趙家蛟，崔兵兵，莊科挺

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前 言

自國際海事組織（IMO）實施限硫令以來，航運業(yè)正式步入低硫時代。 LNG 作為清潔高效的燃料受到船舶運輸市場的青睞，中小型LNG 加注兼運輸船訂單量也不斷攀升。 7 500 m3LNG 加注船是上海船舶研究設(shè)計院為國外船東設(shè)計的一型液化天然氣加注/運輸船，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，懸掛馬耳他旗，入級DNV 船級社。

7 500 m3LNG 加注船，總布置圖如圖1 所示，總長約115.80 m、型寬19.00 m、型深11.80 m、設(shè)計吃水5.95 m、結(jié)構(gòu)吃水6.20 m、肋骨間距700 mm，滿足1B 級冰區(qū)加強要求。采用雙底、雙殼、單凸起甲板結(jié)構(gòu)形式，船體中部設(shè)有前后2 個C 型獨立液罐貨艙區(qū)，既可滿足LNG 運輸又可為其他船舶或岸上終端提供加注服務(wù)。C 型液罐設(shè)計壓力為0.45 MPa、最大貨物密度500 kg/m3，貨艙區(qū)配備高低位集管區(qū)。 機艙緊鄰貨艙后端壁，船尾設(shè)置2 臺全回轉(zhuǎn)定螺距導(dǎo)管推進器作為動力源，推進器前方設(shè)置呆木并作為船舶進塢后主要支撐結(jié)構(gòu)。 船首區(qū)域配備1 臺隧道式首側(cè)推器，提高船舶LNG 加注靠、離泊機動能力。

圖1 7 500 m3 LNG 加注船總布置示意圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1.1 貨艙骨架形式

該船需滿足1B 級冰區(qū)加強要求， 貨艙區(qū)采用縱橫混合骨架形式，舷側(cè)外板冰區(qū)加強區(qū)域采用橫骨架式并設(shè)區(qū)域中間肋骨，貨艙單凸起甲板、頂邊艙、雙層底、內(nèi)縱壁均為縱骨架式，詳見圖2、圖3，既滿足總縱強度要求， 又便于船體施工。 該船首尾及機艙區(qū)域采用橫骨架式。 雙層底為傾斜式內(nèi)底，船中高度取900 mm，逐步升高至底邊艙桁材高1 100 mm， 滿足船東設(shè)置雙層底的特殊需求，最大限度降低液罐及雙層底結(jié)構(gòu)重心高度。

圖2 外板展開圖（貨艙區(qū)）

圖3 典型橫剖面

強框的布置需考慮貨艙長度、鞍座、氣室及壓縮機間布置等因素，還需考慮船體縱骨尺寸與強肋骨腹板最小高度匹配、船體橫向強度、最小強框間距（規(guī)范通常要求不超過4 檔肋骨間距）等要求。 通過計算不同強框架間距（3 檔和4 檔肋骨間距）結(jié)構(gòu)強度與構(gòu)件重量， 在不影響船體結(jié)構(gòu)重量的前提下，實船強框架取3 檔肋骨間距。

1.2 大跨度凸起甲板

貨艙區(qū)域凸起甲板剛度較弱，當(dāng)船體受到總縱強度或其他外載荷的作用時，剛度較弱的區(qū)域可能會出現(xiàn)較大的局部變形或振動。 采用大跨度單跨強橫梁作為主要支撐結(jié)構(gòu)，滿足規(guī)范要求。

凸起甲板氣室開孔及壓縮機間等局部區(qū)域，設(shè)計初期應(yīng)考慮壓縮機引起的局部振動、變形、應(yīng)力集中等因素，適當(dāng)增加局部加強構(gòu)件、提高局部板厚和鋼級等措施。 后續(xù)還要通過艙段有限元計算校驗氣室開孔處局部變形量是否滿足船體結(jié)構(gòu)與氣室間隙要求和整體強度評估，既要確保該區(qū)域結(jié)構(gòu)具有足夠強度與剛度，又要避免過度加強。

1.3 鞍座和止浮結(jié)構(gòu)

