小型LNG運輸船耐撞性能對比分析

王慶豐，劉 娟，崔相義，黃小平

(1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030)

0 引 言

近年來，隨著天然氣在各大能源消耗中的比重大幅提升，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）運輸船出現了井噴式發展。在我國，地區性輸氣管網加速建設，LNG進口接收站數量逐年增加，城鄉居民用能結構調整，這些促使中小型LNG運輸船呈現高增長的態勢。另一方面，內河水上交通運輸日益繁忙，船舶噸位、航速都不斷增加，發生船舶碰撞事故的概率增加，而LNG運輸船作為危險化學品船，一旦發生碰撞泄漏事故，后果將不堪設想，因此，對小型LNG運輸船開展碰撞性能研究具有重要的現實意義。

目前，關于圍護系統碰撞失效臨界狀態的選取還沒有一個統一的標準。Paik[1]通過模擬球罐型LNG船受船首撞擊的場景，提出2種評判標準，即LNG船液貨艙出現破裂和撞擊船船首觸碰到液貨艙艙壁。法國GTT公司根據殷瓦鋼延展性高的特點，提出以殷瓦鋼橫向最大拉伸55 mm/m，縱向最大拉伸40 mm/m作為臨界破壞狀態。Han[2]針對NO96型圍護系統提出內板最大變形700 mm為新的失效狀態。K?rgesaar[3]對NO96型圍護系統提出了自己的結論，即以4 mm/m的內板變形作為生存極限評判標準。ABS[4]給出以絕緣箱的極限強度40 MPa作為系統失效標準。隨著薄膜型圍護系統建造技術的成熟及成本的降低，其在小型LNG運輸船上的應用將成為新的發展趨勢。本文以某設計院設計的1艘2 000 m3LNG運輸船為研究對象，分別模擬了薄膜型和獨立C型2種艙型的船舶碰撞情景，提出適用的評價薄膜型圍護系統失效的新標準，同時從失效時間、極限撞深以及結構吸能3方面對耐撞性能進行分析研究。

1 有限元模型及碰撞方案

1.1 碰撞模型簡介

本文研究的內河薄膜型LNG運輸船主尺度如表1所示。同時，為了重點研究不同艙型圍護系統對碰撞性能的影響，采取控制變量的方法，即獨立C型LNG船采用相同的舷側結構形式[5]，以減小由于船體結構不同帶來的2種艙型之間的碰撞差異，圖1是薄膜型和獨立C型LNG運輸船橫剖面圖。

表1 2 000 m3薄膜型LNG運輸船主尺度Tab. 1 Main dimensions of 2 000 m3 membrane LNG

1.2 不同艙型圍護系統

獨立C型LNG運輸船的罐體部分包括圓柱殼體和球型封頭2部分，具體的板厚尺寸應滿足《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》相關要求為：

式中：Peq為內部壓力；Di=6 400mm為容器殼體內徑；σm為許用膜應力；c=1 mm為腐蝕增量；y=0.55為形狀系數；為焊接有效系數。

本文取C型罐整體厚度30 mm,滿足規范要求。

薄膜型LNG運輸船采用法國GTT公司的NO96型圍護系統，如圖2所示，主要由主次絕緣箱、樹脂繩、殷瓦鋼、機械螺栓和四角墊塊等部件組成。其中，絕緣箱作為圍護系統的主體，大小規格都有特定的說明，如圖3所示。Paik J K[6]通過力學拉伸試驗驗證了在數值模擬中將層合板假設為各向同性的彈塑性材料的有效性。殷瓦鋼由于厚只有0.7 mm，一般認為不能單獨承受載荷，因此，絕大多數學者在研究中都將其忽略，然而發生在1979年的EI Paso Paul Kayser薄膜型LNG運輸船擱淺事故表明，殷瓦鋼高沖擊韌性的特點對防止液貨泄漏有重要作用，本文依據S Han[2]關于薄膜的力學拉伸試驗，在碰撞模擬中考慮殷瓦鋼的作用。主要構件的材料參數如表2所示。

