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6 500 m3液化氣運(yùn)輸船鞍座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

顧 俊 王凡超 劉奕謙

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

［摘 要］論述中小型液化氣船C型獨(dú)立液貨艙液罐鞍座結(jié)構(gòu)及其作用，根據(jù)《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》，采用有限元分析方法對一艘6 500 m3液化氣船的鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估。通過計算分析，提出具有一定工程參考價值的修改建議，為確保6 500 m3液化氣船在不同工況下的安全性提供技術(shù)保證。

［關(guān)鍵詞］液化氣運(yùn)輸船；C型獨(dú)立液貨艙；鞍座；有限元；強(qiáng)度分析

［修回日期］2015-03-05

引 言

中小型液化氣運(yùn)輸船的貨艙一般采用獨(dú)立式液艙。獨(dú)立液貨艙系指自身支持的液貨艙，它不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，對船體強(qiáng)度而言不是必需的。獨(dú)立液貨艙分為A型、B型和C型。A型獨(dú)立液貨艙指應(yīng)用傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)分析程序的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計的液貨艙，其設(shè)計蒸氣壓力Po應(yīng)小于0.07 MPa，在大型全冷船上采用該型式較多，工作溫度不低于-55℃；B型獨(dú)立液貨艙指采用模型試驗(yàn)、精確分析手段和分析方法確定應(yīng)力水平、疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行設(shè)計的液貨艙。如果這類液貨艙主要由平面構(gòu)成（重力液貨艙），則其設(shè)計蒸氣壓力Po應(yīng)小于0.07 MPa，LNG船用此型式較多，也有一種球罐式B型獨(dú)立艙適用于全冷式運(yùn)載-162℃的LNG；C 型獨(dú)立液貨艙（亦稱壓力容器）指符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計蒸氣壓力可根據(jù)IGC規(guī)則得出［5-6］。C型獨(dú)立艙是符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的液貨艙，它的設(shè)計安全，即使建造時有表面微裂縫，在整個壽命期也不會擴(kuò)展到泄漏。我國目前建造的全壓式和半冷半壓式LPG 船皆屬于此范疇。該種類型船不需要設(shè)置屏蔽，技術(shù)狀態(tài)成熟，本文中分析的目標(biāo)船型即屬于這類船型。

1　鞍座及其作用

鞍座是C型獨(dú)立液貨艙中最常用的支座型式，主要用來承受臥式液貨罐體及液貨罐體內(nèi)液貨的重量，起到固定罐體并使罐體在船舶六自由度運(yùn)動中保持穩(wěn)定的作用。液貨艙通過鞍座與主船體結(jié)構(gòu)相連，液貨及罐體的重量集中于鞍座上，因此要求鞍座具有足夠的強(qiáng)度，以承擔(dān)罐體內(nèi)液體的重量以及船舶六自由度運(yùn)動中產(chǎn)生的慣性力的作用。鞍座包角是指鞍座能夠承受罐體重量區(qū)域的范圍。超出這個范圍，鞍座面板將不能承受罐體的重量。一般采用150°鞍座包角以保證在靜橫傾角30°時仍能對罐體起到合理的支撐作用。液艙外側(cè)在鞍座范圍設(shè)置覆板，鞍座與貨艙間墊有層壓木，層壓木與鞍座面板之間填滿環(huán)氧膠泥。此外，為避免裝載低溫液貨時罐體本身的熱脹冷縮以及由于罐體及液貨重力使罐體產(chǎn)生彎曲變形等原因?qū)ω浥撘鸶郊討?yīng)力，通常每個液罐的鞍座為兩個，其中一個為固定式鞍座，另一個為可移動的鞍座，圖1和圖2分別為固定鞍座和滑動鞍座的結(jié)構(gòu)形式。固定鞍座和滑動鞍座結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是，前者設(shè)有止移扁鋼和支撐止移扁鋼的耳板，而后者需保證罐體本身的熱脹冷縮量及船舶運(yùn)動時罐體在船長方向有足夠的位移量，故滑動鞍座不能設(shè)置止移扁鋼。