C 型獨立液罐采用常規(guī)雙鞍座結(jié)構(gòu)形式與船體相連，液罐及液貨的載荷集中通過鞍座傳遞至相鄰船體結(jié)構(gòu)上。 受低溫收縮影響，為保證液罐沿罐體縱向可以小范圍移動， 前端鞍座設(shè)計為滑動式，僅對液罐提供法向支撐； 后端鞍座設(shè)計為固定式，不僅可以對液罐提供法向支撐，還可以限制其縱向位移。 鞍座主要由鞍座面板、鞍座腹板以及若干沿徑向布置的縱向肘板等組成， 能夠有效將液罐的動、靜載荷傳遞至船體結(jié)構(gòu)。 鞍座面板與液罐間通過墊木和環(huán)氧等有效連接，每個鞍座下方至少布置3 道實肋板以便有效承擔(dān)鞍座傳遞的載荷，縱向肘板盡可能跨過3 道實肋板進而有效增加鞍座區(qū)域局部剛度。

液罐主要靠自身重量坐落在鞍座上，當(dāng)發(fā)生意外情況導(dǎo)致貨艙進水時，受浮力影響液罐會慢慢浮起，需在各鞍座上方設(shè)置止浮結(jié)構(gòu)，保證船體結(jié)構(gòu)不遭受損害。 止浮結(jié)構(gòu)通常與鞍座設(shè)置在同一橫剖面內(nèi)，其結(jié)構(gòu)形式和大小基于液罐止浮結(jié)構(gòu)布置位置及艙內(nèi)空間等因素確定。

鞍座與止浮結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、鋼級等依據(jù)溫度場計算結(jié)果確定，并按照規(guī)范要求進行局部強度評估。

1.4 橫艙壁

貨艙區(qū)橫艙壁為平面艙壁，艙壁水平桁與舷側(cè)平臺對齊，垂直桁與凸起甲板縱桁、內(nèi)底桁材對齊，垂直扶強材與凸起甲板縱骨、內(nèi)底縱骨對齊，形成縱橫交錯的強力支撐結(jié)構(gòu)，有利于提高橫艙壁結(jié)構(gòu)在貨艙進水狀態(tài)下的剛度和強度。 艙壁水平桁布置要注意避開液罐球頭結(jié)構(gòu)，同時可兼做檢修通道使用，充分利用貨艙空間，有效控制貨艙長度。

機艙前端壁采用階梯型水密橫艙壁結(jié)構(gòu)形式，在距基線3 100 mm 與6 400 mm 兩處各形成一條折角線，3 100 mm 以下部分艙壁整體前移兩個肋位，既解決了機艙區(qū)設(shè)備布置和檢修通道難題，也充分利用貨艙區(qū)C 型液罐下方空間。

2 計算分析

2.1 溫度場計算

根據(jù)IMO《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（IGC Code，2016）要求：“所承載的液貨溫度低于-10 ℃時，一般應(yīng)進行船體溫度場分析；當(dāng)液貨溫度低于-55 ℃時， 一般應(yīng)進行船體熱應(yīng)力分析。 ”該船貨物系統(tǒng)設(shè)計溫度為-163 ℃，罐體外設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^熱層，以確保船體結(jié)構(gòu)不會因溫度過低發(fā)生脆性斷裂。 溫度場分析可以采用有限元分析法或船級社認可的簡化計算方法。 工程設(shè)計上以采用簡化計算方法為主，即采用將船體及液罐系統(tǒng)的三維傳熱簡化為一維傳熱方式進行溫度場計算，計算評估時考慮的傳熱方式僅包括傳導(dǎo)、對流和輻射。 從設(shè)計和建造角度看，將船體結(jié)構(gòu)溫度控制在-30 ℃以內(nèi)，對材料選擇較為有利。

基于船東特殊要求的環(huán)境溫度（即空氣溫度-5 ℃、海水溫度0 ℃），采用簡化計算方法進行溫度場分析。 考察對象主要有兩個區(qū)域： 一是與液灌隔離的貨艙處所結(jié)構(gòu)， 如凸起甲板、 內(nèi)殼板及內(nèi)底板等； 二是與液罐直接連接的特殊結(jié)構(gòu)， 如鞍座結(jié)構(gòu)等。 計算結(jié)果表明：各計算區(qū)域船體溫度均低于-30 ℃，如表1 所示。

