基于ANSYS的LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)研究

管 官，林 焰，b，楊 蕖，周 帥

(大連理工大學(xué) a.船舶CAD工程中心，b.工程裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

基于ANSYS的LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)研究

管 官a，林 焰a，b，楊 蕖a，周 帥a

(大連理工大學(xué) a.船舶CAD工程中心，b.工程裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

為使學(xué)生接觸專業(yè)科研前沿，更好地培養(yǎng)其科研與創(chuàng)新能力，將LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究?jī)?nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，開(kāi)展了基于ANSYS的LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)研究。利用ANSYS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可對(duì)LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究，選取14種滿載工況和14種壓載工況，對(duì)LNG船在各個(gè)工況下的艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力部位，為改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。通過(guò)該教學(xué)和科研相結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)，提高了教學(xué)效果，有利于提高學(xué)生的仿真能力，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問(wèn)題的能力。

液化天燃?xì)獯?艙段； 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； 仿真實(shí)驗(yàn)

0 引 言

科研驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是研究型大學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一[1]，具有教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上的創(chuàng)新性。科學(xué)研究是高質(zhì)量教學(xué)的有力保證。在教學(xué)改革中，將專業(yè)前沿的科研課題融入教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸到實(shí)際的工程實(shí)踐，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)際工程及創(chuàng)新能力[2]。

隨著LNG液貨船型的開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用，為保證LNG船船體結(jié)構(gòu)的安全性，需要在設(shè)計(jì)階段確定其可能承受的各種載荷，并確保船舶在相應(yīng)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此有必要對(duì)LNG船在各個(gè)工況下的艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況進(jìn)行研究，分析所得結(jié)論無(wú)論是從工程應(yīng)用還是科研教學(xué)來(lái)講，都具有重要意義[3-7]。

為了加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力，本文將LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究?jī)?nèi)容引入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了基于ANSYS的LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)研究，給學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)接觸科研前沿、應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的平臺(tái)，創(chuàng)建科學(xué)研究的情境，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。將ANSYS仿真融入LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有助于增強(qiáng)學(xué)生的仿真實(shí)踐能力。這種科研與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生從中學(xué)到新的思維方式和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問(wèn)題的能力[8-9]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1模型分析

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)一艘6 400 m3LNG船，對(duì)其各個(gè)工況下的艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。其主要參數(shù)為：總長(zhǎng)118.12 m，垂線間長(zhǎng)112 m，型寬17.8 m，型深10.3 m，肋骨間距700 mm，設(shè)計(jì)吃水5.7 m，方形系數(shù)0.734 4，航區(qū)為東南亞、日本、韓國(guó)和國(guó)內(nèi)沿海。

由于LNG船船舯貨艙區(qū)承受著較大的彎矩載荷，故強(qiáng)度評(píng)估主要分析船舯中間艙段的結(jié)構(gòu)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所研究的LNG船，由于貨艙區(qū)只有兩個(gè)艙段，如圖1所示，故選取兩個(gè)貨艙區(qū)建立仿真模型。

圖1 6 400 m3LNG船貨艙區(qū)中縱剖面圖

由圖1可見(jiàn)，該船每個(gè)貨艙內(nèi)有一個(gè)液貨罐，直徑12 m，長(zhǎng)度35.5 m，每個(gè)液貨罐底部設(shè)有兩個(gè)鞍座。液貨灌只是通過(guò)鞍座與船體連接，在其他部位液貨灌與船體并無(wú)接觸。該船的舷側(cè)外板、內(nèi)殼板以及船底均設(shè)有縱骨。舷側(cè)為壓載艙，壓載艙內(nèi)部在每個(gè)強(qiáng)框架處設(shè)有橫隔板，橫隔板上設(shè)有較大的減輕孔以及大量的加強(qiáng)筋。

1.2建模及網(wǎng)格生成

在ANSYS軟件中，采用自底向上法，采用命令流編寫(xiě)輸入形式[10]，建立幾何模型[11]。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分[12-13]。板單元采用Shell63單元，梁?jiǎn)卧x取beam188單元。網(wǎng)格沿船殼橫向按縱骨間距劃分，縱向按肋骨間距劃分，網(wǎng)格形狀盡量接近正方形。船底縱桁和肋板在垂直方向布置應(yīng)不少于3個(gè)單元。主要構(gòu)件的減輕孔、人孔，根據(jù)開(kāi)孔的大小，若開(kāi)孔較小，可以用等效板厚的板元來(lái)替代這些開(kāi)孔的影響；如果開(kāi)孔較大，則按照實(shí)際尺寸進(jìn)行開(kāi)孔建模。建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 6 400 m3LNG船艙段仿真模型