表2 材料參數Tab. 2 The material parameters

1.3 有限元模型建立

本文撞擊船模型選取長江內河航行的帶有球鼻首的4 000 t集裝箱船，從實際船舶碰撞事故可知，撞擊船船首剛度一般遠遠大于被撞船，因此可以將其簡化為剛性撞頭處理。圖4為撞頭有限元模型，采用殼單元建模，整個撞頭包括920個四邊形單元，網格尺寸為0.2 m，在端點處定義4×106kg的質量點以代替整船質量。

被撞船選取#36～#56肋位的平行中體艙段建立有限元模型，全長12 m，包括2個橫艙壁之間的距離,網格大小為100 mm，圖5為2種艙型LNG運輸船艙段有限元模型，船體部分采用Q235鋼。

表3 絕緣箱接觸彈簧單元剛度Tab. 3 The spring stiffness of insulation box

英國勞氏船級社針對薄膜型圍護系統中，絕緣箱之間的接觸問題作了系統研究，認為采用線性彈簧單元模擬接觸較為合理[7],表3給出了彈簧單元剛度。絕緣箱取鋪滿整個舷側艙壁為宜[8]，共計3×10個，殷瓦鋼采用tie方式與主絕緣箱粘連，模型示意圖如圖6所示。

1.4 碰撞方案

從長江海事部門資料了解到，內河船長在60～100 m的集裝箱船航速均值一般在18 km/h左右。因此，本文碰撞模擬以5 m/s速度作為撞擊速度，選取3個典型的碰撞位置進行分析，如圖7所示。初始時刻，撞頭與舷側之間有0.1 m的距離。在仿真中考慮撞頭與被撞船之間的摩擦作用，設置摩擦系數為0.3。根據舷側結構的對稱性和變形特點，確定艙段兩端剛性固定，中間施加對稱約束。

2 計算仿真結果及分析

2.1 圍護系統極限失效

圖8和圖9分別為C型罐體和薄膜圍護系統在3個不同碰撞位置下極限失效時刻的結構損傷變形圖，從圖中可以看出：

1）獨立C型罐體損傷變形區域主要集中在撞擊點處，從而驗證了碰撞具有局部性的論斷。C型罐的失效形式主要表現為膜拉伸變形和彎曲變形，在型深方向上由于撕裂首先出現細長形的裂縫，從網格大小可以大約估算出裂縫的面積為0.3 m2左右。

2）薄膜圍護系統中，絕緣箱在高沖擊載荷下均出現了嚴重的壓潰現象，對抵抗碰撞所起作用較小。殷瓦鋼的變形模式主要是膜拉伸，由于殷瓦鋼是粘黏在絕緣箱表面，應力通過絕緣箱傳遞過程中，隨著絕緣箱的失效，應力在接觸面內相對較分散。

3）綜合比較3個不同位置的碰撞結果可以發現，薄膜型圍護系統失效時間全部晚于獨立C型罐體失效時間，大約推遲了0.1s左右。這是由于殷瓦鋼高韌性的物理特性對結構失效起到了很大的延遲作用。

2.2 船體結構損傷變形

在強烈的碰撞沖擊過程中，碰撞區各船體構件由于結構形式的不同，將表現出不同的損傷模式。現以碰撞點3為例，主要對舷側外板和內板的計算結果進行分析。

圖10是極限狀態下，2種艙型LNG運輸船船體結構損傷變形圖，圖11和圖12分別是外板、內板應力云圖，從圖中可以看出：

1）薄膜型圍護系統失效時刻船體結構的整體形變量大于獨立C型船體結構形變量。對于薄膜型艙段，結構參與抵抗碰撞的時間變長，結構形變加大，整體發生了更為嚴重的拉伸、屈曲、擠壓、壓潰、斷裂等變形。

