雙燃料集裝箱船B型LNG獨立艙船體艙段有限元分析

劉華山，孫明宇，吳貝尼，鄭 藝，吳仁豪，肖凱隆

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著綠色環保觀念日益深入人心，作為新興清潔能源，天然氣在全球能源市場越來越受歡迎，雙燃料船隨之大行其道。B型獨立燃料艙作為一種重要的液貨圍護系統，具有維護便利、耐晃蕩及艙容利用率高等優點[1]。然而由于國內獨立型液貨艙尤其是B型艙的實船項目較少，相關研究起步較晚，研究成果十分有限。劉曉媛等[2]對超大型集裝箱船的B型LNG燃料艙及其支撐結構進行了強度分析，為相關船型設計提供參考；Wen Dong等[3]研究了晃蕩載荷下B型獨立艙支座肘板的應力分布及特性；呂立偉等[4]提出一種確定獨立型液貨艙鞍座處液罐內加強環尺寸的方法。目前對獨立艙及其支撐結構的研究相對較為深入，而對主船體結構的研究較少。

本文基于DNV GL船級社規范[5]要求對一艘16000TEU雙燃料集裝箱船的B型LNG燃料艙主船體結構展開艙段分析，通過屈服和屈曲強度計算，得到各工況下船體受力特點及高應力區域分布，在此基礎上對燃料艙與主船體的結構設計方案進行改進與優化。

1 研究對象

1.1 結構特點

本文研究對象為雙燃料集裝箱船的B型LNG獨立燃料艙主船體結構。LNG燃料艙位于Fr233～Fr259肋位，前后分布貨艙，左右兩側分布4個燃油艙。船體布置為雙層底、雙舷側和燃料艙雙層甲板形式。燃油艙內分布多檔水平桁和垂直桁結構。

1.2 燃料艙及支座結構

燃料艙中間設置橫向制蕩艙壁，水平方向設置3個平臺。在燃料艙底部和頂部設有垂向支座、止縱搖支座、止橫搖支座及止浮支座，支座布置如圖1所示。止浮支座位于艙體左上和右上兩角，連接在2個三角斜撐板（止浮毗連結構）上，進而支撐于艙頂。

圖1 燃料艙支座布置Fig.1 Support arrangement of fuel tank

由于液化天然氣溫度極低，為了保證低溫狀態下結構的力學性能，燃料艙及與其相連的支座材料都選用9鎳鋼。

2 艙段計算

2.1 艙段有限元模型

采用DNV GL船級社的規范軟件Poseidon進行完整的艙段分析過程，包括有限元建模、邊界和載荷施加、計算和后處理等。建模內容包括燃料艙結構、主船體結構以及支座結構，以考慮燃料艙和主船體間的相互作用。艙段有限元模型見圖2。Poseidon中采用chock單元模擬連接主船體和獨立艙的層壓木[6]，chock單元只承受壓力不承受拉力，且能設置間隙，如圖3所示。

圖2 燃料艙有限元模型Fig.2 Finite element model of fuel tank

圖3 Chock單元模擬層壓木Fig.3 Chock element simulating laminated wood

2.2 計算工況

根據DNV GL規范要求，選取幾個典型工況進行艙段有限元計算。LNG艙左右兩側分布4個燃油艙，為了考慮其裝載情況對艙段計算的影響，令LC1，LC2和LC3每個工況包括4個子工況，見表1。以LC1-a表示LC1的a號子工況，其他工況編號依此類推。

表1 艙段有限元計算工況Tab.1 Loadcases of Finite element calculation of hull section

2.3 屈服強度分析

在LC1-a工況中，靠近15324縱艙壁處雙層底肋板孔邊緣應力水平較高（見圖4），因為此處為LNG燃料艙到舷側燃油艙的過渡區域，結構有突變。在LC1-b工況中，燃油艙裝滿會使相應燃油艙中的水平桁和垂直桁應力水平有所增大（見圖7）；但會使雙層底肋板應力水平略下降，降幅為10～30 MPa（見圖5）。原因是：此工況最終表現為中垂，兩邊燃油艙裝滿產生重力，相當于使中間雙層底部分受到一個向上的彎矩，使得其中垂有減小趨勢，故雙層底肋板應力有所降低（見圖8），且4個燃油艙都裝滿的工況（LC1-b）比2種對角裝工況（LC1-c和LC1-d）雙層底肋板應力更小。

圖4 雙層底應力云圖（LC1-a）Fig.4 Von mises stress of double bottom LC1-a LC1-b

圖5 雙層底肋板應力云圖對比（MPa）Fig.5 Comparison of von mises stress of double bottom floor

圖6 燃油艙應力云圖對比Fig.6 Comparison of von mises stress of oil tank

圖7 底縱桁應力云圖Fig.7 Von Mises stress of longitudinal girder of double bottom

圖8 燃油艙裝載對雙層底肋板受力影響示意Fig.8 Influence of fuel tank loading on von mises stress of double bottom floor

LC2是中垂工況，底縱桁孔邊緣應力水平最大，因為其承受總縱彎曲（見圖7），其次是雙層底肋板。LC2-b工況中，燃油艙裝滿同樣會使相應燃油艙中的水平桁和垂直桁應力水平有所增大，且使得靠近舷側的雙層底肋板應力下降，同LC1，但其對底縱桁幾乎無影響。

