孫 堅(jiān)， 王嘉明， 季少偉， 謝仁杰

(1.中國船級社江陰辦事處， 江蘇 江陰 214431； 2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國的環(huán)境污染治理問題已迫在眉睫，新型清潔能源的推廣使用是大勢所趨。LNG因其熱值大、性能高、清潔等特性，正在逐步取代煤、石油等污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)燃料[1-2]。LNG為低溫液體，在裝卸、運(yùn)輸過程中有一定的安全隱患，通常需采用特殊的罐體裝載、運(yùn)輸。隨著LNG的推廣，LNG的使用對象越來越多，運(yùn)輸載體和手段越來越豐富，這些都對LNG燃料罐體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和建造質(zhì)量提出新的要求[3-4]。在船舶行駛過程中，LNG燃料罐內(nèi)的壓力會升高，這就要求LNG燃料罐在設(shè)計(jì)過程中須保證其在一定的壓力下可正常工作。

本文對LNG帶冷箱燃料罐開展研究，考慮其在貨物載荷、慣性載荷的作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并對其筒體、封頭、內(nèi)外容器間的支撐結(jié)構(gòu)以及鞍座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，為后續(xù)船用LNG燃料罐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

1 有限元模型

以某船用11 m3的LNG燃料罐為研究對象，該燃料罐體為8點(diǎn)支撐內(nèi)外罐結(jié)構(gòu)。為阻隔熱量傳遞，內(nèi)外罐體之間設(shè)計(jì)為真空狀態(tài)，并通過玻璃鋼支撐件連接。該燃料罐有效容積為11 m3，結(jié)構(gòu)總長為7.3 m，內(nèi)容器內(nèi)徑為2.0 m，外殼內(nèi)徑為2.2 m，內(nèi)容器和外容器均有加強(qiáng)角鋼。罐體左側(cè)和右側(cè)各有一冷箱，焊接于罐體，左冷箱長為1.78 m，右冷箱長為1.52 m。

根據(jù)相關(guān)圖紙，充分考慮燃料罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用有限元軟件建立整體結(jié)構(gòu)三維有限元模型，內(nèi)外筒體、冷箱、鞍座墊板、防沖板、腹板、筋板和底板等結(jié)構(gòu)均采用殼單元，支撐管、固定管、墊板等采用體單元[5-7]。模型總計(jì)有221 408個(gè)網(wǎng)格單元和256 741個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)整體有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 LNG燃料罐整體有限元模型

圖2 燃料罐二分之一有限元模型

2 計(jì)算工況

表1所示為LNG燃料罐的各種計(jì)算工況：工況1的8 808 Pa相當(dāng)于罐內(nèi)介質(zhì)2倍加速度質(zhì)量對于罐體投影面的壓力；工況2的11 372 Pa相當(dāng)于罐內(nèi)介質(zhì)1倍加速度質(zhì)量對于封頭投影面的壓力；工況3的4 404 Pa相當(dāng)于罐內(nèi)介質(zhì)1倍加速度質(zhì)量對于罐體下投影面的壓力；工況4的8 808 Pa相當(dāng)于罐內(nèi)介質(zhì)2倍加速度質(zhì)量對于罐體上投影面的壓力。其中，工況1和工況2均考慮罐體重力加速度。

罐體投影面壓力計(jì)算公式為

式中：n為計(jì)算因數(shù)，在工況1和4中n=2,在工況2和3中n=1；m為LNG燃料質(zhì)量；ρ為LNG燃料密度，取450 kg/m3[8]；V為燃料罐有效容積，該燃料罐為11 m3;g為重力加速度，本文取9.81 N/kg;s為燃料罐的投影面積，在工況2中s=3.843 m3，在工況1、3和4中s=9.924 m3。

表1 計(jì)算工況表

為了清楚顯示所加載荷大小，以工況2(-x方向水平運(yùn)動)為例，載荷示例取半寬模型，但運(yùn)用整個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，重力載荷方向取豎直向下[8]。工況2中結(jié)構(gòu)載荷示例如圖3～圖6所示。

圖3 內(nèi)容器計(jì)算壓力1.2 MPa加載示例

圖4 貨物慣性載荷11 372 Pa加載示例(+x方向)