表1 溫度場計算結(jié)果

2.2 強度計算

2.2.1 貨艙區(qū)強度計算

該船有前后兩個貨艙，計算僅選取后貨艙作為屈服、屈曲強度評估對象，前貨艙等同加強。 采用DNV 的Genie 軟件建立有限元計算模型，模型范圍自機艙后端壁至前貨艙前端壁，并包含液罐及支撐結(jié)構(gòu)。 鞍座與止浮結(jié)構(gòu)等均需正確模擬，保證液罐載荷能夠通過鞍座傳遞至船體。 計算模型如圖4 所示。 計算工況分為靜態(tài)工況、海上航行工況及事故工況等3 類，每一類工況根據(jù)不同裝載情況分為若干子工況。 計算載荷主要考慮船體梁總縱彎矩、液艙內(nèi)部壓力（包括液體靜動壓力和液罐蒸汽壓力）、船體外水壓力、船舶運動慣性力及船體（含液罐）自重等。 載荷計算加載通過DNV 的Nauticus Hull 軟件自動生成，典型計算工況載荷如圖5 所示。 模型邊界條件及衡準(zhǔn)按照DNV 規(guī)范要求確定。

圖4 艙段有限元計算模型

圖5 載荷示意圖

計算結(jié)果表明：船體結(jié)構(gòu)屈服及屈曲強度基本可以滿足規(guī)范要求，應(yīng)力較高的區(qū)域主要在氣室開孔及其周圍甲板過渡區(qū)域、貨艙區(qū)內(nèi)殼端部過渡區(qū)域等結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。 上述高應(yīng)力區(qū)域主要是應(yīng)力集中引起，設(shè)計時在氣室開孔、內(nèi)殼等主要構(gòu)件端部，需合理設(shè)計過渡結(jié)構(gòu)形式。

圖6 高應(yīng)力區(qū)示意圖

貨艙區(qū)各水密橫艙壁、鞍座及止浮裝置等結(jié)構(gòu)計算結(jié)果滿足DNV 規(guī)范要求。

2.2.2 局部結(jié)構(gòu)強度計算

集管區(qū)平臺通過圓管支撐結(jié)構(gòu)與船體甲板相連， 集管區(qū)支撐結(jié)構(gòu)分別采用φ200、φ300、φ350 等3 種規(guī)格， 建立典型區(qū)域計算模型并完整模擬圓管支撐結(jié)構(gòu)（含圓管墊板），見圖7。當(dāng)加注作業(yè)時受船體自身運動影響，圓管支撐結(jié)構(gòu)會承受不同方向的力與彎矩， 不僅需要考慮支撐結(jié)構(gòu)向下壓應(yīng)力，還需要考慮其與甲板間焊縫所承受的向上拉應(yīng)力。將圓管支撐與甲板間焊縫簡化模擬為板單元評估其受向上拉應(yīng)力的方式得到船級社的認可， 圓管墊板與甲板間保留一定高度并通過板單元連接，高度值取圓管墊板與連接甲板厚度各1/2，連接板單元板厚取支撐甲板的1.25 倍。集管區(qū)平臺強度評估結(jié)果，滿足SIGTTO《液化氣體運輸船管匯的技術(shù)要 求》（Recommendations for Liquefied Gas Carrier Manifolds）相關(guān)要求。

圖7 集管區(qū)支撐結(jié)構(gòu)計算示意圖

呆木呈倒梯形結(jié)構(gòu)， 位于船尾部中心線處，因船舶進塢時尾部大部分重量由呆木結(jié)構(gòu)承擔(dān)并傳遞至相鄰船體結(jié)構(gòu)，船東提出2 倍結(jié)構(gòu)安全因數(shù)要求，需要對呆木及相鄰區(qū)域進行局部強度校核。