圖1　固定鞍座

圖2　滑動鞍座

2　鞍座結(jié)構(gòu)有限元計算

2.1 建模規(guī)則

本文采用大型通用有限元分析軟件Patran/Nastran建立整個NO.1貨艙模型。在模型范圍內(nèi)，所有縱向和絕大部分橫向主要構(gòu)件都進(jìn)行建模。這些構(gòu)件包括：內(nèi)殼和外板結(jié)構(gòu)、雙層底肋板和桁材系統(tǒng)、橫向強(qiáng)框架、邊壓載艙水平桁材、橫艙壁和縱艙壁。構(gòu)件上所有的板材和骨材、包括腹板加強(qiáng)筋都要模擬。對于強(qiáng)框腹板上少數(shù)次要的防屈曲加強(qiáng)筋的模擬可以按劃分的網(wǎng)格進(jìn)行位置的微調(diào)。對于強(qiáng)框和縱桁的腹板開孔應(yīng)進(jìn)行簡化處理或者幾何邊界模擬。在本模型中，所有加筋板格或非加筋板格均用殼單元模擬，板格上的加強(qiáng)筋用梁單元模擬。為準(zhǔn)確模擬鞍座結(jié)構(gòu)幾何形狀，所要分析的鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1/6縱骨間距，NO.1貨艙段縱骨間距為700 mm，因此鞍座結(jié)構(gòu)及附近船體網(wǎng)格大小為116 mm左右，遠(yuǎn)離關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格劃分按照骨材間距實(shí)際排列方式，即每兩相鄰縱骨、兩相鄰肋位、垂直扶強(qiáng)材或水平加強(qiáng)筋之間為一個單元，約700 mm。板單元的長寬比盡可能接近1，并避免使用三角形單元。

2.2 尺寸縮減

按照CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》［1］（ 以下簡稱規(guī)范）要求，艙段有限元模型中所有板材、骨材的腹板和面板不使用縮減尺寸，即采用船舶建造厚度。

2.3 載荷及工況

根據(jù)規(guī)范說明，分析中應(yīng)至少包括以下載荷項(xiàng)：

（1）貨物載荷——液貨艙和液貨質(zhì)量，應(yīng)計及船舶運(yùn)動引起的慣性力；

（2）結(jié)構(gòu)自重——模型中的船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可由計算程序自動算出；

（3）海水壓力——按CCS《油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》［2］章第4.2節(jié)可僅計靜水壓力；

（4）調(diào)平附加載荷——為貨物載荷加上結(jié)構(gòu)自重與浮力之差而設(shè)，施與船底板并于浮力疊加；

（5）液貨艙和貨物質(zhì)量的1/2 向前沖力和1/4向后沖力；

（6）船體靜橫傾角30°姿態(tài)時，各有效質(zhì)量沿傾斜面產(chǎn)生的重力分量，取1/2 重力值；

對于液貨艙的慣性加速度各個分量，是根據(jù)船舶在北大西洋中在超越概率水平為10-8波浪載荷下運(yùn)動響應(yīng)而獲得，且適用于船長超過50 m的船舶。各個慣性加速度分量定義如下：

縱向加速度：橫向加速度：垂向加速度：式中：式中：L0為船長按公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)所定義確定結(jié)構(gòu)尺寸，m；可取垂線間長；Cb為方形系數(shù)；B為船舶最大型寬，m；X為船中到裝貨的液貨艙重心之間的縱向距離m；船中前，X為正值，船中后，X為負(fù)值；Z為船舶的實(shí)際水線到裝貨的液貨艙重心之間的垂向距離，m，水線以上，Z為正值，水線以下，Z為負(fù)值；V為營運(yùn)速度，kn；K為通常為1.0，對于特殊裝載情況和船型，K值可按下式確定：K=13 GM/B，此時：K≥1.0，其中GM為靜穩(wěn)心高度，m。

ax、ay、az為相應(yīng)方向上的最大無因次加速度（即相對于重力加速度）。計算時，可以認(rèn)為它們分別作用，az不包括靜重力分量，ay包括橫搖及橫蕩在橫向上引起靜載荷分量，ax包括縱搖及縱蕩在縱向上引起的靜載荷分量。

規(guī)范還建議以正弦或余弦函數(shù)的分布形式模擬液貨艙向鞍座的施載方式，見圖3。船舶正浮時，壓力按余弦函數(shù)分布［4］

圖3　液貨艙向鞍座的施載方式示意圖

根據(jù)單個鞍座所受壓力的合力等于罐體自重及液貨質(zhì)量之和的一半，即：式中：P0為未知數(shù)，N/m2；α為徑向力與豎直平面之間的夾角，°；b為層壓木寬度，m；R1為鞍座面板的半徑，m；G為罐體自重及液貨質(zhì)量之和，N。

