C型獨立液艙支承結構接觸載荷計算方法

秦 斌，周清華，李小靈

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

液化氣船作為一種高技術、高附加值船型，其內(nèi)部的液貨艙是整船的核心設備。基于壓力容器設計理念的C型獨立液艙因在設計理念上安全、可靠，且具有良好的營運安全記錄，故在中小型液化氣船上的應用占有相當大的比例。圖1為典型液化氣船橫剖面圖。

圖1 典型液化氣船橫剖面圖

設置有C型獨立液艙的液化氣船在結構上具有與一般船舶不同的特點，其所載的 C型獨立液艙獨立于船體結構，通過固定支座和滑動支座布置于貨艙內(nèi)部，并有其他支座限制其在各個方向上的位移。液貨船在營運過程中，其C型獨立液艙會受到液艙自重、液貨動壓力及蒸氣壓力等載荷的作用，液艙及其內(nèi)部貨物的靜載荷和動載荷通過支承結構傳遞到船體結構上，船舶設計和強度校核需考慮液艙與支撐區(qū)域間的相互作用，因此，應根據(jù)最新的《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)則》及船級社規(guī)范[2]，采用直接強度計算分析方法對船舶的結構受力特征進行分析。

1 液艙與支座間的相互作用分析模擬

液化氣船液貨艙典型支承結構型式見圖2和圖3。

圖2 固定支座截面圖

圖3 滑動支座截面圖

由于獨立液艙與船體支承結構之間只能傳遞壓力，不能傳遞拉力，因此在直接強度評估中準確模擬液貨艙與船體支承結構之間的相互作用是結構分析的難點之一。

創(chuàng)建有限元模型可考慮以下2種方法：

1) 將液貨艙與船體支座之間用桿單元連接，即用桿單元來模擬層壓木；

2) 在液貨艙與層壓木之間建立接觸單元。

對于建模來說，采用桿單元建模模擬較為方便，相對而言更容易實現(xiàn)，但存在以下問題和不足：

1) 在計算工況中，判斷桿單元的受力情況（是拉力還是壓力），在每一步計算完成之后逐一將受拉力的桿單元刪除并重新計算，重復迭代，直至剩余的所有桿單元均受壓力為止。對每個計算工況都需進行這種迭代計算，且在每個迭代步驟中都需進行桿單元受力判斷，然后對模型進行修改，這會增加工作量，特別是在手工完成的情況下，工作量巨大。因此，需開發(fā)程序自動判斷單元受力情況并自動進行模型修改。

2) 層壓木與液艙外殼之間是二維的面連接，若用一系列桿單元的節(jié)點連接來代替勢必會導致連接區(qū)域的載荷分布轉化為數(shù)個集中載荷分布，由此導致局部，特別是支承邊緣區(qū)域的載荷失真，進而導致局部應力水平失真，影響對計算結果的判斷。采用接觸單元進行模擬建模可避免該問題，使準確度和計算精度得到明顯提升，但在建模和求解控制上要求更高。

3) 液貨艙與船體支承之間的相互作用是典型的接觸問題，在C型獨立液艙的2個支撐座位置，層壓木與液艙外板及滑動支座上下2塊層壓木之間都有接觸面，形成接觸關系。對于具有這種接觸面的結構，當船舶在海上航行時，兩表面之間是處于接觸狀態(tài)還是分開狀態(tài)是未知的，且接觸面的狀態(tài)是變化的，這將影響接觸體之間的載荷傳遞和應力分布。此外，應力分布改變反過來又影響且接觸狀態(tài)，這是一個非線性過程，可采用三維非線性接觸分析方法進行模擬建模和求解。

2 計算模型

計算模型包括一個完整的液貨艙及相應的支承結構（見圖4）。獨立液艙模型的殼體、縱艙壁和加強筋腹板采用板單元模擬，加強筋面板采用梁單元模擬，層壓木采用實體單元模擬；殼體粗網(wǎng)格模型的單元尺寸取R/30，R為獨立液艙的半徑，單位為mm；支座區(qū)域細網(wǎng)格模型的單元尺寸取 50mm×50mm。層壓木網(wǎng)格尺寸一般取50mm×50mm×50mm。層壓木的彈性模量、泊松比和密度按實際的材料取用。

圖4 有限元分析模型

3 邊界條件及接觸設置

C型獨立液艙支承結構的邊界約束條件分為鞍座約束條件和層壓木接觸條件。對于鞍座約束條件，在與船體的連接處結構邊界條件應設為剛性鞍座約束。對于層壓木接觸條件（見圖5），固定支座層壓木上表面與C型艙外殼之間、止移扁鋼與層壓木之間、滑動支座層壓木上表面與C型艙外殼之間、兩側限位扁鋼與層壓木之間及上下層壓木之間都應設置為面-面接觸類型的接觸條件。選定接觸面和目標面，在接觸面和目標面上分別生成接觸單元及目標單元（見圖6）。

