雙燃料PCC船LNG燃油艙破艙強度計算研究

秦建國 江 斌

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司 南通226005）

引 言

通過燃用LNG，能很好地解決上述問題，而且LNG的價格也相對便宜［3］。因此，近年來雙燃料PCC船越來越受到船東的青睞。雙燃料PCC船的動力推進裝置一般采用柴油和天然氣作為燃料。因此，該類船舶除設有普通的柴油燃油艙外，還需另外設置LNG燃油艙。LNG燃油艙中布置有LNG儲存罐，LNG儲存罐內儲存著大量低溫（-162℃）易燃易爆的LNG，一旦LNG燃油艙破損，將有可能造成儲存罐泄漏，對周邊的人員、設備和環境等都將造成極大危害［4］。此外，PCC船自身的特點也使其所面臨的破艙強度問題更加嚴峻。

因PCC船一般設計有多層甲板，故其型深和干舷都比較大，設計吃水相對較小。但為裝卸車方便，PCC船一般不會在貨艙區設置水密橫艙壁，這就意味著一旦貨艙發生意外而破損，只能靠水密甲板（一般全船僅設置1～2道水密甲板）來阻擋。當進水量較大時，破艙吃水一般也較大，甚至達到設計吃水高度的兩倍以上。這種情況下，LNG燃油艙的各艙壁包括底板承受的作用力將非常大，遠遠超過船舶完整情況下的設計壓頭。因此有必要對LNG燃油艙在破艙工況下的結構強度進行計算評估，從而保證其結構的安全有效性。

在一般貨船貨艙破艙進水的情況下，雙層底均假定為會進水，因此內底板板架一般沒有必要考慮破艙強度。目前，各船級社規范［5-8］對于PCC船在破艙情況下的內底板板架結構強度計算并沒有給出明確的計算方法。不過，雙燃料PCC設置有LNG燃油艙，且一般會要求在船體破艙時還能保證LNG燃油艙完整性。因此，有必要提出一種行之有效的方法來評估LNG燃油艙在破艙工況下的結構強度。

有限元法是一種精度較高的常用數值計算方法，采用商業軟件的有限元建模分析模塊能比較精確地對船舶結構強度進行分析。本文將采用有限元分析方法對某雙燃料PCC船在破艙情況下的結構強度進行計算與評估。

1 計算方法

采用有限元方法計算LNG燃油艙在破艙工況下的結構強度，重點在于施加載荷的選取。根據LR規范［5］和DNV規范［8］要求，水密艙壁在破艙下的計算水頭應根據實際破艙時的吃水水頭來確定。如圖1所示，對于選定的結構進行破艙強度計算時，計算水頭高度取校核點和水線之間的垂直距離。對于內底板架結構可近似取內底板到水線和外板交點的垂直距離。

圖1 破艙計算水頭

因此，若能根據PCC船的實際破損情況計算出破艙情況下LNG燃油艙的最大吃水，然后再基于該吃水壓頭得到施加于LNG燃油艙的艙壁和艙底板架上的實際壓頭，就可以通過有限元分析得到其在破艙下的應力分布，從而評估其破艙強度是否滿足。

由于船體破艙的狀況千差萬別，分別對每一種情況都進行強度計算顯然不可取。通常我們會將所有破艙情況下的吃水羅列出來，同時考慮船舶橫傾和縱傾的影響，擬合出各橫剖面的最大吃水包絡線，然后取該包絡線高度為計算吃水高度。但是這種做法會使計算的目標艙室破損情況涵蓋在內，偏于保守。為使計算結果更加精確，包絡線涵蓋的工況應該剔除計算的目標艙破損工況。以LNG燃油艙為例，若要計算其破艙強度，應該考慮的情況是LNG燃油艙保持完整而其他艙室破損，并擬合出LNG燃油艙在該情況下的最大吃水。

2 實例分析

本節以某雙燃料PCC船為例，采用上述研究方法來計算LNG燃油艙在破艙條件下的結構強度，驗證其結構的安全可靠性。

5.2 栽植后第2～3年 苗木栽植后的第 2～3年，主要任務是繼續培養樹形，平衡樹勢，加快蔓性主枝形成和結果枝組培養，促進花芽形成和結果。生長季修剪主要措施仍以扭枝、摘心、拉枝綁枝為主，疏除過密枝。主枝延長枝達到70 cm時重摘心，促使主枝延長枝繼續延長生長并抽發側枝，利用好蔓性主枝上的背上枝，疏除過密枝、過旺枝，及時扭枝綁縛，加快拱棚架樹形結構形成。蔓性主枝上每隔20～30 cm均勻培養結果枝組，適當位置直接著生結果枝和輔養枝。4個蔓性主枝長勢應均衡一致，結果枝組分布均勻。以培養樹形為主，調控花果量，第2年，疏除全部花序；第3年，適當結果，畝產量控制在500 kg。

