LNG船B型獨(dú)立艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

陳金峰，張玉奎，鄭文青

(1.中國(guó)船級(jí)社 上海分社，上海 200135；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境污染的日益重視，作為清潔能源的天然氣日益被全球能源市場(chǎng)看好，導(dǎo)致用來(lái)運(yùn)輸液化天然氣的LNG船的需求量相應(yīng)增加。貨物圍護(hù)系統(tǒng)是LNG船的核心所在，目前市場(chǎng)上用于大型LNG運(yùn)輸船的圍護(hù)系統(tǒng)主要有GTT薄膜型(NO96型和MARK III型)[1-2]、球罐型(MOSS型)[3]和SPB型[4]，但其專(zhuān)利技術(shù)均被國(guó)外公司所壟斷，建造采用其圍護(hù)系統(tǒng)需要額外支付昂貴的專(zhuān)利費(fèi)。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整帶動(dòng)了我國(guó)LNG產(chǎn)品鏈尤其是LNG運(yùn)輸船和浮式LNG裝置需求的增加，開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的具有成本優(yōu)勢(shì)的大型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)十分必要。

IMO B型獨(dú)立艙是重要的貨物圍護(hù)系統(tǒng)類(lèi)型，相比薄膜型艙具有晃蕩載荷小，制造、檢驗(yàn)、維護(hù)成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，且相比C型或MOSS型獨(dú)立艙具有較高的艙容利用率，可通過(guò)調(diào)整折角線位置與主船體結(jié)構(gòu)形狀高度匹配，以實(shí)現(xiàn)艙容利用最大化。獨(dú)立艙作為圍護(hù)系統(tǒng)的主屏壁，其結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)貨物圍護(hù)系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。結(jié)合IGC規(guī)則[5]及相關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求，本文利用有限元模型計(jì)算方法對(duì)B型獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)，為關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。同時(shí)結(jié)合艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)對(duì)液貨艙所受支座反力分布特點(diǎn)進(jìn)行研究，對(duì)減小局部結(jié)構(gòu)受力的方案進(jìn)行了探討。

1 B型獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研究的B型獨(dú)立艙為自身支承的由平面結(jié)構(gòu)組成的棱形液貨艙，橫剖面形式如圖1所示。獨(dú)立艙由縱向殼體和端部橫艙壁構(gòu)成其周界，內(nèi)部設(shè)有中縱艙壁和橫向制蕩艙壁。殼體及艙壁板采取骨材與強(qiáng)框架相組合的結(jié)構(gòu)支撐形式。

圖1 B型獨(dú)立艙橫剖面形式

B型獨(dú)立艙與主船體間由垂向支座提供支撐，同時(shí)設(shè)置橫向及縱向限位支座以限制液貨艙與主船體間的相對(duì)位移，船舶航行時(shí)的貨物和液艙重量及運(yùn)動(dòng)附加載荷將通過(guò)支座結(jié)構(gòu)傳遞至主船體結(jié)構(gòu)當(dāng)中。液貨艙頂部設(shè)有止浮支座，防止在船體破損進(jìn)水時(shí)液貨艙上浮與主船體碰撞造成損傷。

支座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是該型船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和難點(diǎn)：液貨艙應(yīng)得到布局合理且數(shù)量充足的支座結(jié)構(gòu)的支持，使液貨艙結(jié)構(gòu)及支座結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求；但過(guò)多的支座結(jié)構(gòu)將不利于液貨艙在吊裝時(shí)的精度控制，同時(shí)也將造成物料和人工成本的增加。

1.2 尺寸設(shè)計(jì)

B型獨(dú)立艙的初始結(jié)構(gòu)尺寸可參考相關(guān)船級(jí)社規(guī)范關(guān)于深艙結(jié)構(gòu)的規(guī)定，同時(shí)也應(yīng)考慮本船型相關(guān)的特殊要求。

1.2.1材料

裝載LNG的液貨艙結(jié)構(gòu)材料應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)溫度為-163 ℃超低溫要求，同時(shí)具有良好的耐腐蝕性，對(duì)介質(zhì)無(wú)污染，具有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性能和加工性能。鑒于國(guó)內(nèi)鋼廠已經(jīng)具備較為成熟的9%鎳鋼板的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合考慮材料的許用應(yīng)力、最低設(shè)計(jì)壓力、材料質(zhì)量、力學(xué)性能和價(jià)格等因素，所開(kāi)發(fā)的B型獨(dú)立艙選用9%鎳鋼制造，其材料強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 9%鎳鋼材料強(qiáng)度參數(shù)

