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(duì)某集裝箱船的LNG罐艙結(jié)構(gòu)建立有限元模型，對(duì)罐體支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行在各種組合工況下的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算，校核并完善加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，滿足相關(guān)規(guī)范的要求，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：LNG艙；布置；下加強(qiáng)；上浮

中圖分類號(hào)：U663.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jí)，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(yùn)動(dòng)慣性力由相應(yīng)的限位裝置支撐。另外考慮到船舶破損進(jìn)水后，空的液罐會(huì)上浮從而導(dǎo)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(gè)液罐與船體結(jié)構(gòu)多處相連接，這些連接裝置形式復(fù)雜，受力大，需要對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析。

2 基本計(jì)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(qiáng)結(jié)構(gòu)形式：

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

每個(gè)罐體總自重為2 625 kN，每個(gè)罐體設(shè)置有4個(gè)防上浮裝置，罐體重力與上浮力相等，上浮力由于4個(gè)防上浮裝置與上部彈性裝置承受，每個(gè)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(jí)鋼，屈服強(qiáng)度為235 N/mm2。

防滾動(dòng)裝置及下加強(qiáng)采用H36鋼，屈服強(qiáng)度為355 N/mm2。

防傾斜裝置及下加強(qiáng)普通A級(jí)鋼，屈服強(qiáng)度為235 N/mm2。

防上浮裝置采用H36鋼，屈服強(qiáng)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(jì)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(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)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(duì)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(jì)算建立整個(gè)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(qiáng)橫梁、縱絎、肋板等的腹板以及艙壁采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，盡量避免使用3節(jié)點(diǎn)板殼單元因?yàn)?節(jié)點(diǎn)板殼單元是常應(yīng)變單元，會(huì)使應(yīng)力加大，造成評(píng)估存在誤差。次要構(gòu)件及主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋采用梁?jiǎn)卧M，并考慮偏心。LNG罐體支撐裝置與其下加強(qiáng)的板件與加強(qiáng)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(qiáng)的趾端精確建模，為了網(wǎng)格長(zhǎng)寬比不超過(guò)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(jiǎn)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(jì)工況

根據(jù)液罐在船舶航行中存在的運(yùn)動(dòng)情況，我們考慮了以下5種計(jì)算工況：

（1）罐體自重時(shí)，每個(gè)罐體重量為2 625 kN如圖1所示；

（2）在船舶航行過(guò)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(duì)稱，我們采取每隔90°為一個(gè)計(jì)算工況，三個(gè)貨罐同時(shí)加載，罐體左右對(duì)稱，故只計(jì)算左罐體與中罐體。故此裝置存在了8個(gè)計(jì)算工況；

（3）船舶橫傾時(shí)，引起罐體橫傾的情況；

（4）船舶縱傾時(shí)，引起罐體縱傾的情況；

（5）考慮船舶破艙時(shí)候，罐體上浮情況。

6 計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)院的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙上遺漏了船舶破艙時(shí)防上浮裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

6.1 相當(dāng)應(yīng)力比較表格

見(jiàn)表1。

（1）罐體自重工況時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中縱剖面上與D10940平臺(tái)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(tái)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(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)上部的防滾動(dòng)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(shí)，D12240平臺(tái)與木塊接觸區(qū)域應(yīng)力都超出規(guī)范要求，應(yīng)力過(guò)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(tái)的相連接處的FR78～FR380的風(fēng)管圍壁上，在該區(qū)域增加了大肘板來(lái)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(dāng)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(dāng)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(dāng)應(yīng)力云圖如圖7所示。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在所有工況中，除了上浮工況下，結(jié)構(gòu)的相當(dāng)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(shí)，由于力的作用面積太小，最大應(yīng)力達(dá)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(xì)設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)此區(qū)域增加板厚，并增加了三個(gè)加強(qiáng)肘板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并把加強(qiáng)構(gòu)件延伸到強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，注意避免（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

應(yīng)力集中的情況，避免平臺(tái)板開(kāi)孔過(guò)大與過(guò)多，會(huì)引起平臺(tái)板的剛性不足，從而引起局部應(yīng)力過(guò)大，結(jié)構(gòu)很難滿足強(qiáng)度要求。

在罐體縱傾或橫傾時(shí)，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(jì)端部削斜的扶強(qiáng)材，因?yàn)槎瞬咳菀子袘?yīng)力集中的情況。罐體下加強(qiáng)建議盡量采用高強(qiáng)度鋼。

在布置通道、梯道的時(shí)候，應(yīng)注意會(huì)因?yàn)槠脚_(tái)開(kāi)孔過(guò)大而引起局部強(qiáng)度不夠，應(yīng)盡量避免在高應(yīng)力區(qū)開(kāi)孔以及適當(dāng)?shù)貎?yōu)化結(jié)構(gòu)形式和端部節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)滿足平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

7 結(jié)論

規(guī)范無(wú)法考慮LNG艙罐體支承結(jié)構(gòu)在各種危險(xiǎn)工況下的受力情況。通過(guò)有限元計(jì)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(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整滿足規(guī)范的要求。