2 000 m3薄膜型LNG運輸船的碰撞性能研究

崔相義，嚴 勇，王慶豐

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

2 000 m3薄膜型LNG運輸船的碰撞性能研究

崔相義1，嚴 勇2，王慶豐1

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

基于新設計開發的內河薄膜型LNG運輸船，運用有限元數值方法對舷側的碰撞性能進行研究，得出圍護系統絕熱木箱及船體主要構件的損傷及吸能，并初步探討內河薄膜型圍護系統在碰撞載荷下的失效極限狀態。研究結果表明，橫框架在碰撞過程中起到了很好的抵抗作用。

液化天然氣運輸船；薄膜型；有限元法；沖擊試驗

0 引言

我國內河水域資源極為豐富，水上船舶運輸與許多地方的經濟和生活息息相關，但是由于國內船用發動機技術相對落后及水上運輸管理不夠完善，船用燃油的泄漏以及廢氣的隨意排放使得內河水域及大氣環境受到了嚴重污染，破壞了當地的生態環境，為此我國正在內河航道大力推廣應用清潔、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，它的成功投入試運行標志著我國內河運輸進入了全新的“天然氣時代”。LNG運輸船是水上運輸天然氣的最有效的途徑，但是作為一種危險品貨物運輸船，在內河航行的同時必然存在著遭受碰撞的風險，因而非常有必要對內河LNG運輸船的碰撞性能進行研究。

目前薄膜型LNG貨物圍護系統主要應用在大型LNG運輸船上。由于該類型的圍護系統所特有的優點[1]，薄膜型技術日漸趨于成熟，以及建造成本的降低，國外已經將其應用在內河中小型LNG運輸船上，如GTT公司已經在美國推出薄膜技術并開始建造2 200 m3的內河運輸小型LNG船。國內也在積極地對內河薄膜型LNG運輸船進行研究，如江南造船(集團)有限公司的范鵬等[2]對4 000 m3薄膜型LNG加注船進行了總體設計的研究。本文基于《薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南》、《內河散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》等相關規范

設計出2 000 m3內河薄膜型LNG運輸船，并對舷側的碰撞性能進行了模擬分析，為后續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 碰撞運動控制方程

船舶碰撞的過程非常短，往往發生在瞬時。在本文研究碰撞的過程中， 舷側在短時間內承受巨大的碰撞沖擊載荷，其結構會很快地進入塑性變形階段，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。

根據連續介質力學理論，整個運動系統必須保持質量守恒、動量守恒和能量守恒。

質量守恒方程為：

r=Jr0

(1)

式中：r為當前構形質量密度；J為體積變化率；r0為初始構形質量密度。

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的非線性動力問題，其優越性在求解大型結構的瞬時高度非線性問題時得到了充分的體現。

ABAQUS/Explicit應用中心差分法[4]對運動方程進行顯式的時間積分。動力平衡方程為：

Mü=P-I

(4)

式中：M為質量矩陣;ü為節點加速度;P為所施加的外力;I為單元的內力。

在當前增量步開始時(t時刻)，加速度為：

ü∣(t)=(M)-1·(P-I)∣(t)

(5)

對加速度進行時間積分(dt為時間增量)，得到速度表達式為：

(6)

增量步結束時的位移表達式為：

(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以下的船舶數量約占整個船舶總量的80%[5]。為了使研究更具普遍性和實際意義，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據。

表1 撞擊船的主要數據

建模過程中，根據《內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，并賦予參考點質量已滿足撞擊船的排水量。撞擊船的速度取服務航速，即18 km/h。

2.2 被撞船的概述

表2為被撞船的主要數據。

表2 被撞船的主要數據

圖1給出了2 000 m3薄膜型LNG運輸船橫剖面示意圖以及貨艙圍護系統圖。

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薄膜型貨物圍護系統。NO.96型貨物圍護系統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殼板上。圍護系統中的殷瓦鋼薄膜厚度為0.7 mm。一般認為殷瓦鋼不能單獨承受載荷，珍珠巖作為顆粒填充物填充在木箱內，不能吸收內能，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運輸船橫剖面示意圖及圍護系統

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。鋼的塑性失效應變設為0.3[8]，如果鋼結構單元達到這個失效應變值，結構破壞，相應結構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 附加質量模型

流體介質對船舶碰撞的影響通過附加質量的形式來實現。

撞擊船的附加質量采用Motora[9]的經驗公式來實現。附加質量mx為：

mx=(0.02～0.07)m1

(8)