1.2.2內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力

液貨艙滿載下的內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力Peq由設(shè)計(jì)蒸氣壓力P0和內(nèi)部液體壓力Pgd組成：

Peq=P0+Pgd，max

(1)

Pgd=αβZβρ/(1.02×105)

(2)

式中：P0為設(shè)計(jì)蒸氣壓力，取0.07 MPa；Pgd為由重力和動(dòng)力加速度聯(lián)合作用引起的內(nèi)部液體壓力，MPa；αβ為在任意的β方向上由重力和動(dòng)載荷引起的無(wú)因次加速度(相對(duì)于重力加速度)；Zβ為從所確定的壓力點(diǎn)沿β方向向上量至液貨艙殼板的最大液柱高度，m；ρ為設(shè)計(jì)溫度下的貨物最大密度，LNG取500 kg/m3。

1.2.3液貨艙周界結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)相關(guān)船級(jí)社規(guī)范對(duì)液貨艙周界板尺寸提供的基于深艙要求的公式計(jì)算方法，以中國(guó)船級(jí)社《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》要求為例，周界板厚t按下式計(jì)算：

(3)

式中：s為骨材或扶強(qiáng)材間距，m；K為材料系數(shù)。

扶強(qiáng)材剖面模數(shù)W按下式計(jì)算：

W=800sPeql2ξ

(4)

另外，中國(guó)船級(jí)社與美國(guó)船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范均有額外加強(qiáng)的要求：位于垂向支座、止橫搖支座及止縱搖支座處的液貨艙骨材模數(shù)需在規(guī)范要求值基礎(chǔ)上再增加25%。

1.2.4主要支撐構(gòu)件尺寸

由于液貨艙主要支撐構(gòu)件具有非典型的邊界支撐形式，故一般基于單跨梁的規(guī)范公式不再適用，需通過(guò)直接強(qiáng)度計(jì)算方法予以確定。

1.2.5支座結(jié)構(gòu)尺寸

支座結(jié)構(gòu)尺寸需依據(jù)其實(shí)際受力大小來(lái)確定。支座受力存在狀態(tài)非線性特征，即在某些工況下受力而某些工況下不受力，需通過(guò)有限元方法對(duì)其真實(shí)受力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

2 結(jié)構(gòu)分析模型

2.1 有限元模型

采用MSC/PATRAN軟件建立艙段模型。有限元模型包含完整的主船體結(jié)構(gòu)、液貨艙結(jié)構(gòu)及支座結(jié)構(gòu)，其模型圖如圖2所示。板結(jié)構(gòu)采用shell單元模擬，網(wǎng)格大小采用縱骨間距；加強(qiáng)筋及強(qiáng)框面板采用梁?jiǎn)卧M，支座層壓木采用rod單元模擬。由于在實(shí)際受力情況中，支座層壓木只可能存在承壓或脫離的狀態(tài)，因此，當(dāng)rod單元出現(xiàn)受拉時(shí)將其刪除并重新模擬運(yùn)算，依此迭代直到全部rod單元均為受壓為止。其分析流程如圖3所示。

圖2 液貨艙及主船體有限元模型

圖3 分析流程

2.2 載荷工況

設(shè)計(jì)載荷是由船體裝載手冊(cè)中的實(shí)際裝載工況決定。為分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，載荷包括舷外靜水載荷、波浪載荷，以及獨(dú)立艙內(nèi)的內(nèi)部蒸氣壓力和內(nèi)部液貨壓力等。主要裝載工況見(jiàn)表2。載荷不同導(dǎo)致艙段邊界條件不同，主要包括船體梁載荷、對(duì)稱(chēng)局部載荷和非對(duì)稱(chēng)載荷對(duì)應(yīng)的邊界。計(jì)算過(guò)程中根據(jù)載荷施加相應(yīng)的邊界條件。

表2 載荷工況

3 分析結(jié)果

3.1 支座反力分布

通過(guò)艙段有限元計(jì)算模型分析方法能夠得到載荷工況下的支座反力分布情況。本文以底部垂向支座最大垂向支反力為例，其分布如圖4所示。位于四個(gè)角點(diǎn)處的支反力顯著高于其他位置，支座反力最大值位于左舷首部角點(diǎn)處，高達(dá)22 900 kN。