1.3艙段模型邊界條件

在模型前后端面中和軸與中縱剖面相交處各建一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，端面各縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)自由度與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)，在獨(dú)立點(diǎn)上施加彎矩，詳細(xì)邊界條件見(jiàn)表1。

表1 模型邊界條件

注：Cons表示對(duì)應(yīng)的位移約束；Link表示面內(nèi)相關(guān)點(diǎn)位移與獨(dú)立點(diǎn)連接；BM表示端面所受的總彎矩

在模型端面約束的處理中使用MPC184單元。它允許在計(jì)算模型不同的自由度之間強(qiáng)加約束。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MPC定義的節(jié)點(diǎn)自由度的耦合關(guān)系，多點(diǎn)約束方程，其原理與約束方程的技術(shù)幾乎一致。

作用在船體端面上的彎矩由下式[14]獲得：

M=Ms+Mw

其中：M為船舶靜置在波浪上的總縱彎矩；Ms為船舶在靜水中的彎矩；Mw為船舶靜置于波浪上的波浪附加彎矩。

2 艙段模型設(shè)計(jì)載荷

艙段模型所受載荷主要包括：內(nèi)部壓力、外部壓力、船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷和端面彎矩等。

2.1內(nèi)部壓力

主要是指LNG液罐對(duì)鞍座重力，載荷加載示意圖如圖3所示。

2.2外部壓力

主要是指艙段所受的舷外水壓力。

(1) 滿載工況。根據(jù)《散裝液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[15]中的公式計(jì)算受力：

在基線處

Pb=10d+1.5Cw(kPa)

在水線處

Pw=3Cw(kPa)

在舷側(cè)頂端處

Ps=3P0(kPa)

甲板上的水動(dòng)壓力

Ps=2.4P0(kPa)

式中：

P0=Cw-0.67(D-d)

D為型深，m；d為吃水，m；L為垂線間長(zhǎng)，m。

(2) 壓載工況。在基線處：Pb=10da(kPa)；在水線處：Pw=0 (kPa)。其中：da為對(duì)應(yīng)裝載工況下的實(shí)際吃水。

上述給出了基線、水線、舷側(cè)頂端處的水動(dòng)壓力計(jì)算公式，舷側(cè)其他部位的舷外水壓力按線性插值確定。載荷加載示意圖如圖4所示。

圖3 液罐對(duì)鞍座重力圖4 舷外水壓力(右舷)

2.3船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷

以船在北大西洋中相當(dāng)概率水平10-8的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的加速度分量為指導(dǎo)公式，加速度根據(jù)《散裝液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[12]中的公式計(jì)算：

垂向加速度

橫向加速度

縱向加速度

式中：

L0為船長(zhǎng)，m；Cb為方形系數(shù)；B為最大型寬，m；X為船中到裝貨的液貨艙重心之間的縱向距離，m(船中前，X為正值，船中后，X為負(fù)值)；Z為船舶的實(shí)際水線到裝貨的液貨艙重心之間的垂向距離，m(水線上，Z為正值，水線下，Z為負(fù)值)；v為營(yíng)運(yùn)速度；K通常取1。ax，ay，az為相應(yīng)方向上的最大無(wú)因次加速度(相對(duì)于重力加速度)。

本實(shí)驗(yàn)計(jì)算出由于LNG船垂蕩、橫搖、縱搖產(chǎn)生的加速度系數(shù)如表2所示，載荷加載示意圖如圖5～7所示。

表2 船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷系數(shù)

圖5 垂蕩引起的動(dòng)載荷圖6 縱搖引起的動(dòng)載荷

圖7 橫搖引起的動(dòng)載荷

2.4端面彎矩

中拱波浪彎矩：

Mw(+)=+190MCL2BCb×10-3

中垂波浪彎矩：

Mw(-)=-110MCL2B(Cb+0.7)×10-3

靜水彎矩根據(jù)裝載手冊(cè)查取。

3 艙段模型計(jì)算工況

根據(jù)實(shí)際裝載工況并參考《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[12]的要求，本實(shí)驗(yàn)在考慮了中拱與中垂、垂向動(dòng)載荷加速度系數(shù)az> 0與az< 0等情況后，共計(jì)算了28種工況，詳細(xì)工況見(jiàn)表3。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于施加在艙段兩端的邊界條件限制了模型的位移，故會(huì)導(dǎo)致在邊界處產(chǎn)生不規(guī)則的應(yīng)力響應(yīng)。因此，需要評(píng)估的區(qū)域必須要遠(yuǎn)離邊界以減少邊界條件對(duì)應(yīng)力的不良影響，本實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度評(píng)估選取60至120肋位的計(jì)算結(jié)果，艙段模型各類構(gòu)件不同工況板材相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

以工況1為例，圖8給出了艙段主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件板單元形心的相當(dāng)應(yīng)力的分布云圖，以及最大相當(dāng)應(yīng)力的位置。

