崔相義，嚴(yán) 勇，王慶豐

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.華泰重工(南通)有限公司，江蘇 南通 226532)

2 000 m3薄膜型LNG運(yùn)輸船的碰撞性能研究

崔相義1，嚴(yán) 勇2，王慶豐1

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.華泰重工(南通)有限公司，江蘇 南通 226532)

基于新設(shè)計(jì)開發(fā)的內(nèi)河薄膜型LNG運(yùn)輸船，運(yùn)用有限元數(shù)值方法對舷側(cè)的碰撞性能進(jìn)行研究，得出圍護(hù)系統(tǒng)絕熱木箱及船體主要構(gòu)件的損傷及吸能，并初步探討內(nèi)河薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)在碰撞載荷下的失效極限狀態(tài)。研究結(jié)果表明，橫框架在碰撞過程中起到了很好的抵抗作用。

液化天然氣運(yùn)輸船；薄膜型；有限元法；沖擊試驗(yàn)

0 引言

我國內(nèi)河水域資源極為豐富，水上船舶運(yùn)輸與許多地方的經(jīng)濟(jì)和生活息息相關(guān)，但是由于國內(nèi)船用發(fā)動機(jī)技術(shù)相對落后及水上運(yùn)輸管理不夠完善，船用燃油的泄漏以及廢氣的隨意排放使得內(nèi)河水域及大氣環(huán)境受到了嚴(yán)重污染，破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，為此我國正在內(nèi)河航道大力推廣應(yīng)用清潔、高效的液化天然氣(LNG)。 “海港星01號” 是我國首個水上LNG加注站，它的成功投入試運(yùn)行標(biāo)志著我國內(nèi)河運(yùn)輸進(jìn)入了全新的“天然氣時代”。LNG運(yùn)輸船是水上運(yùn)輸天然氣的最有效的途徑，但是作為一種危險品貨物運(yùn)輸船，在內(nèi)河航行的同時必然存在著遭受碰撞的風(fēng)險，因而非常有必要對內(nèi)河LNG運(yùn)輸船的碰撞性能進(jìn)行研究。

目前薄膜型LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)主要應(yīng)用在大型LNG運(yùn)輸船上。由于該類型的圍護(hù)系統(tǒng)所特有的優(yōu)點(diǎn)[1]，薄膜型技術(shù)日漸趨于成熟，以及建造成本的降低，國外已經(jīng)將其應(yīng)用在內(nèi)河中小型LNG運(yùn)輸船上，如GTT公司已經(jīng)在美國推出薄膜技術(shù)并開始建造2 200 m3的內(nèi)河運(yùn)輸小型LNG船。國內(nèi)也在積極地對內(nèi)河薄膜型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行研究，如江南造船(集團(tuán))有限公司的范鵬等[2]對4 000 m3薄膜型LNG加注船進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)的研究。本文基于《薄膜型液化天然氣運(yùn)輸船檢驗(yàn)指南》、《內(nèi)河散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范

設(shè)計(jì)出2 000 m3內(nèi)河薄膜型LNG運(yùn)輸船，并對舷側(cè)的碰撞性能進(jìn)行了模擬分析，為后續(xù)該類型船舶的研究提供了參考。

1 碰撞仿真的基本理論

1.1 碰撞運(yùn)動控制方程

船舶碰撞的過程非常短，往往發(fā)生在瞬時。在本文研究碰撞的過程中， 舷側(cè)在短時間內(nèi)承受巨大的碰撞沖擊載荷，其結(jié)構(gòu)會很快地進(jìn)入塑性變形階段，具有非常明顯的非線性特征。拉格朗日法和歐拉法[3]是在建立彈塑性有限變形的有限元控制方程時的2種不同的描述方法。

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，整個運(yùn)動系統(tǒng)必須保持質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。

質(zhì)量守恒方程為：

r=Jr0

(1)

式中：r為當(dāng)前構(gòu)形質(zhì)量密度；J為體積變化率；r0為初始構(gòu)形質(zhì)量密度。

動量守恒方程

(2)

能量守恒方程為：

(3)

1.2 顯式有限元求解方法

船舶碰撞屬于典型的非線性動力問題。顯式求解方法適用于大多數(shù)的非線性動力問題，其優(yōu)越性在求解大型結(jié)構(gòu)的瞬時高度非線性問題時得到了充分的體現(xiàn)。

ABAQUS/Explicit應(yīng)用中心差分法[4]對運(yùn)動方程進(jìn)行顯式的時間積分。動力平衡方程為：

Mü=P-I

(4)

式中：M為質(zhì)量矩陣;ü為節(jié)點(diǎn)加速度;P為所施加的外力;I為單元的內(nèi)力。

在當(dāng)前增量步開始時(t時刻)，加速度為：

ü∣(t)=(M)-1·(P-I)∣(t)

(5)

對加速度進(jìn)行時間積分(dt為時間增量)，得到速度表達(dá)式為：

(6)

增量步結(jié)束時的位移表達(dá)式為：

(7)