圖4 底部支座垂向受力分布

3.2 液貨艙結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

液貨艙的水密殼體應(yīng)力水平總體較容易滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。由應(yīng)力分布圖發(fā)現(xiàn)，位于所受支座反力較大的區(qū)域，例如端部橫向強(qiáng)框與底部垂向支座連接處等，具有較高的應(yīng)力水平；橫向強(qiáng)框和水平強(qiáng)框端部過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力水平一般較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也應(yīng)予以特別關(guān)注。

4 減小支座反力的措施研究

液貨艙通過(guò)支座與船體相連，貨物及液艙的重量集中于支座上，因此要求支座具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承擔(dān)容器內(nèi)液體的重量以及各種沖擊力的作用。過(guò)大的支座反力將導(dǎo)致液貨艙局部結(jié)構(gòu)和支座結(jié)構(gòu)都難以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。因此,應(yīng)盡可能使各支座反力趨于平均，以避免局部結(jié)構(gòu)受力過(guò)大的情況導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大。本文以左舷首部角點(diǎn)處垂向支座為例，探討如何從支座布置的角度減小其支反力的措施。

4.1 增加局部支座

在左舷首部角點(diǎn)支座的縱向及橫向相鄰支座之間，分別增設(shè)一個(gè)垂向支座，新的支座反力分布如圖5與圖6所示。結(jié)果顯示:兩種方案的角點(diǎn)處支座反力均有一定程度下降。但由于增加的縱向支座位于主船體的強(qiáng)框上，縱向支座比橫向支座具有更好的支撐剛度，因此與增加縱向相鄰支座相比，增加橫向相鄰支座的方案對(duì)于減小角點(diǎn)支反力的效果略為明顯。顯而易見(jiàn)的是，當(dāng)同時(shí)增加縱向與橫向相鄰支座時(shí)，角點(diǎn)處支座反力將進(jìn)一步下降。

圖5 縱向增加一支座后支反力分布

圖6 橫向增加一支座后支反力分布

4.2 調(diào)節(jié)支座位置

將與左舷首部角點(diǎn)處支座橫向相鄰的支座P2向角點(diǎn)處P3移動(dòng)，角點(diǎn)處P3、角點(diǎn)橫向相鄰處P2以及角點(diǎn)橫向相鄰的相鄰處P1的支座反力變化如圖7所示。當(dāng)P2往P3方向靠近時(shí)，P3與P1處支座反力逐漸降低，而P2處支座反力逐漸增加。

圖7 相鄰支座挪動(dòng)位置與支座反力關(guān)系

4.3 調(diào)節(jié)層壓木剛度

支撐結(jié)構(gòu)由層壓木和金屬支座組成。根據(jù)層壓木剛度的變化與支座反力關(guān)系曲線顯示，支座反力在層壓木剛度變化較大的區(qū)間內(nèi)變化不十分明顯，只有當(dāng)層壓木剛度調(diào)至極小時(shí)支座反力才出現(xiàn)明顯的下降。

5 結(jié)論

(1)由于內(nèi)部載荷作用，液貨艙橫向強(qiáng)框與水平強(qiáng)框的端部過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力水平較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可采取增加局部板厚以及設(shè)置良好的結(jié)構(gòu)過(guò)渡形式等措施以改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。

(2)由于支座反力作用，液貨艙橫向強(qiáng)框與支座結(jié)構(gòu)相連的部分區(qū)域具有較高的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能需要增加局部板厚和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)盡量避免支座區(qū)域強(qiáng)框腹板上的通孔以及毗鄰的縱骨穿越孔。

(3)不同區(qū)域的支座反力大小差異十分顯著，通常位于液貨艙角點(diǎn)處的支座反力最大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可針對(duì)不同的受力級(jí)別對(duì)支座結(jié)構(gòu)的具體形式和尺寸作針對(duì)性設(shè)計(jì)。

(4)為降低角點(diǎn)處支座反力，可在其相鄰區(qū)域增設(shè)新的支座結(jié)構(gòu)；對(duì)相鄰支座間距作合理的布局調(diào)整，也能在一定程度上降低目標(biāo)點(diǎn)處支座反力；而在一定范圍內(nèi)調(diào)整層壓木剛度對(duì)減小其支反力的作用十分有限。