雙燃料散貨船C型LNG燃料艙強度分析

李闖，顧俊，鄭文青，張志康，楊薛航，高曉磊

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

經過十余年的發展，船舶LNG動力技術逐漸成熟，且隨著LNG加注設施的逐漸完善，LNG燃料動力船型迎來了快速增長期。相比較于A型、B型獨立液貨艙和薄膜型液貨艙，C型獨立液貨艙具有裝載靈便、結構簡單和安全性高等特點，廣泛應用于中小型的LNG運輸船和一些雙燃料船型中。已有的研究主要是將鞍座或液罐作為單獨的模型，將鞍座和液罐同時放在主船體中進行研究的還比較少；已有研究主要針對液罐常規縱向布置的船型，對于液罐橫向布置的船型研究比較少。為此，以一型采用C型LNG燃料艙的雙燃料散貨船為例，C型燃料艙坐落于主船體中，由固定鞍座和滑動鞍座來支撐。液罐沿船寬方向布置，考慮到結構的特殊性和載荷的嚴峻性，對該C型燃料艙進行直接計算分析。

1 結構特點

液罐由左右放置的兩個鞍座結構來支撐，液罐與鞍座之間設置有層壓木，用于將燃料艙的載荷傳遞到主船體中，并為主船體的結構提供絕熱保護。為了裝載更多的貨物，散貨船貨艙區域通常具有較大的型深和型寬。考慮到散貨船自身的結構特點，為了更加高效地利用艙容，不同于常規的縱向布置，液罐采用橫向布置，見圖1。

圖1 液罐布置示意

液罐采用“圓柱+半球形封頭”的形式，全長為45.6 m，中部筒體直徑為17 m，總容積約為9 196 m。液罐用于裝載液化天然氣，罐體采用9Ni鋼，密度為7 890 kg/m，彈性模量為206 000 MPa，屈服強度為490 MPa，抗拉強度為640 MPa。

2 有限元分析模型

2.1 計算模型

船體梁變形會對液罐的應力分布產生一定的影響，將鞍座和液罐同時放在主船體中進行計算，可以消除邊界條件對于鞍座及液罐應力計算結果的影響。已有研究表明，相比于液罐單獨模型，在模型中考慮船體結構的影響，鞍座區域液罐結構的應力水平會低3.7%～16.5%。為了得到更合理的結果，模型計算時考慮主船體結構的影響，C型LNG燃料艙有限元計算模型見圖2。

圖2 LNG燃料艙有限元計算模型

在固定鞍座處，液罐與主船體之間保持相對固定；在滑動鞍座處，允許液罐與主船體之間發生相對滑移。考慮層壓木與罐體、鞍座之間的實際接觸情況，在固定端采用實體單元模擬，滑動端采用Gap單元模擬，鞍座與罐體之間的連接形式見圖3。

圖3 鞍座與罐體連接形式

層壓木通常由櫸木切削成薄片，經高溫高壓等特殊工藝加工成型，彈性模量=16.5 GPa，泊松比=0.2，密度=1.35×10t/mm。Gap單元的受壓剛度=，其中:為層壓木的彈性模量;為層壓木與罐體之間的接觸面積;為層壓木的高度。設定Gap單元的受拉剛度為零，以模擬液罐與船體結構之間不承受拉力的接觸，避免了采用彈簧單元或桿單元模擬時造成的人工反復計算的麻煩。

2.2 計算工況

采用VeristarHull有限元計算軟件，考慮船體梁載荷、舷外水壓力、液艙內部壓力、船舶運動慣性力、船體和液罐的自重等載荷的作用，其中液艙內部壓力包含液體靜動壓力和液罐蒸汽壓力，設定蒸汽壓力為0.4 MPa，載荷由VeristarHull自動加載。計算工況分為航行工況和非航行工況，航行工況包括船舶迎浪、橫浪、斜浪等工況，非航行工況包括靜橫傾30°工況及碰撞工況。