2）舷側外板和內板在系統失效時刻表現出相似的變形特征，都出現了破裂，隨著碰撞力傳遞到圍護系統上直至失效，薄膜型舷側內板的破裂面積要明顯大于獨立C型內板變形。

2.3 碰撞力

圖13為3個不同碰撞點下的碰撞力時序曲線，從圖中可以看出：

1）碰撞力曲線呈現出高度的非線性，碰撞力隨時間變化曲線的形態可以反映出碰撞歷程中各個構件的失效情況，每一次碰撞力的下降都代表著一個構件的失效卸載。

2）在3幅曲線圖中，碰撞的初始階段，2條曲線表現出高度的一致性，這是因為2種艙型的LNG船舷側船體結構一致，在外板破裂之前，均是隨著時間的增加，碰撞力上升，當達到一定值后開始出現下降，對應著外板的破裂。隨著撞頭的深入，碰撞力通過構件傳遞到圍護系統上，2條曲線表現出差異性。整體上，獨立C型的最大碰撞力大于薄膜型，因為當撞頭觸及C型罐體時，罐體參與抵抗變形，碰撞力升高，當應力增大到一定值后，罐體破損，碰撞力也急劇下降。而薄膜型圍護系統由于絕緣箱和殷瓦鋼剛度都較小，因此在碰撞力曲線上最大值都低于C型艙的碰撞力最大值。

3）在3個碰撞點中，無論是薄膜型還是獨立C型，碰撞力都是在位置3處最先達到最大值，因為碰撞點3位于強橫框架和舷側縱骨的十字交叉點處，雖然相對剛度較大，但由于構件的強力傳遞作用導致舷側內板過早地參與變形，從而失效時間提前。

2.4 能量轉換與吸收

以碰撞點1為例，從能量轉換與吸收的角度對2種艙型LNG運輸船舷側耐撞性能進行分析。

從圖14可以看出，2種艙型各構件的能量吸收曲線大體一致，都是隨著時間的增加而逐漸增加，舷側外板是最大的吸能構件，均占到50%左右，其次是舷側內板，因此，提高LNG運輸船耐撞性能可以從增加外板厚度方面考慮。

表4為各構件能量吸收匯總，薄膜型LNG運輸船中，絕緣箱和殷瓦鋼的吸能比僅占很小一部分，說明在碰撞過程中，絕緣系統不是主要吸能構件。C型罐體在失效臨界狀態時，吸能相對較多。

3 結 語

本文利用Abaqus有限元軟件對薄膜型和獨立C型2種艙型的LNG運輸船碰撞事故進行數值仿真模擬，主要結果匯總于表5，通過對失效時間、極限撞深和結構吸能的分析可以得出以下結論：

1）薄膜型LNG運輸船由于殷瓦鋼高延展性的特點，延緩了系統失效時間，總體上臨界失效時間比獨立C型晚0.1 s左右，極限撞深也增加約0.4 m，結構總體吸能大5%左右，綜合考慮，小型LNG運輸船采用薄膜型圍護系統的耐撞性能優于獨立C型。

表4 各構件吸能Tab. 4 Energy absorption capacity of structural components

2）薄膜型圍護系統中，殷瓦鋼主要以膜拉伸變形為主，絕緣箱屬于脆性材料，對結構抵抗碰撞的作用很小，出現嚴重的壓潰現象。

表5 薄膜型與獨立C型LNG船碰撞結果對比Tab. 5 Comparision of collision results between membrane LNGC and C-type LNGC

3）絕緣箱體和殷瓦鋼組成的圍護系統吸能僅占整體吸能的一小部分，更多的是通過延緩失效時間增加船體結構的總吸能。而C型罐體在結構碰撞中參與抵抗變形，吸能較多。船體部分，外板是主要的吸能構件，可以通過增加外板厚度提高整體抗撞性能。

參考文獻：

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