聯(lián)合式（4）和式（5）可解出未知數(shù)P0，進(jìn)而得到船舶正浮時，壓力的分布函數(shù)為：

船體靜橫傾角30°姿態(tài)時，鞍座包角θ減小60°，同理可得出壓力的分布函數(shù)為：

船舶發(fā)生垂蕩時，可按船舶正浮時的壓力分布函數(shù)得到垂蕩工況下的壓力分布：

船舶發(fā)生橫搖時，鞍座面板僅有一側(cè)受力，壓力分布為［3］：

船舶發(fā)生縱搖時，縱向慣性力主要由固定鞍座面板上的止移扁鋼承受，即固定鞍座面板上一側(cè)的止移扁鋼承受全部的縱向慣性力。

1/2（艙＋貨）向前沖力、1/4（艙＋貨）向后沖力也是由固定鞍座面板上一側(cè)的止移扁鋼全部承受。

具體的工況組合見表1，固定鞍座分析全部六個工況，滑動鞍座分析工況1、工況2、工況3、工況6四個工況。

表1　載荷工況

2.4 模型范圍及邊界條件

按規(guī)范要求，模型縱向范圍取1/2+1+1/2艙，橫向范圍為整個船寬，垂向范圍為整個型深。本文分析的NO.1貨艙內(nèi)設(shè)置兩個鞍座結(jié)構(gòu)，前端為滑動鞍座，后端為固定鞍座。局部模型的邊界條件設(shè)置見表2。對于支承構(gòu)件（鞍座），應(yīng)注意每一個固定支座和活動支座對線位移的約束作用。該作用將影響液貨艙（包括液貨）載荷水平分量在鞍座上的分配量。

表2　邊界條件

2.5 許用應(yīng)力

按規(guī)范要求，許用應(yīng)力衡準(zhǔn)見下頁表3。

表3　許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

3　計算示例

3.1 6 500 m3液化氣船主要參數(shù)

本船為6 500 m3液化氣船，為鋼質(zhì)單甲板雙殼船，采用C 型獨(dú)立液貨艙。本船設(shè)有兩個獨(dú)立的罐體，容積可以不相等；設(shè)有裝卸貨設(shè)備，可裝載一種貨品或同時裝載兩種貨品，是半冷半壓式LPG專用運(yùn)輸船，適于裝載的貨品為乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等石油氣。本船適于國際航行，也可以在長江航行。相關(guān)計算參數(shù)見表4。

表4　6 500 m3液化氣運(yùn)輸船主要參數(shù)

3.2 鞍座模型及載荷施加

鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4 -圖5所示，典型工況下鞍座載荷施加示意圖如圖6 -圖9所示。

圖4　NO.1貨艙模型（含固定鞍座和滑動鞍座）

圖5　NO.1貨艙半寬模型

圖6　船體靜橫傾角30°姿態(tài)時鞍座面板受力圖

圖7　垂蕩時鞍座面板受力圖

圖8　橫搖時鞍座面板受力圖

圖9　1/2（艙＋貨）向前沖力施加示意圖

3.3 計算結(jié)果及分析

固定鞍座和滑動鞍座在各個工況下計算分析結(jié)果如表5所示，鞍座及船體結(jié)構(gòu)均采用普通鋼，板單元對應(yīng)的許用應(yīng)力為［σ］，σs=211.5 MPa。

表5　固定鞍座（NO.1貨艙后部）和滑動鞍座（NO.1貨艙前部）及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

由表5可知，6 500 m3液化氣船固定鞍座和滑動鞍座在各個工況下的強(qiáng)度均滿足規(guī)范強(qiáng)度衡準(zhǔn)。以滑動鞍座處最危險工況2為例，滑動鞍座結(jié)構(gòu)及附近船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖10和圖11。滑動鞍座結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力發(fā)生在鞍座肘板趾端，此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計時應(yīng)注意肘板的面板削斜端應(yīng)力集中的釋放［7］，如設(shè)置圓弧型肘板，帶軟趾的直邊型肘板等?；瑒影白浇w結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力發(fā)生在鞍座處強(qiáng)框與外板相交處，為210 MPa，非常接近許用應(yīng)力，設(shè)計時應(yīng)特別注意。

圖10　工況2下滑動鞍座結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11　工況2下滑動鞍座附近船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