計算模型包括主甲板下整個船體尾部， 如圖8所示，上建結(jié)構(gòu)以質(zhì)量點形式均布在相應(yīng)主甲板平面；計算載荷除船體結(jié)構(gòu)自重外，還需考慮進塢時燃油艙、壓載艙等殘余重量；計算載荷以面載荷形式施加在呆木結(jié)構(gòu)底平面。 通過計算，對不滿足強度要求的構(gòu)件如機艙前端壁垂直桁等通過增加構(gòu)件尺寸、提高鋼級等措施予以解決。

圖8 呆木結(jié)構(gòu)計算示意圖

2.3 振動噪聲計算

居住處所布置在機艙上方， 靠近尾推進器、主發(fā)電機組等主要設(shè)備，且需要滿足COMF（V-3）振動要求，因而有必要進行振動和噪聲計算評估。

2.3.1 振動計算

采用MSC.Patran 軟件建立全船計算模型（見圖9），計算主要考察航行和滿載兩個典型工況下船體總振動，確保在考核范圍內(nèi)船體固有頻率與尾推進器、主發(fā)電機組等激振源頻率完全錯開并滿足規(guī)范頻率儲備要求。 計算結(jié)果表明，船體固有頻率完全避開各考察激振源頻率，且滿足規(guī)范要求的頻率儲備，總振動計算評估結(jié)果良好。 圖10 為滿載工況三階垂向振型圖。

圖9 總振動計算模型

圖10 滿載工況下三階垂向振型

計算結(jié)果見圖10，船體固有頻率完全避開各考察激振源頻率，且滿足規(guī)范要求的頻率儲備，總振動計算評估結(jié)果良好。

壓縮機間置于后貨艙單凸起甲板上方，艙室內(nèi)除壓縮機等設(shè)備外還布置大量管系，在壓縮機間主要結(jié)構(gòu)處選取若干典型位置作為振動響應(yīng)計算考核點，如圖11 所示，壓縮機激振力作為激振源，采用與總振動計算相同的全船計算模型，計算結(jié)構(gòu)固有頻率。壓縮機間考核點振動響應(yīng)計算結(jié)果如圖12所示，滿足ISO 6954:2000《機械振動客船和商船適居性振動測量、報告和評價準(zhǔn)則》要求。 首制船海試振動測試結(jié)果也進一步驗證計算結(jié)果， 振動指標(biāo)優(yōu)良。

圖11 壓縮機間振動響應(yīng)考核點示意圖

圖12 振動響應(yīng)計算結(jié)果

2.3.2 噪聲計算

采用經(jīng)驗公式與統(tǒng)計能量法相結(jié)合的方法對上層建筑各艙室噪聲進行預(yù)報，模型利用全船總振動計算模型，將模型簡化處理，保留艙壁等主要結(jié)構(gòu)滿足聲學(xué)預(yù)報模型要求， 噪聲計算模型如圖13所示。 噪聲源主要考慮主推進器與主發(fā)電機組，其相關(guān)參數(shù)主要由廠商提供，其他參數(shù)通過經(jīng)驗公式計算。

圖13 噪聲計算模型

噪聲預(yù)報值與海試實測值較為接近，滿足IMO《船上噪聲等級規(guī)則》要求，預(yù)報值與首制船海試實測數(shù)據(jù)及IMO 標(biāo)準(zhǔn)值對比如圖14 所示。

圖14 噪聲計算結(jié)果對比

3 結(jié) 語

7 500 m3LNG 加注船貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)采用縱橫混合骨架形式，滿足1B 級冰區(qū)加強要求。 凸形甲板參與總縱強度，結(jié)構(gòu)剛度比常規(guī)甲板形式低，中縱剖面液罐氣室開口處需特殊加強。 C 型液罐通過鞍座與船體結(jié)構(gòu)連接，鞍座、止浮結(jié)構(gòu)以及周圍的船體結(jié)構(gòu)是主要承力構(gòu)件，根據(jù)溫度場計算和局部強度評估結(jié)果確定。 為了保證結(jié)構(gòu)安全和船員舒適性要求，需進行艙段、局部強度有限元計算分析和振動噪聲評估，進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。 希望以上總結(jié)的LNG 加注船結(jié)構(gòu)設(shè)計要點能對類似船型設(shè)計具有一定的參考作用。