獨立式液貨艙瀝青船支撐結構的有限元分析

張延輝，張少雄，曾 濤

(1.上海宏航船舶技術有限公司，上海200032;2.武漢理工大學 交通學院，武漢430063)

瀝青船按照裝載瀝青的貨艙的形式可以分為整體式和獨立式兩種。獨立式液貨艙以其在熱量損失少、腐蝕小、施工方便等方面的獨特優勢越來越受到瀝青運營商的青睞［1］。在獨立式液貨艙瀝青船中，艙底支撐墊塊的分布會直接影響到貨艙重量向船底的傳遞以及船舶航行時的運動對船體結構的影響，但是由于目前的各主要船級社在規范上對這一特殊結構形式的船舶沒有具體的規定，而按照傳統的平均受力計算的方法來確定墊塊數量及分布并不能準確地得到各個位置的墊塊的受力情況。因此有必要采用有限元直接計算的方法來確定各位置墊塊的受力［2］。以一艘正在建造中的載重量為12 000 t石油瀝青船(以下簡稱為本船)為例，說明獨立式液貨艙瀝青船的結構設計的特點。并介紹貨油艙區域船體結構三維艙段建模特點、獨立液貨艙三維建模特點、支撐墊塊建模特點以及船體結構通過墊塊支撐獨立液貨艙后溫度場和結構強度的有限元分析思路和方法。

1 船舶概況

1.1 用途

該船為一艘運輸液態石油瀝青并兼裝閃點大于60℃重油的船舶。在液態石油瀝青運輸過程中，維持溫度不超過200℃，液貨艙采用獨立式獨立艙形式，入級法國船級社。

1.2 主要參數

總長/Loa146.0 m

垂線間長Lpp137.2 m

型寬B 22.0 m

型深D 10.8 m

設計吃水dd7.8 m

結構吃水ds7.9 m

載重量DWT ～12 000 t

液貨艙容積Vc～11 723.98 m3

2 貨油艙區域船體結構

該船貨油艙區域船體結構為單底、雙殼、單甲板(上甲板與凸型甲板);船舯泵艙區域為雙層底、雙殼、二層甲板平臺;從艏部至艉部有連續凸形甲板，四道水密橫艙壁將貨油艙區域分為4個貨艙和1個泵艙。每4檔肋位設置強框架(由實肋板、舷側隔板、甲板強橫梁組成)，在船艏底部平坦區域另設置中間肋板，在獨立液貨艙圍壁下方區域設置中間半肋板;在肋板面板上設置橫向防傾擋板和長寬分別為200 mm×200 mm、350 mm×350 mm的支撐墊塊。

貨油艙區域設置4個獨立式液貨艙，每個獨立式液貨艙設置一個中縱艙壁將貨油艙分成左、右2個獨立的貨油艙，獨立液貨艙的艙底、側壁、艙頂和中縱艙壁均為縱骨架式。

獨立式液貨艙設置縱向制動擋塊兼定位器，保證液貨艙準確的縱向定位以及兩船相撞時制止液貨艙像前或向后移動。在艙體底部和頂部分別設置橫向設置防傾制動擋塊兼定位器，每個液貨艙設置一組制動擋塊，以保證船舶在橫傾為30°時液貨艙的安全，在液貨艙頂部靠近舷側的部位設置防浮止推塊，凸形甲板的強度能承受貨艙區域破艙進水時，液貨空艙浮力的作用。該船第三 貨艙區域的墊塊布置見圖1。

圖1 NO.3貨艙底部墊塊布置

3 ULEPSI貨艙墊塊

在獨立式液貨艙與單底之間設置墊塊，墊塊采用荷蘭BEELE公司的ULEPSI支撐墊塊，該墊塊能夠吸收由于貨艙同海水之間溫度不同所產生的熱量傳遞，能夠控制貨艙的溫度傳遞并支撐住上面貨物的重量，同樣能夠吸收由于船體運動所產生的應力，墊塊的規格分為200 mm×200 mm和350 mm×350 mm，最大可以承受壓力分別為320 kN和980 kN。墊塊由墊塊底座和四層板塊組成，由下到上依次為18 mm厚的黑色合成橡膠、15 mm厚的棕色合成橡膠、12 mm厚的加強玻璃纖維塑料和15～30 mm厚的鋼板。根據船舶橫搖和縱搖運動，確定墊塊布置位置和規格。支撐墊塊的圍框型式見圖2～3。

圖2 支撐墊塊底座

圖3 支撐墊塊示意

4 有限元直接計算

根據該船資料建立1/2艙段+1艙段+1/2艙段形式的有限元模型，其中墊塊采用一維的rod單元進行模擬。有限元模型見圖4～5。

圖4 三維有限元計算模型

圖5 船底部分有限元模型

按照法國船級社《鋼質船舶入級規范》(2007)中的相關規定施加載荷工況［3］。由于該船所裝載的貨物瀝青的粘度較大，因此獨立貨艙內液貨的晃蕩產生的影響忽略不計。經過三維有限元法計算，考慮到瀝青運輸過程中的縱搖和橫搖，并釋放不合理的墊塊(即受拉應力的墊塊)，得到各個墊塊的受力，結果見圖6。

圖6 墊塊受力圖(單位:kN)

5 結論

采用三維有限元直接計算方法，既考慮到船舶的各種航行工況，又考慮到船舶在惡劣海況下的不規則運動(縱搖、橫搖等)對支撐墊塊的受力的影響，反復調整、釋放不合理的墊塊，從而得到每個墊塊的最大受力，依次確定墊塊的規格和布置。與傳統的“平均受力計算法”相比，再結合營運中瀝青船墊塊的破環形式和所處的位置，用三維有限元分析方法來確定墊塊的規格的布置是可行的、合理的，值得推廣。

［1］趙彩鳳.獨立液貨艙型式瀝青運輸船設計特點［J］.船海工程，2006(3):26-28.

［2］張少雄.計及溫度應力的不同艙壁形式瀝青船強度直接計算［J］.船海工程，2009(4):20-22.

［3］VERITASBUREAU.Rules for the classification of steel ships［S］.2007.