2 碰撞方案及有限元模型

2.1 撞擊船的確定

在長江航行中的船長在100 m以下的船舶數(shù)量約占整個船舶總量的80%[5]。為了使研究更具普遍性和實(shí)際意義，本文選取某船長為77.8 m的224 TEU集裝箱船作為研究對象。表1給出了撞擊船的主要數(shù)據(jù)。

表1 撞擊船的主要數(shù)據(jù)

建模過程中，根據(jù)《內(nèi)河船舶抗碰撞能力評估指南》中的基本假定[6]，撞擊船艏部簡化為剛性球鼻艏撞頭，在模型中建立參考點(diǎn)，并賦予參考點(diǎn)質(zhì)量已滿足撞擊船的排水量。撞擊船的速度取服務(wù)航速，即18 km/h。

2.2 被撞船的概述

表2為被撞船的主要數(shù)據(jù)。

表2 被撞船的主要數(shù)據(jù)

圖1給出了2 000 m3薄膜型LNG運(yùn)輸船橫剖面示意圖以及貨艙圍護(hù)系統(tǒng)圖。

在建模過程中，考慮到船舶碰撞的局部性和時間成本，研究中使用了被撞船的局部模型，對船體中部的舷側(cè)部分建立有限元模型，并在液艙艙壁上建立了NO.96薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)。NO.96型貨物圍護(hù)系統(tǒng)主要由特制的層合板拼成的絕熱木箱組成。層合板拼接方式有多種形式，本文建模所采用的拼接方式如圖2所示。絕熱木箱有2層，其尺寸如圖3所示。木箱內(nèi)部裝滿珍珠巖顆粒作為絕熱材料。木箱和船體之間通過螺栓連接，螺栓底部用焊接的方式固定在船體內(nèi)殼板上。圍護(hù)系統(tǒng)中的殷瓦鋼薄膜厚度為0.7 mm。一般認(rèn)為殷瓦鋼不能單獨(dú)承受載荷，珍珠巖作為顆粒填充物填充在木箱內(nèi)，不能吸收內(nèi)能，所以在有限元模型中殷瓦鋼和珍珠巖都會被忽略[7]。

圖1 2 000 m3薄膜型LNG運(yùn)輸船橫剖面示意圖及圍護(hù)系統(tǒng)

圖2 層合板拼接圖

圖3 絕熱木箱尺寸圖

表3給出了模型中主要的材料屬性。鋼的塑性失效應(yīng)變設(shè)為0.3[8]，如果鋼結(jié)構(gòu)單元達(dá)到這個失效應(yīng)變值，結(jié)構(gòu)破壞，相應(yīng)結(jié)構(gòu)單元就會從模型中刪除，不再參與后面的模擬。

表3 材料屬性

2.3 附加質(zhì)量模型

流體介質(zhì)對船舶碰撞的影響通過附加質(zhì)量的形式來實(shí)現(xiàn)。

撞擊船的附加質(zhì)量采用Motora[9]的經(jīng)驗(yàn)公式來實(shí)現(xiàn)。附加質(zhì)量mx為：

mx=(0.02～0.07)m1

(8)

式中：m1為撞擊船的總質(zhì)量，kg。

附加質(zhì)量與船體質(zhì)量相比非常小，本文mx取0.05m1。

被撞船發(fā)生橫飄運(yùn)動，其船體附加質(zhì)量my采用V.U.Minorsky[10]假定的公式：

my=0.4m2

(9)

式中：m2為被撞船的總質(zhì)量，kg。

附加質(zhì)量以附加質(zhì)量密度的形式加到被撞船上[11]。

對式(9)進(jìn)一步推導(dǎo)可以得出：

my=ryv=0.4r0v

(10)

式中：my為附加質(zhì)量，kg；ry為附加質(zhì)量密度,kg/m3；r0為被撞船的密度,kg/m3；v為排水體積,m3。

由式(10)得出附加質(zhì)量密度的表達(dá)式：

ry=0.4r0

(11)

被撞船的質(zhì)量密度為：

r1=(1+0.4)r0=10 990 kg/m3

(12)

式中：r0為船體質(zhì)量密度,kg/m3，如船體為鋼，其密度r0=7 850 kg/m3。

2.4 有限元模型

本文研究選取3個有限元模型，即船體舷側(cè)部分、絕熱木箱、撞擊船艏。碰撞角度選取最危險的垂直碰撞。為了使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況，并且節(jié)約計(jì)算時間，本次研究只對直接碰撞區(qū)域、絕熱木箱和絕熱木箱連接的內(nèi)殼板部分細(xì)化成50 mm的網(wǎng)格，其他部分采用150 mm的網(wǎng)格。其碰撞示意圖如圖4所示。

圖4 碰撞示意圖

3 碰撞結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)的損傷和變形

絕熱木箱層合板的極限強(qiáng)度為40 MPa[7]，當(dāng)層合板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)到此強(qiáng)度值時，數(shù)值模擬停止。

通過船舶碰撞的模擬，分析研究船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能、貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及能量的吸收。