2.3 校核標準

依據相關規范，針對不同的工況和不同的結構，需要采用不同的校核標準。對于船舶的航行工況及靜橫傾30°工況，LNG燃料罐的校核應力應小于[]，加強環及鞍座的校核應力應小于[]；對于船舶的碰撞工況，LNG燃料罐和船體結構的校核應力應小于。

其中：[]為/1.5與/3中的小值；[]為085與0.57中的小值；和分別為材料的屈服強度和抗拉強度。

3 結果分析

3.1 有限元計算結果

相應結構的應力云圖見圖4～7(單位：MPa)。

圖4 液罐von Mises應力云圖

圖5 液罐加強環von Mises應力云圖

圖6 鞍座von Mises應力云圖

圖7 鞍座附近船體結構von Mises應力云圖

液罐的高應力區域主要出現在氣室與液罐的交界處，液罐中間筒體的應力高于兩側球頭的應力，筒體下部的應力高于上部的應力。液罐加強環的高應力區域出現在鞍座支撐包角結束的位置，最大應力出現在固定鞍座一側。鞍座的高應力區域出現在鞍座支撐包角結束的位置，最大應力出現在滑動鞍座一側。鞍座附近船體結構的高應力區域主要出現在艙壁垂直桁與底縱桁開口處。

液罐、液罐加強環、鞍座及鞍座附近船體結構在不同工況下的最大von Mises應力見表1。對于不同的結構，最危險的工況都出現在碰撞工況。碰撞工況作為一種極端工況，船舶在航行時，出現更多的是橫搖工況和航行工況。不同于常規的縱向布置，液罐采用橫向布置，使得液罐加強環和鞍座在橫搖工況時出現了較大的應力。

表1 不同工況下結構最大von Mises應力 MPa

對于雙燃料散貨船，液罐、液罐加強環和鞍座為有限元計算的關注區域，計算結果表明，除了氣室與液罐交界處的個別單元超出了規范的許用應力值，其他區域的單元應力都在規范的許用應力值以內。

3.2 鞍座支撐包角對結構強度的影響

鞍座支撐包角和加強環結構位置是影響液罐附近結構應力響應的重要因素，為了探討鞍座支撐包角和加強環結構位置的影響，在有限元計算中對不同的鞍座支撐包角和加強環結構位置開展了參數化分析。

層壓木放置于液罐與鞍座之間，沿鞍座周向放置形成一定的包角，為液罐提供支撐。通過刪除液罐與鞍座之間連接的實體單元和Gap單元，模擬鞍座支撐包角的變化。通過改變鞍座支撐包角為130°、140°、150°和160°，探討鞍座支撐包角變化對于液罐、液罐加強環、鞍座及鞍座附近船體結構強度的影響。

鞍座固定端和滑動端附近結構的應力隨鞍座支撐包角的變化見圖8。

圖8 不同鞍座支撐包角下結構von Mises應力變化

有限元計算結果顯示隨著鞍座支撐包角的增加，鞍座及鞍座附近船體結構在滑動端處的應力水平高于在固定端處的應力水平，液罐在固定端處的應力水平高于在滑動端處的應力水平。此外，在鞍座支撐包角較小時，液罐加強環在滑動端處的應力水平較高，在鞍座支撐包角較大時，液罐加強環在固定端處的應力水平較高。

由圖8可知，隨著鞍座支撐包角的增加，固定端處液罐的應力基本保持不變，滑動端處液罐的應力在130°與140°之間逐漸減小，超過140°后應力基本保持不變。液罐在固定端處的應力水平高于在滑動端處的應力水平，這主要與結構的不對稱相關。氣室分布在固定端附近，在氣室與液罐的交界處出現了應力集中，進而造成了應力增加。