提取該單元在工況2下的應(yīng)力分量，其中沿船長方向的正應(yīng)力為-36.3 MPa，沿型深方向的正應(yīng)力為-209 MPa，剪應(yīng)力為-47.3 MPa。工況2為橫搖加垂蕩，因此垂蕩工況是導(dǎo)致趾端處應(yīng)力較大的原因。為了改善此處的應(yīng)力集中，把原先的直角肘板改為圓弧肘板，保持肘板的邊長一致。重新計算工況2下的圓弧肘板趾端應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)僅為91 MPa（見下頁圖12），這說明支撐鞍座的直角肘板改為圓弧肘板將有利于改善應(yīng)力集中程度。

圖12　修改后工況2下滑動鞍座肘板應(yīng)力云圖

3.4 鞍座處型線變化對應(yīng)力分布的影響

目標(biāo)船設(shè)置的固定鞍座位于NO.1貨艙的后部，滑動鞍座位于NO.1貨艙的前部，計算結(jié)果見3.3節(jié)表5。由于目標(biāo)船NO.1貨艙在滑動鞍座處有船體線型的收縮，滑動鞍座處處結(jié)構(gòu)不如固定鞍座處結(jié)構(gòu)豐滿，會導(dǎo)致滑動鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值普遍比固定鞍座結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值大。

為驗(yàn)證鞍座處型線變化對應(yīng)力分布的影響，將NO.1貨艙固定鞍座和滑動鞍座的位置對調(diào)，對調(diào)后固定鞍座位于NO.1貨艙的前部，滑動鞍座位于NO.1貨艙的后部，重新計算固定鞍座和滑動鞍座在各個工況下的分析結(jié)果，如表6所示。

表6　固定鞍座（NO.1貨艙前部）和滑動鞍座（NO.1貨艙后部）及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

綜合表5和表6的結(jié)果可以看出，兩種方案中滑動鞍座結(jié)構(gòu)均比固定鞍座結(jié)構(gòu)大，與所在船體處線型胖瘦無關(guān)。瘦削船體線型處的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平比豐滿船體線型處的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平大。由此可見，鞍座處型線變化對應(yīng)力分布有影響，瘦削船體線型將減弱鞍座處船體的結(jié)構(gòu)剛度，會對此處應(yīng)力水平造成不利影響。

4　結(jié) 論

本文采用大型有限元計算軟件對6 500 m3液化氣船固定鞍座和滑動鞍座進(jìn)行有限元計算，并以中國船級社《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》為依據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度校核。這種方法可以較準(zhǔn)確地計算出固定鞍座和滑動鞍座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，可供類似船舶鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計作依據(jù)和驗(yàn)證。

（1）滑動鞍座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值普遍比固定鞍座結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值大，究其原因，滑動鞍座面板上沒有止移扁鋼及耳板，此外鞍座處型線變化對鞍座附近船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布有影響，瘦弱的船體線型將減弱鞍座處船體結(jié)構(gòu)剛度，會對鞍座附近船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平造成不利影響。若滑動鞍座結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大，可考慮在滑動鞍座面板下設(shè)置圓弧肘板以替代直角肘板，以便改善滑動鞍座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

（2）在不同工況的校核下，工況2（橫搖＋垂蕩）聯(lián)合作用時，固定鞍座和滑動鞍座結(jié)構(gòu)最危險，設(shè)計時需特別注意，可設(shè)置圓弧肘板來支撐鞍座結(jié)構(gòu)。

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Strength analysis of saddle for 6 500 m3liquefi ed gas carrier

GU Jun WANG Fan-chao LIU Yi-qian

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:The paper discusses the structure and the functions of the saddle on independent type-C liquid cargo tank for the small and medium liquefi ed gas carriers.The structural strength of the saddle on a 6 500 m3liquefi ed gas carrier and the hull structure around it is assessed by the fi nite element method according to the “Rules for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefi ed Gas in Bulk”.Several practical suggestions are proposed through calculation and analysis, which could provide technical supports for the safety of the 6 500 m3liquefi ed gas carrier under different operation conditions.

Keywords:liquefi ed gas carrier; independent type-c liquid cargo tank; saddle; fi nite element; strength analysis

［收稿日期］2014-11-07；

［文章編號］1001-9855（2015）04-0077-07

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［中圖分類號］U663.7

［作者簡介］顧 ?。?986-），男，工程師，碩士，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。王凡超（1987-），男，工程師，碩士，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。劉奕謙（1983-），男，工程師，碩士，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計。