層壓木與液貨艙之間的接觸關系屬于邊界非線性問題[3]，在有限元結構分析中，接觸條件是一類特殊的不連續(xù)約束，允許力從模型的一部分傳遞到另一部分。由于只有當2個表面發(fā)生接觸時才會有約束產(chǎn)生，而當2個接觸的面分開時就不存在約束關系了，因此這種約束是不連續(xù)的。當2個體接觸之后，接觸面的位移增量必須與目標面的位移增量一致，這種一致性表現(xiàn)在對應的接觸節(jié)點位置上，必須滿足幾何約束條件，可通過迭代求解來完成。接觸計算過程見圖7，其中：p為接觸面節(jié)點上的接觸壓力；h為從接觸面節(jié)點侵入目標面的距離。

圖5 固定支座與滑動支座邊界條件示意

圖6 接觸面和目標面單元劃分

圖7 接觸計算過程

4 實例分析

本文選取37500m3乙烷運輸船第2號液罐為研究對象，以滿載垂蕩工況為例，分別采用接觸單元和桿單元2種方法進行分析對比。計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

圖8～圖12為計算結果，從結果中可看出：

1) 2種方法計算的模型網(wǎng)格大小有一定區(qū)別，從計算結果來看，液艙各部分應力分布基本上一致，在支承結構處由于模擬方法不同導致應力分布存在差別；

2) 蝶形封頭與液艙筒體的過渡區(qū)域應力較大，設計過程中應選取合理的板厚來過渡；

3) 中縱艙壁下端兩支座附近由于層壓木中斷，會產(chǎn)生一定的應力集中，同時在封頭和筒體的過渡區(qū)域存在較大的應力，在設計過程中可設置加強筋予以加強；

4) 2個支座處加強環(huán)上由于層壓木截止，在層壓木中斷區(qū)域不可避免地產(chǎn)生較大的應力，可通過增加板厚或設置加強筋來做適當加強；

5) 層壓木與液艙外殼之間存在復雜的非線性接觸關系，使得接觸壓力的分布沒有呈現(xiàn)出很強的規(guī)律性[4-5]，在液艙左右兩側及液艙下部中間位置，由于層壓木中斷產(chǎn)生了較大的壓力，設計中應注意選取合適的層壓木材料及尺寸，以保證層壓木的強度。

圖8 液艙外殼合成應力云圖

圖9 中縱艙壁合成應力云圖

圖10 支座加強環(huán)合成應力云圖

層壓木布置見圖13，其中β為接觸單元或桿單元位置與層壓木起始點的夾角。為進一步研究層壓木的受力特點，每隔5°提取接觸對間的接觸壓力并取平均值，將其與桿單元所受壓力相對比，結果見表2、圖14和圖15。

圖12 桿單元軸向壓力分布

圖13 層壓木布置圖

續(xù)表2

圖14 固定支座處層壓木沿周向的受力分布

圖15 滑動支座處層壓木沿周向的受力分布

由圖14和圖15可知，采用接觸的方法得到的層壓木受力特點是兩端大中間小，而桿單元受力在液艙左右兩側并無明顯增大。圖16為桿單元液艙支撐剖面變形。由圖16可知，液艙支承區(qū)域有外張趨勢，桿單元已“傾倒”，其變形方向并非沿液艙徑向，在β=110°時表現(xiàn)得最為明顯，導致桿單元的軸向力并不能真實反映層壓木所受的壓力；事實上，層壓木與液艙外殼之間的接觸關系是平面之間的接觸關系，且由圖11可知接觸對之間的垂向接觸壓力分布沿層壓木的寬度方向并不均勻，沿層壓木周向也不連續(xù)，而用桿單元模擬層壓木顯然不能描述該現(xiàn)象，選用接觸單元建模分析方法所得結果的準確度更高。

圖16 桿單元液艙支撐剖面變形

5 結 語

本文對獨立液艙支承區(qū)域的受力特性及載荷分布進行了精確的分析，計算結果相比此前的采用桿單元模擬法所得結果更為精確，不僅為C型液艙的研發(fā)、設計提供了更多的技術支撐，也為同類結構的設計分析提供了重要的參考。

【 參 考 文 獻 】

[1] IMO. International code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk[S]. 2014.

[2] 中國船級社. 散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范[S]. 2016.

[3] 許貴滿. 基于ANSYS的輪軌三維非線性接觸的影響因素分析研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2014.

[4] 溫衛(wèi)東，高德平. 接觸問題數(shù)值分析方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 南京航空航天大學學報，1994, 23 (5)： 664-675.

[5] 卞學良，趙文多，白亞楠. 基于ANSYS/Workbench的蹄式制動器接觸壓力分析及優(yōu)化[J]. 工程機械，2012, 43 (7)：27-30.