2.1 計算模型

有限元模型范圍可取LNG燃油艙整體模型，也可取單個艙壁板架。本節以LNG燃油艙底板架為例進行說明，如圖2所示。

圖2 計算模型

該計算模型長23 400 mm、寬11 500 mm、高2 000 mm，各詳細參數如表1所示。

該板架四周均有水密艙壁支撐，對邊界節點的位移和轉角都有較好地約束。采用四周固支的邊界條件如圖3所示。

圖3 邊界條件

2.2 載荷確定

計算LNG燃油艙在破艙工況下的結構強度主要需考慮的載荷為破艙吃水外壓，是以面壓力的形式施加到艙底板（船內底板）上。由此可見，破艙吃水高度的確定將直接影響到計算結果。而船體的破艙情況不可預估，如何準確選取用于破艙強度計算的吃水高度尤為關鍵。

本文的解決思路是先設法獲得LNG燃油艙保持完整而其他艙室破損的所有情況下的吃水，再擬合得到LNG燃油艙在該情況下的最大吃水。首先，通過NAPA軟件導出LNG燃油艙保持完整而其他艙室破損的所有工況吃水水線；然后，選取LNG燃油艙首尾剖面為對象，同時考慮船舶橫傾和縱傾的因素，在首尾剖面上畫出所有情況下的吃水水線；最后在所有吃水水線的基礎上擬合得到LNG燃油艙首尾剖面處的吃水包絡線，如圖4所示。

圖4 破艙吃水包絡線

通過上述擬合得到的LNG燃油艙首尾剖面處的破艙吃水包絡線可知：該實例分析中LNG燃油艙首部最大破艙吃水為20.7 m，尾部最大破艙吃水為19.7 m，均遠遠大于該PCC船的設計吃水9.6 m。這也再次證明了對PCC船在破艙下的結構強度進行評估的重要性。由于在計算LNG燃油艙底板架的破艙結構強度時，載荷是施加在艙底板（船內底板）上的，因此計算壓頭需扣除雙層底的高度2 m。由此可得LNG燃油艙首尾部計算壓頭分別為18.7 m和17.7 m，艙室中間部分的壓頭由尾至首線性增大。

因此，施加于內底板上的壓力場函數為：

P= 1.025×9.8×（17.7 +X/ 23 400）×10-3MPa。

將該壓力場函數施加于LNG燃油艙底板（船內底板）上，如圖5所示。

圖5 燃油艙的載荷

2.3 計算結果

上述實例經過有限元計算得到的合成應力和剪應力分布結果如圖6所示。

圖6 模型有限元計算結果

根據上述應力分布圖可知，船底板架的最大合成應力和最大剪應力均出現在肋板上，其中最大合成應力為253 MPa，最大剪應力為144 MPa，如圖7所示。

圖 7 主要支撐構件有限元計算結果

2.4 應力衡準

考慮到船體發生破損是在極限條件下發生的，即本計算工況屬于極限情況。根據各船級規范宗旨，船舶在極限情況下允許結構發生塑性變形。因此，許用合成應力可取材料屈服應力σ，對應的許用剪應力可取

上述實例分析中，肋板材質為H32、屈服應力為315 MPa，故可取許用合成應力315 MPa，許用剪應力計算結果滿足強度要求，參見表2。

表 2 應力衡準MPa

3 結 論

本文從雙燃料PCC船LNG燃油艙的特殊性出發，闡述了對其在破艙情況下的結構強度進行評估的必要性，介紹了一種用于計算LNG燃油艙在破艙下的結構強度的方法，并將該方法應用到實際計算案例，從而對LNG燃油艙在破艙下的結構強度進行評估，保證其在破艙情況下的結構有效性。

文中所給出的LNG燃油艙在破艙下的結構強度計算方法中，水頭的選取非常重要，計算時需充分重視，應基于可能破損情況下的最大吃水選取計算水頭。