此外，隨著鞍座支撐包角的增加，滑動端處液罐加強環的應力隨著鞍座支撐包角的增加逐漸減小。固定端處液罐加強環的應力表現為先減小后增加，在鞍座支撐包角為150°時達到最小。選取鞍座支撐包角為130°和150°兩種情形，固定端處液罐加強環的von Mises應力見圖9(單位：MPa)，液罐加強環在鞍座支撐包角為150°時的整體應力水平低于130°時的應力水平。

圖9 液罐加強環von Mises應力云圖

隨著鞍座支撐包角的增加，固定端和滑動端處艙壁桁材的應力都逐漸增加。這主要由于鞍座支撐包角的增加使得液罐將更多的載荷傳遞到橫艙壁上，進而造成固定端和滑動端處艙壁桁材的應力逐漸增加。此外，隨著鞍座支撐包角的增加，固定端和滑動端處鞍座的應力都表現為先減小后增加，在鞍座支撐包角為140°時達到最小。

選取鞍座支撐包角為130°和150°兩種情形，固定端處鞍座的Von Mises應力云見圖10(單位：MPa)，兩種鞍座支撐包角下鞍座的應力分布相似，整體應力水平相當，高應力區域出現在鞍座支撐包角結束的位置。

圖10 鞍座von Mises應力云圖

3.3 加強環結構位置對結構強度的影響

液罐附近的加強結構見圖11，主要包括鞍座結構、液罐加強環結構、艙壁加強結構和內底加強結構4個部分。加強環結構的初始設計位置在距中9 450處，為了探討加強環結構位置的影響，將液罐加強環及鞍座等結構的位置移動到距中13 200處。通過對比液罐、液罐加強環及鞍座移動前后的應力，來探討加強環結構位置的影響。

圖11 液罐附近加強結構

移動前后不同工況下結構的最大von Mises應力見表2。

表2 不同加強環結構位置下結構最大Von Mises應力 MPa

有限元計算結果顯示加強環結構移動位置后，液罐的應力基本不變，液罐加強環和鞍座的應力出現明顯的下降。其中液罐加強環在碰撞工況的最大應力減小了10%，鞍座在碰撞工況的最大應力減小了14%。這主要與力矩的平衡有關，液罐在固定鞍座處近似于剛性固定的邊界條件，在滑動鞍座處近似于自有支持的邊界條件。液罐橫向加速度產生的橫向力、垂向加速度產生的垂向力與鞍座處的支反力所形成的彎矩相平衡，固定鞍座與滑動鞍座的間距增加，相應鞍座的受力就會減小，進而造成鞍座與液罐加強環應力的減小。

液罐加強環及鞍座移動后的Von Mises應力云見圖12、13(單位：MPa)，高應力區域同樣出現在鞍座支撐包角結束的位置。

圖12 液罐加強環von Mises應力云圖

圖13 鞍座von Mises應力云圖

4 結論

1)對于橫向布置的液罐，液罐的高應力區域主要出現在氣室與液罐的交界處，液罐加強環和鞍座的高應力區域主要出現在鞍座支撐包角結束的位置，鞍座附近船體結構的高應力區域主要出現在艙壁垂直桁與底縱桁開口處。

2)鞍座支撐包角的變化對于液罐的應力影響較小，對于液罐加強環的應力影響較大。在鞍座包角由140°增加為150°時，固定端處液罐加強環的應力減小32.7%，滑動端處減小39.1%。鞍座支撐包角的確定要綜合考慮多方面的影響，支撐包角太小會造成結構局部應力增加，支撐包角太大會造成材料浪費及影響吊裝落罐。

3)加強環結構的位置對液罐的應力影響較小，對液罐加強環和鞍座的應力影響較大。在前期設計階段，加強環結構的位置選擇要綜合考慮其對結構應力的影響以及船體自身的布置條件。

4)后期應開展結構細網格分析及結構疲勞分析，進一步探討橫置液罐下結構的受力特點，及鞍座支撐包角變化下結構細節的應力響應。