圖5 外容器真空度0.1 MPa載荷加載示例

圖6 水平方向慣性載荷(-g)示例

3 材料參數(shù)

罐體本身所使用的材料為S30408，由于玻璃鋼在內(nèi)外罐體連接時(shí)起著重要作用，連接部分也需進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

4 邊界條件

4.1 約束

在定義工況1～工況4的邊界條件時(shí)，在一側(cè)鞍座底板施加6個(gè)自由度約束(Dx=0，Dy=0，Dz=0，Rx=0，Ry=0，Rz=0)，另一側(cè)鞍座底板施加5個(gè)自由度約束(Dy=0，Dz=0，Rx=0，Ry=0，Rz=0)，加載后的各工況邊界條件示例如圖7所示。

圖7 所有工況的邊界條件示例

4.2 接觸定義

玻璃鋼與內(nèi)外罐支撐結(jié)構(gòu)間的連接采用面面接觸單元模擬，其中外墊片和內(nèi)墊片分別與玻璃鋼定義接觸，兩者之間的摩擦因數(shù)均設(shè)置為0.3，接觸如圖8所示。玻璃鋼與內(nèi)外墊片節(jié)點(diǎn)未平衡，圖8中外墊片被結(jié)構(gòu)固定，內(nèi)墊片可滑動。

圖8 玻璃鋼與墊片

5 計(jì)算結(jié)果與分析

通過MSC.Nastran的計(jì)算分析得到在4個(gè)工況下該燃料罐的應(yīng)力分布云圖和玻璃鋼剪切應(yīng)力分布云圖，如圖9～圖16所示。

圖9 工況1半寬相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

圖10 工況1玻璃鋼剪切應(yīng)力分布云圖

圖11 工況2半寬相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

圖12 工況2玻璃鋼剪切應(yīng)力分布云圖

圖13 工況3半寬相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

圖14 工況3玻璃鋼剪切應(yīng)力分布云圖

圖15 工況4半寬相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

圖16 工況4玻璃鋼剪切應(yīng)力分布云圖

通過計(jì)算分析得：在工況1條件下，該液罐的應(yīng)力最大點(diǎn)位于內(nèi)容器，最大值為169 MPa，小于許用應(yīng)力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應(yīng)力為23.7 MPa,小于許用值，符合規(guī)范要求；在工況2條件下，該液罐的應(yīng)力最大點(diǎn)位于內(nèi)容器，最大值為169 MPa，小于許用應(yīng)力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應(yīng)力為21.8 MPa,小于許用值，符合規(guī)范要求；在工況3條件下，該液罐的應(yīng)力最大點(diǎn)位于內(nèi)容器，最大值為168 MPa，小于許用應(yīng)力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應(yīng)力為21.2 MPa,小于許用值，符合規(guī)范要求；在工況4條件下，該液罐的應(yīng)力最大點(diǎn)位于內(nèi)容器，最大值為169 MPa，小于許用應(yīng)力205 MPa，玻璃鋼最大剪切應(yīng)力為22.5 MPa,小于許用值，符合規(guī)范要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別得到燃料罐不同部位在4種工況下的中面應(yīng)力和表面應(yīng)力的最大值和許用值如表3所示。

表3 燃料罐不同部位中面應(yīng)力和表面應(yīng)力的最大值和許用值

6 結(jié) 論

采用數(shù)值仿真方法對LNG船用燃料罐在運(yùn)輸過程中受到貨物載荷、慣性載荷作用下的應(yīng)力水平進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1) 燃料罐整體結(jié)構(gòu)中最大的中面應(yīng)力和表面應(yīng)力都在內(nèi)容器上，外殼上的應(yīng)力均小于內(nèi)容器上的應(yīng)力，這是因?yàn)榇霸谶\(yùn)動過程中會產(chǎn)生作用在內(nèi)容器上不同方向的慣性載荷。

(2) 綜合4個(gè)工況，該型船用燃料罐各構(gòu)件應(yīng)力均小于規(guī)范中的許用值，強(qiáng)度滿足要求，符合行業(yè)規(guī)范。