LC3是中拱工況，同樣是底縱桁孔邊緣應力水平最大（見圖7），其次是雙層底肋板。在LC3-b工況中，燃油艙裝滿同樣會使相應燃油艙中的水平桁和垂直桁應力水平有所增大，也會使靠近舷側的雙層底肋板應力增大，因為雙層底所受的向上的彎矩作用加劇了中拱效果（見圖8）。其對底縱桁也無影響。LC1～LC3工況中，LC3是最危險工況，底縱桁應力水平較大，但仍滿足應力衡準要求。

LC4是破艙工況，燃料艙上浮，頂部止浮支座附近三角斜撐結構（止浮毗連結構）應力水平較大。由于橫傾角的存在，左右兩舷三角斜撐受力不均勻，左舷三角斜撐受力較大，其上方肋板應力水平也相應較高，且燃料艙首尾兩端止浮支座對應的位置應力最大，分別是Fr239和Fr255，但都滿足應力衡準要求（見圖9）。

圖9 LC4和LC5工況中止浮支座附近結構應力云圖Fig.9 Von mises stress of structure near anti-floating support in LC4 & LC5

LC5同為破艙工況，燃料艙上浮。雖然橫傾角為0°，左右兩三角斜撐受力均勻，但由于燃料艙上浮至艙頂，浮力較大，三角斜撐及其正上方相應的肋板應力很大，超出衡準要求，且同樣是燃料艙首尾兩端止浮支座對應的位置應力最大。對原設計進行改進：改變相應位置的板厚和鋼級，減小三角斜撐的開孔尺寸，取消三角斜撐正上方肋板開孔，最終滿足要求（見圖9）。

在LC6工況中，尾部貨艙破艙進水，使得燃料艙尾部橫艙壁受壓力產生向船首的位移，橫艙壁中靠近底部的垂直桁和水平桁應力水平較高（見圖10），超出衡準的區域作取消開孔或增加板厚處理，最終滿足應力衡準要求。在LC7工況中，首部貨艙破艙進水，與LC6同理。

圖10 LC6和LC7工況中橫艙壁位移和應力云圖Fig.10 Displacement and von mises stress of bulkheads in LC6 & LC7

2.4 屈曲強度分析

屈曲計算同樣在Poseidon軟件中進行，計算結果表明：

在LC1，LC2和LC3工況中，內底板、底縱桁和橫艙壁垂直桁上的部分區域不滿足屈曲要求，增加相關區域板格厚度或增加加強筋，屈曲強度滿足要求。

在LC5工況中，三角斜撐板上方靠近15324縱艙壁的部分肋板板格不滿足屈曲要求。由于燃料艙兩端止浮支座三角斜撐及上方肋板在Fr239和Fr255肋位處通過屈服計算結果，進行了增加板厚和鋼級的結構加強，屈曲強度滿足要求，故肋板板格不滿足屈曲要求的情況集中在中間各肋位。在各相應板格增加加強筋，即滿足屈曲要求。而LC4工況中屈曲強度都滿足要求。

在LC6工況中，Fr233橫艙壁（燃料艙艉部橫艙壁）靠近底部的板格屈曲超出規范要求，增加橫艙壁靠近底部位置的板厚，再增加加強筋后即滿足要求。LC7同理，增加Fr259橫艙壁（燃料艙首部橫艙壁）靠近底部位置的板厚，再增加加強筋后即滿足要求。

3 結構形式優化

考慮工況LC4，由于橫傾角的存在，左右兩側止浮支座及其毗連結構受力不均，毗連結構最大應力為237 MPa（見圖11）。艙頂和艙底的止橫搖支座受力也不均，艙底的止橫搖支座層壓木所受壓力遠小于艙頂止橫搖支座，如表2所示，材料利用效率較低。

表2 改進結構形式前后止橫搖支座層壓木支反力對比Tab.2 Comparison of reaction force of laminated wood of antirolling support before and after improvement of structure

圖11 改進結構形式前后的燃料艙典型橫剖面應力云圖（LC4）Fig.11 Von mises stress of typical cross section of fuel tank before and after improvement of structure

針對LNG艙三角斜撐板，對結構形式作出改進。去掉三角斜撐板結構，止浮支座直接頂在艙頂板上，燃料艙頂拉平。施加LC4工況進行艙段計算，結果表明：在改進后的結構中，艙頂和艙底的止橫搖支座層壓木受力大小相近，受力均勻（見表2）。左右兩側止浮支座附近的肋板也受力均勻，最大應力為160 MPa，應力水平小于原始設計中止浮毗連結構的單側較大應力。考慮工況LC5，改進設計的結構強度也能滿足應力衡準要求。

此外，艙頂三角斜撐結構繁瑣，建造施工困難。改進的結構形式避免了這些問題，且在滿足結構強度要求的前提下節省了材料，使結構重量減輕了115.4 t，與此同時，燃料艙艙容增加了3.85%。

4 結 語

本文對16000TEU雙燃料集裝箱船的B型LNG燃料艙主船體結構展開艙段分析，研究各工況下船體結構受力特點和屈服、屈曲特性，并對燃料艙結構進行優化，得出如下結論：

1) 在正常運營工況中，B型LNG獨立艙主船體高應力區域主要集中在雙層底肋板和縱桁上，兩側燃油艙的裝載對雙層底肋板應力略有影響；在燃料艙破損上浮工況中，止浮支座附近結構應力較大，橫傾角和三角斜撐（止浮毗連結構）的存在使左右兩側受力不均；在首尾貨艙破艙工況中，相應橫艙壁底部因受力較大，局部需作結構加強。

2) 改進的燃料艙結構形式避免了原有結構單側受力過大和受力不均的現象，避免了三角斜撐（止浮毗連結構）復雜繁瑣的施工，且節省材料，減重了115.4 t，燃料艙艙容增加3.85%。