式中：m1為撞擊船的總質量，kg。

附加質量與船體質量相比非常小，本文mx取0.05m1。

被撞船發生橫飄運動，其船體附加質量my采用V.U.Minorsky[10]假定的公式：

my=0.4m2

(9)

式中：m2為被撞船的總質量，kg。

附加質量以附加質量密度的形式加到被撞船上[11]。

對式(9)進一步推導可以得出：

my=ryv=0.4r0v

(10)

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

由式(10)得出附加質量密度的表達式：

ry=0.4r0

(11)

被撞船的質量密度為：

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

(12)

式中：r0為船體質量密度,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。為了使計算結果更接近實際情況，并且節約計算時間，本次研究只對直接碰撞區域、絕熱木箱和絕熱木箱連接的內殼板部分細化成50 mm的網格，其他部分采用150 mm的網格。其碰撞示意圖如圖4所示。

圖4 碰撞示意圖

3 碰撞結果分析

3.1 結構的損傷和變形

絕熱木箱層合板的極限強度為40 MPa[7]，當層合板的結構響應到此強度值時，數值模擬停止。

通過船舶碰撞的模擬，分析研究船體舷側結構的結構性能、貨艙圍護系統的結構響應以及能量的吸收。

模擬進行到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，船體外板的應力瞬間達到其屈服應力進入塑性應變階段。與此同時，碰撞力率先通過平臺甲板和橫框架傳遞給了內殼板和絕熱木箱，絕熱木箱在相應的位置產生了應力，但是應力非常小，絕熱木箱處于非常安全的狀態。隨著碰撞時間的增加，舷側外板在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縱桁，通過構件傳遞給絕熱木箱的力也在不斷增加。碰撞過程在0.3 s時結束，此時絕熱木箱的最大應力到達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。舷側縱桁主要發生了彎曲和斷裂。甲板在約0.29 s時受到了船艏的直接撞擊，開始產生大的塑性變形，出現了失效單元。在碰撞結束的時候，內殼板完好無損，沒有發生任何變形。圖5至圖8為主要結構的損傷變形時序圖。

圖5 平臺甲板和舷側縱桁的損傷時序圖

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，碰撞對船體構件造成了較為嚴重的損傷，且損傷具有明顯的局部特性。碰撞區的構件如舷側外板，在碰撞的最初階段就會發生塑性失效，遠離碰撞區的構件部分只發生了很小的塑性變形，或者只是受到碰撞區構件傳遞的作用力并沒有產生變形。碰撞過程中先是舷側外板發生破裂，隨著撞深的增加，橫框架、平臺甲板和舷側縱骨進一步被擠壓，出現彎曲進而形成褶皺并失效。模擬結束時絕熱木箱的應力云圖如圖9所示。從圖中發現，最外一層的絕熱木箱達到了其極限強度，但木箱內的結構并沒有完全失效，尤其是內層絕熱木箱。值得注意的是，外層絕熱木箱的有些部分的強度達到了40 MPa，結構會被破壞。

圖8 船體的應力分布云圖

圖9 絕熱木箱的應力云圖

3.2 能量的轉化和吸收

3.2.1 能量的轉化

碰撞過程中船舶撞擊動能大部分轉化成了結構的應變能。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，占總應變能的89.5%。由此可以看出，船舶的動能大部分轉化為結構的塑性變形能，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 總能量的轉化

3.2.2 各構件能量的吸收

圖11為各主要構件的能量吸收隨時間變化的情況。各構件吸收的能量是隨著碰撞時間不斷增加的。在整個過程中，舷側外板、橫框架、甲板平臺、舷側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。內殼板在仿真結束時并沒有發生大的變形，所以吸能的作用還沒有發揮。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，此時整個圍護系統處于相對安全狀態。

圖11 各主要構件吸能-時間曲線

4 結論

(1)絕熱木箱在碰撞過程中沒有受到嚴重損壞，尤其是內層絕熱木箱，圍護系統處于較為安全狀態，以絕熱木箱層合板的極限強度作為圍護系統的失效極限狀態較為保守。

(2)橫框架在內河薄膜型LNG運輸船舷側結構中起到很大的抗撞作用，所以建議在船體結構上多設幾檔強肋位。

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2016-07-05

崔相義(1989—)，男，碩士研究生，從事船舶與海洋結構物設計制造研究；嚴勇(1974—)，男，高級工程師，從事船舶設計及工藝研究；王慶豐(1976—)，男，副教授，碩士生導師，從事船舶結構設計與強度、船舶制造工藝力學研究。

U661.4

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