基于有限元法的LNG艙罐體下加強結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

符傳發(fā)　陳莉　孫文利　王昆明

摘 要：利用結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Patran/Nastran，對某集裝箱船的LNG罐艙結(jié)構(gòu)建立有限元模型，對罐體支承結(jié)構(gòu)進行在各種組合工況下的受力分析和強度計算，校核并完善加強設(shè)計方案，滿足相關(guān)規(guī)范的要求，保證結(jié)構(gòu)強度。

關(guān)鍵詞：LNG艙；布置；下加強；上浮

中圖分類號：U663.7 文獻標識碼：A

Abstract： Based on the finite element method， the LNG tank hold of a container ship is modeled and analyzed by the software MSC Patran/Nastran for various load cases and their combinations to ensure the LNG tank support structure meet the relevant rules requirements.

Key words： LNG tank； Arrangement； Strengthen； Floating

1 前言

此船型是我司首次建造的雙燃料型集裝箱船，本船入ABS級，液罐存放在船中區(qū)域FR76～FR85貨艙之間主甲板下的LNG艙內(nèi)，液罐及所裝載液貨的重力和垂向慣性力由與船體相連接的固定基座支撐，縱向、橫向運動慣性力由相應(yīng)的限位裝置支撐。另外考慮到船舶破損進水后，空的液罐會上浮從而導致船舶結(jié)構(gòu)損壞，因此還需要設(shè)置有限制液罐上浮的裝置。整個液罐與船體結(jié)構(gòu)多處相連接，這些連接裝置形式復雜，受力大，需要對此進行詳細的設(shè)計分析。

2 基本計算參數(shù)

3 LNG艙罐體支撐裝置

LNG艙罐體支撐裝置與其下加強結(jié)構(gòu)形式：

本船LNG艙共布置了3個LNG罐，每個罐體各設(shè)置了1個彈性調(diào)節(jié)的裝置，4個防止?jié)L動裝置，4個防止傾斜的裝置以及4個防止上浮的裝置。

每個罐體總自重為2 625 kN，每個罐體設(shè)置有4個防上浮裝置，罐體重力與上浮力相等，上浮力由于4個防上浮裝置與上部彈性裝置承受，每個上浮裝置與上部彈性裝置受到的上浮力為525 kN。

彈性調(diào)節(jié)裝置采用普通A級鋼，屈服強度為235 N/mm2。

防滾動裝置及下加強采用H36鋼，屈服強度為355 N/mm2。

防傾斜裝置及下加強普通A級鋼，屈服強度為235 N/mm2。

防上浮裝置采用H36鋼，屈服強度為355 N/mm2。

3.1 罐體支撐裝置

如圖1所示。

3.2 罐體上部彈性調(diào)節(jié)裝置與其詳圖以及其設(shè)計載荷

如圖2所示。

3.3 防上浮裝置與罐體承受自重裝置與其受力情況

如圖3所示。

4 LNG艙有限元模型

4.1 有限元模型范圍

利用結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Patran/Nastran建立有限元模型，LNG艙罐體下加強結(jié)構(gòu)計算屬于局部結(jié)構(gòu)校核的范疇，邊界選取的原則就是盡可能減少邊界條件對中心區(qū)域的影響，但需考慮LNG罐的分布情況，本次有限元計算建立整個LNG艙模型，模型范圍為：X = FR70～FR90；Y = 距舯-13 450 —距舯 +13 450；Z = 0 A.BL—17 360 A.BL。

有限元模型如圖4所示。

4.2 有限元模型網(wǎng)格

LNG艙中船體各類板結(jié)構(gòu)、強橫梁、縱絎、肋板等的腹板以及艙壁采用4節(jié)點板殼單元模擬，盡量避免使用3節(jié)點板殼單元因為3節(jié)點板殼單元是常應(yīng)變單元，會使應(yīng)力加大，造成評估存在誤差。次要構(gòu)件及主要構(gòu)件的面板和加強筋采用梁單元模擬，并考慮偏心。LNG罐體支撐裝置與其下加強的板件與加強筋的腹板以及面板采用板殼單元模擬，網(wǎng)格大小為50 × 50 mm。LNG罐體罐體支撐裝置與其下加強的趾端精確建模，為了網(wǎng)格長寬比不超過3：1，趾端采用20 mm的高度建模，

