寸與縱骨間距一致為800 ×800 mm。圖2 為國(guó)外某SPB 型液艙資料與本文目標(biāo)液艙有限元模型對(duì)比圖，從圖中可看到制蕩艙壁及艙內(nèi)結(jié)構(gòu)。

圖2 國(guó)外某SPB 型液艙資料與本文目標(biāo)液艙有限元模型對(duì)比圖Fig.2 Comparison of SPB type tank in foreign material and target tank FEA model in this research

2.3 墊塊

目標(biāo)LNG 船液艙與船體在艙頂和艙底部通過(guò)墊塊連接，墊塊主要分為垂向墊塊、反橫搖墊塊和反縱搖墊塊。墊塊為只受壓不受拉單元，在有限元模型中，分別通過(guò)塊單元和接地彈簧單元對(duì)其進(jìn)行模擬。如果在計(jì)算結(jié)果中，塊單元或接地彈簧單元為受拉的情況，就將塊單元或者接地彈簧單元剔除，進(jìn)行下次計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果中所有塊單元或者接地彈簧單元都處于壓縮狀態(tài)，則停止計(jì)算。

進(jìn)行分析比較的模型分別為塊單元模擬墊塊模型(模型1)和接地彈簧單元模擬墊塊的模型(模型2)。這2 個(gè)模型中，對(duì)反縱搖墊塊的x 方向位移進(jìn)行約束，對(duì)反橫搖墊塊的y 方向位移進(jìn)行約束。其中，模型1 在塊單元上施加固定約束，模型2 由接地彈簧單元作為接地約束。

圖3 和圖4 給出了2 個(gè)模型的邊界條件示意圖。

圖3 模型1 邊界條件Fig.3 Model 1′s boundary conditions

圖4 模型2 邊界條件Fig.4 Model 2′s boundary conditions

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)有限元靜力分析，表1 給出了橫搖和縱搖工況下主要構(gòu)件的最大應(yīng)力結(jié)果，圖5 和圖6 分別給出了模型1 和模型2 在橫搖和縱搖工況下主要框架的應(yīng)力云圖。

表1 主要構(gòu)件最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Maximum stress of main members

圖5 模型1 主要框架應(yīng)力云圖(橫搖和縱搖工況)Fig.5 Von Mises stress of model 1′s main frames (roll and pitch load case)

圖6 模型2 主要框架應(yīng)力云圖(橫搖、縱搖)Fig.6 Von Mises stress of model 2′s main frames (roll and pitch load case)

從應(yīng)力、變形結(jié)果可看出:

1)液艙結(jié)構(gòu)在橫搖和縱搖工況下，主要表現(xiàn)為液艙側(cè)板和水密橫艙壁較大的彎曲變形。這是由于目標(biāo)LNG 艙容較大，并且獨(dú)立B 型LNG 船(SPB型)四壁并沒有受到船體的支撐作用，在比較大的靜水載荷作用下產(chǎn)生的合理變形。

2)液艙內(nèi)部的水平桁材、橫艙壁垂直桁材和橫框架上應(yīng)力結(jié)果較大，最大應(yīng)力集中在這些桁材的拐角處，這是由于桁材附著在艙壁上變形被拉伸而在拐角處引起的應(yīng)力集中。

3)模型1 和模型2 分別通過(guò)塊單元和接地彈簧單元對(duì)墊塊進(jìn)行模擬，可以看出，兩者的有限元計(jì)算結(jié)果相近，尤其是對(duì)液艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果基本沒有影響，因此可認(rèn)為兩者都是有效的對(duì)墊塊模擬方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)大型液化天然氣船的晃蕩強(qiáng)度進(jìn)行有效評(píng)估是確保LNG 船在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中保持安全的重要內(nèi)容之一。本文通過(guò)對(duì)獨(dú)立B 型LNG 船(SPB 型)結(jié)構(gòu)的有限元模型化以及規(guī)范晃蕩載荷的計(jì)算，采用直接計(jì)算方法對(duì)170 000 m3LNG 船在橫搖和縱搖2 種情況下的液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算評(píng)估，并通過(guò)使用塊單元和接地彈簧單元分別對(duì)墊塊進(jìn)行模擬，研究這2 種模擬方式對(duì)獨(dú)立B 型LNG (SPB 型)液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的影響，計(jì)算結(jié)果表明:

1)除應(yīng)力集中效應(yīng)影響，無(wú)論橫搖還是縱搖工況下，應(yīng)力水平均滿足總強(qiáng)度要求;

2)在通過(guò)有限元考察SPB 型LNG 船液艙晃蕩效應(yīng)時(shí)，可以進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，用接地彈簧單元或者塊單元來(lái)對(duì)墊塊進(jìn)行模擬;

3)由于制蕩艙壁的存在，SPB 型LNG 船在大艙容情況下，晃蕩表現(xiàn)良好，液艙大部分區(qū)域應(yīng)力都遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，液艙內(nèi)部水平桁材、橫艙壁垂直桁材和橫框架的拐角處應(yīng)力水平普遍較大，需要引起關(guān)注。

［1］朱小松，謝彬，喻西崇.LNG/LPG 液艙晃蕩研究進(jìn)展綜述［J］.中國(guó)造船，2013，54(1):229 -236.ZHU Xiao-song，XIE Bin，YU Xi-chong.Research progress of liquid sloshing in LNG/LPG tanks［J］. Shipbuilding of China，2013，54(1):229 -236.

［2］祁恩榮，龐建華，徐春，等.薄膜型LNG 液艙晃蕩壓力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)試驗(yàn)［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(4):17-24.QI En-rong， PANG Jian-hua， XU Chun，et al.Experimental study of sloshing pressure and structural response in membrane LNG tanks［J］. Ship Science and Technology，2011，33(4):17 -24.

［3］滕蓓，祁恩榮，陸曄，等.大型LNG 船液艙晃蕩結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(4):7 -12.TENG Bei，QI En-rong，LU Ye，et al.Structural dynamic response study of large LNG carriers under sloshing impacts in tanks［J］.Ship Science and Technology，2012，34(4):7-12.

［4］駱寒冰，王國(guó)慶，祁恩榮.大型LNG 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(2):51 -53.LUO Han-bing，WANG Guo-qing，QI En-rong. Fatigue analysis of LNG carriers［J］.Ship Science and Technology，2008，30(2):51 -53.

［5］滕蓓，陸曄，祁恩榮. LNG 船液艙圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極限承載力研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(2):36 -39.TENG Bei，LU Ye，QI En-rong.Research on ultimate limit state for liquid natural gas cargo containment system［J］.Ship Science and Technology，2012，34(2):36 -39.

［6］DNV.Hull structural design，ships with length 100 metres and above［S］.July，2013.