模擬進(jìn)行到0.018 s時，船艏接觸到船體外板。由于撞擊船艏擁有非常大的初始動能，船體外板的應(yīng)力瞬間達(dá)到其屈服應(yīng)力進(jìn)入塑性應(yīng)變階段。與此同時，碰撞力率先通過平臺甲板和橫框架傳遞給了內(nèi)殼板和絕熱木箱，絕熱木箱在相應(yīng)的位置產(chǎn)生了應(yīng)力，但是應(yīng)力非常小，絕熱木箱處于非常安全的狀態(tài)。隨著碰撞時間的增加，舷側(cè)外板在0.09 s時開始失效，此時撞擊船艏直接接觸平臺甲板和舷側(cè)縱桁，通過構(gòu)件傳遞給絕熱木箱的力也在不斷增加。碰撞過程在0.3 s時結(jié)束，此時絕熱木箱的最大應(yīng)力到達(dá)40 MPa。

在碰撞過程中，橫框架和平臺甲板的損傷模式主要是褶皺、彎曲和撕裂。舷側(cè)縱桁主要發(fā)生了彎曲和斷裂。甲板在約0.29 s時受到了船艏的直接撞擊，開始產(chǎn)生大的塑性變形，出現(xiàn)了失效單元。在碰撞結(jié)束的時候，內(nèi)殼板完好無損，沒有發(fā)生任何變形。圖5至圖8為主要結(jié)構(gòu)的損傷變形時序圖。

圖5 平臺甲板和舷側(cè)縱桁的損傷時序圖

圖6 甲板的變形圖

圖7 橫框架的損傷變形時序圖

從圖中可以看出，碰撞對船體構(gòu)件造成了較為嚴(yán)重的損傷，且損傷具有明顯的局部特性。碰撞區(qū)的構(gòu)件如舷側(cè)外板，在碰撞的最初階段就會發(fā)生塑性失效，遠(yuǎn)離碰撞區(qū)的構(gòu)件部分只發(fā)生了很小的塑性變形，或者只是受到碰撞區(qū)構(gòu)件傳遞的作用力并沒有產(chǎn)生變形。碰撞過程中先是舷側(cè)外板發(fā)生破裂，隨著撞深的增加，橫框架、平臺甲板和舷側(cè)縱骨進(jìn)一步被擠壓，出現(xiàn)彎曲進(jìn)而形成褶皺并失效。模擬結(jié)束時絕熱木箱的應(yīng)力云圖如圖9所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，最外一層的絕熱木箱達(dá)到了其極限強(qiáng)度，但木箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)并沒有完全失效，尤其是內(nèi)層絕熱木箱。值得注意的是，外層絕熱木箱的有些部分的強(qiáng)度達(dá)到了40 MPa，結(jié)構(gòu)會被破壞。

圖8 船體的應(yīng)力分布云圖

圖9 絕熱木箱的應(yīng)力云圖

3.2 能量的轉(zhuǎn)化和吸收

3.2.1 能量的轉(zhuǎn)化

碰撞過程中船舶撞擊動能大部分轉(zhuǎn)化成了結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能。初始的撞擊動能為6.38×107J。碰撞過程中動能損失了7.38×106J，船舶的總應(yīng)變能增加6.69×106J，占動能損失的90.7%。而在總變形能中，塑性變形能增加了5.99×106J，占總應(yīng)變能的89.5%。由此可以看出，船舶的動能大部分轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的塑性變形能，如圖10所示，此外還有一部分能量損失在沙漏能及摩擦能中。

圖10 總能量的轉(zhuǎn)化

3.2.2 各構(gòu)件能量的吸收

圖11為各主要構(gòu)件的能量吸收隨時間變化的情況。各構(gòu)件吸收的能量是隨著碰撞時間不斷增加的。在整個過程中，舷側(cè)外板、橫框架、甲板平臺、舷側(cè)縱桁吸收了很多的能量，在LNG船的碰撞過程中起到了很大的抗撞作用。內(nèi)殼板在仿真結(jié)束時并沒有發(fā)生大的變形，所以吸能的作用還沒有發(fā)揮。絕熱木箱在整個碰撞過程中總共吸收了18 728 J的能量，只占動能損失的0.25%，從吸能的角度來說，此時整個圍護(hù)系統(tǒng)處于相對安全狀態(tài)。

圖11 各主要構(gòu)件吸能-時間曲線

4 結(jié)論

(1)絕熱木箱在碰撞過程中沒有受到嚴(yán)重?fù)p壞，尤其是內(nèi)層絕熱木箱，圍護(hù)系統(tǒng)處于較為安全狀態(tài)，以絕熱木箱層合板的極限強(qiáng)度作為圍護(hù)系統(tǒng)的失效極限狀態(tài)較為保守。

(2)橫框架在內(nèi)河薄膜型LNG運(yùn)輸船舷側(cè)結(jié)構(gòu)中起到很大的抗撞作用，所以建議在船體結(jié)構(gòu)上多設(shè)幾檔強(qiáng)肋位。

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2016-07-05

崔相義(1989—)，男，碩士研究生，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造研究；嚴(yán)勇(1974—)，男，高級工程師，從事船舶設(shè)計(jì)及工藝研究；王慶豐(1976—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、船舶制造工藝力學(xué)研究。

U661.4

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