4.3 結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)規(guī)范要求，所有構(gòu)件考慮2 mm的腐蝕余量。

4.4 邊界條件

前后邊界采用簡支約束。

4.5 材料屬性

船體所用材料為鋼材，取彈性模量E =2.06×105 N/mm2，泊松比μ=0.3，密度δ=7.85 t/m3。

5 設(shè)計工況

根據(jù)液罐在船舶航行中存在的運動情況，我們考慮了以下5種計算工況：

（1）罐體自重時，每個罐體重量為2 625 kN如圖1所示；

（2）在船舶航行過程中防止罐體上竄的彈性裝置如圖2所示；考慮船體結(jié)構(gòu)的不對稱，我們采取每隔90°為一個計算工況，三個貨罐同時加載，罐體左右對稱，故只計算左罐體與中罐體。故此裝置存在了8個計算工況；

（3）船舶橫傾時，引起罐體橫傾的情況；

（4）船舶縱傾時，引起罐體縱傾的情況；

（5）考慮船舶破艙時候，罐體上浮情況。

6 計算結(jié)果

在計算的過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計院的詳細設(shè)計圖紙上遺漏了船舶破艙時防上浮裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

6.1 相當應(yīng)力比較表格

見表1。

（1）罐體自重工況時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中縱剖面上與D10940平臺相連接的區(qū)域，規(guī)范許用應(yīng)力為235 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

（2）上部彈性裝置，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈性裝置與平臺的連接區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)用H36鋼，規(guī)范許用應(yīng)力為355 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

（3）罐體縱傾和橫傾工況時，最大應(yīng)力出現(xiàn)上部的防滾動裝置的肘板趾端區(qū)域，該區(qū)域采用了15 mm H36鋼，規(guī)范許用應(yīng)力為355 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

（4）罐體上浮工況時，D12240平臺與木塊接觸區(qū)域應(yīng)力都超出規(guī)范要求，應(yīng)力過大。采用增加20 mm H36局部加厚板，最大應(yīng)力出現(xiàn)在L9970縱剖與D12240平臺的相連接處的FR78～FR380的風管圍壁上，在該區(qū)域增加了大肘板來滿足整體結(jié)構(gòu)的剛性。規(guī)范許用應(yīng)力為355 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

6.2 相當應(yīng)力云圖

6.2.1上部彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

如圖5所示。

6.2.2 罐體上浮應(yīng)力云圖

增加防上浮裝置結(jié)構(gòu)后相當應(yīng)力云圖如圖6所示。

6.2.3 罐體橫傾（縱傾）應(yīng)力云圖

增加防上浮裝置結(jié)構(gòu)后相當應(yīng)力云圖如圖7所示。

從計算結(jié)果來看，在所有工況中，除了上浮工況下，結(jié)構(gòu)的相當應(yīng)力在規(guī)范許可應(yīng)力范圍之內(nèi)。

在罐體上浮工況時，由于力的作用面積太小，最大應(yīng)力達到1 430 Mpa，大大超出了鋼材的許用應(yīng)力。于是我們采取了在最初版詳細設(shè)計圖紙上對此區(qū)域增加板厚，并增加了三個加強肘板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并把加強構(gòu)件延伸到強結(jié)構(gòu)上，注意避免（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

應(yīng)力集中的情況，避免平臺板開孔過大與過多，會引起平臺板的剛性不足，從而引起局部應(yīng)力過大，結(jié)構(gòu)很難滿足強度要求。

在罐體縱傾或橫傾時，高應(yīng)力出現(xiàn)在罐體基座的肘板端部區(qū)域，此區(qū)域盡量不要設(shè)計端部削斜的扶強材，因為端部容易有應(yīng)力集中的情況。罐體下加強建議盡量采用高強度鋼。

在布置通道、梯道的時候，應(yīng)注意會因為平臺開孔過大而引起局部強度不夠，應(yīng)盡量避免在高應(yīng)力區(qū)開孔以及適當?shù)貎?yōu)化結(jié)構(gòu)形式和端部節(jié)點的方式來滿足平臺結(jié)構(gòu)強度的要求。

7 結(jié)論

規(guī)范無法考慮LNG艙罐體支承結(jié)構(gòu)在各種危險工況下的受力情況。通過有限元計算可以顯示出LNG罐體支承結(jié)構(gòu)在各種工況下的高應(yīng)力區(qū)域，根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整滿足規(guī)范的要求。