表3 計(jì)算工況

4.2結(jié)果分析

(1) 通過(guò)對(duì)艙段模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提取28種工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)工況14與15為兩種最危險(xiǎn)的工況。其中工況14甲板最大等效應(yīng)力達(dá)到238 MPa，工況15甲板最大等效應(yīng)力達(dá)到227 MPa。

(2) 甲板相當(dāng)應(yīng)力最大的地方為與艙壁相交的地方，此處為應(yīng)力集中處，例如在工況14中如果將應(yīng)力集中處的4個(gè)單元去除，則甲板的最大相當(dāng)應(yīng)力由238 MPa變?yōu)?90 MPa。所以，此區(qū)域是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。船底縱桁的板材相當(dāng)應(yīng)力最大位置多為于鞍座附近或者船中橫艙壁處，在工況滿載、中拱、az>0(3種工況)時(shí)船底縱桁的相當(dāng)應(yīng)力較大，最大相當(dāng)應(yīng)力為163 MPa。艙壁相當(dāng)應(yīng)力最大處多位于與甲板相連接的部位，其中在工況14時(shí)達(dá)到最大，為143 MPa。甲板縱桁多在艙壁附近出現(xiàn)相當(dāng)應(yīng)力最大值，其中在工況14時(shí)達(dá)到最大，為196 MPa。在各個(gè)工況中，肋板的最大相當(dāng)應(yīng)力為99 MPa，這表明肋板的強(qiáng)度是足夠的。外板最大相當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)在工況14，為152 MPa，這表明外板的強(qiáng)度也是足夠的。

表4 艙段構(gòu)件最大相當(dāng)應(yīng)力 MPa

(3) 28種工況中船體的變形均不大，其中在工況14時(shí)船體撓度達(dá)到最大，為62 mm，這表明船體的剛度是足夠的。

(a)甲板(b)外板(c)甲板縱桁(d)艙壁(e)內(nèi)殼板(f)船底縱桁(g)肋板(h)隔板

(i) 鞍座

(4) 當(dāng)考慮橫搖、垂蕩、縱搖等船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷的情況下，船體主要構(gòu)件的應(yīng)力明顯大于不考慮動(dòng)載荷的工況，這也說(shuō)明，對(duì)于LNG船，動(dòng)載荷的影響是非常重要的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文將LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究?jī)?nèi)容引入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了基于ANSYS的LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真實(shí)驗(yàn)，以一艘6 400 m3LNG船為例，利用ANSYS建立了艙段仿真模型，選取14種滿載工況和14種壓載工況，對(duì)LNG船在各個(gè)工況下的艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)了高應(yīng)力部位，為改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。

通過(guò)該仿真實(shí)驗(yàn)，可以為L(zhǎng)NG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估以及LNG船艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值，也給學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)接觸科研前沿、應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以從中學(xué)習(xí)ANSYS的建模、網(wǎng)格劃分、仿真分析等方法，培養(yǎng)學(xué)生利用先進(jìn)仿真軟件解決實(shí)際科研問(wèn)題的能力。將ANSYS仿真融入LNG船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情，還能增強(qiáng)學(xué)生的仿真實(shí)踐能力。這種科研與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段解決科研問(wèn)題的能力。

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Study on Simulation Experiment of the Hold Frame Structural Strength of LNG Carriers Based on ANSYS

GUANGuana，LINYana,b,YANGQua,ZHOUShuaia

(a.Ship CAD Engineering Center,b.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

In order to make students touch professional scientific frontier and better train their scientific research and innovation abilities,the research of the hold frame structural strength of LNG carriers is introduced into experimental teaching,the study on simulation experiment of the hold frame structural strength of LNG carriers based on ANSYS is carried out.The simulation experiment with ANSYS can be used to research the hold frame structural strength of LNG carriers.Fourteen full load conditions and 14 ballast conditions are chosen to simulate the hold frame structure stress and deformation of LNG carriers.The high stress parts can be found to provide the guidance for the improvement of the hull structure.The teaching effect can be improved by the teaching experiment combined with the teaching and scientific research.It is beneficial to improve students’ ability of simulation,motivate students’ scientific curiosity and cultivate students’ ability to solve scientific research problems by experiment.

liquefied natural gas(LNG) carriers; hold frame; structural strength; simulation experiment

2016-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51609036)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M561234、2015T80256)；遼寧省博士啟動(dòng)基金(201501176)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(DUT16RC(4)26)

管 官(1983-),男(滿),遼寧丹東人，博士，講師，主要從事船舶與海洋工程專業(yè)相關(guān)教學(xué)與科研工作。

Tel.:13610926011; E-mail：guanguan@dlut.edu.cn

U 661.42；G 642.423

：A

1006-7167(2017)07-0019-05