基于有限元的船用LNG燃料罐疲勞損傷量化分析

2023-10-21 06:49:12汪家政陳澤滔聶鈺明李同蘭溫小飛郁惠民

上海船舶運輸科學研究所學報 2023年4期

汪家政, 陳澤滔, 聶鈺明, 李同蘭, 溫小飛, 郁惠民

(1.舟山長宏國際船舶修造有限公司, 浙江舟山 316052;2.浙江海洋大學船舶與海運學院, 浙江舟山 316022;3.舟山市卓林船舶設計有限公司, 浙江舟山 316000)

0 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為綠色能源,具有高效、環保等優點,應用前景廣闊,但存在很大的安全隱患,如易泄漏、易燃和易爆等。在船舶航行過程中,船體會受到波浪的沖擊和LNG液體晃蕩引起的慣性載荷的作用,這會使船上的LNG燃料罐承受交變應力[1],從而導致其構件疲勞斷裂。若LNG燃料罐因疲勞損傷而斷裂,進而引發LNG泄漏,會導致船舶發生火災、爆炸和失控等事故,危及船員的生命和財產安全,故必須對LNG處理設施中與火災和爆炸有關的危害進行研究[2]。

自20世紀90年代至今,全球各主要船級社一直在努力完善船體結構疲勞強度計算方法[3-4],中國船級社(China Classification Society,CCS)也發布了與船體結構疲勞強度有關的規范和指南[5-8],國際海事組織為此專門頒布了《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》和《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》[9-10]。船用LNG燃料罐的可靠性和安全性問題持續受到國內外學者的關注,有學者采用譜分析方法[12-14]和設計波法[15]對LNG運輸船進行疲勞評估,也有學者對載荷和邊界條件加載精準度[16]進行研究,但這些方法的有效性尚未完全得到驗證。因此,為驗證LNG燃料罐疲勞量化分析方法的可行性,本文采用有限元分析方法,結合《船舶應用天然氣燃料規范(2021)》[11]相關要求,以ANSYS(19.0)結構計算數據為基礎,利用疲勞曲線(即S-N曲線,其中:S為交變應力值;N為應力循環次數)、載荷譜和工況組合等對LNG燃料罐的疲勞損傷情況進行量化分析。

1 研究方法

1.1 疲勞分析法

疲勞分析法是以試驗為基礎構建的方法。現行的疲勞分析法大致可分為名義應力疲勞分析法、局部應力應變分析法、損傷容限設計法和疲勞可靠性設計法等4種[17]。

1) 名義應力疲勞分析法通過有限元分析找到應力危險點所在位置,根據裝置結構載荷譜、材料S-N曲線和疲勞累積損傷準則計算得到構件的疲勞損傷情況。該方法中的名義應力為控制變量,考慮了載荷順序和殘余應力的影響,簡單易行。

2) 局部應力應變分析法以最大局部應力應變相同為切入點,根據構件應力最大部位的應力-應變響應預測構件的疲勞壽命。該方法存在固有缺陷,即忽略了缺口根部附近應力梯度和多軸應力的影響,同時疲勞壽命的計算精度對疲勞缺口系數K的精度有很高的要求。此外,還要參照疲勞應力-疲勞壽命曲線,試驗數據的獲取難度比S-N曲線大。

3) 損傷容限設計法以斷裂力學為基礎,通過疲勞裂紋擴展和試驗驗證,保證裂紋在使用時段內不會擴展并導致結構受損,確保零件能安全使用。

4) 疲勞可靠性設計法基于數學概率統計理論對材料的屬性、載荷施加次數及順序進行統計分析,從而得到構件的疲勞壽命。目前機械系統的可靠性研究尚不成熟,且不能解決疲勞壽命評估問題。

綜上,本文采用船級社認可的名義應力疲勞分析法進行計算分析,具體流程見圖1。

1.2 S-N曲線法

材料的S-N曲線是評價結構疲勞情況的關鍵依據,根據文獻[5],其所述S-N曲線(見圖2)包含B、C、D、E、F、F2、G和W等8條曲線,X軸為應力循環次數N,Y軸為交變應力值S,各曲線對應不同形式的結構節點,曲線公式為

圖2 文獻[5]中所述S-N曲線

lgN=lgK-mlgS

(1)

式(1)中:K為S-N曲線參數,可通過查S-N曲線參數表得到;m為S-N曲線的反斜率,拐點左側取3,右側取5。

根據LNG燃料罐的實際焊接形式選定E曲線,查表得曲線的拐點坐標(N,Sq)為(107,46.814 7),將其轉換成對數型式為(lg 107,lg 46.814 7),即為(7,1.67)。若E曲線拐點前后2段均為直線,則曲線表達式可整理為

y-1.67=a(x-7)

(2)

式(2)中:y和x分別為交變應力值S和應力循環次數N的對數值;a為直線斜率,圖2中曲線上段斜率為-1/3,下段斜率為-1/5。

根據《船舶應用天然氣燃料規范(2021)》的規定,可由LNG燃料罐的設計壽命確定其疲勞損傷情況,其長期分布載荷譜見圖3[5],其中:Q為均布面荷載;Pi為循環載荷,可考慮8個循環載荷水平;ni為循環次數。Pi和ni的計算公式可分別表示為

圖3 LNG燃料罐的長期分布載荷譜

(3)

ni=0.9×10i

(4)

式(3)和式(4)中:i的取值范圍為1～8;P0為概率水平為 10-8的載荷。

2 LNG燃料罐建模與仿真

2.1 計算流程

根據LNG燃料罐的結構參數,首先在軟件SolidWorks中建立LNG燃料罐的幾何模型,采用ANSYS Workbench網格模塊對其進行網格劃分。為簡化計算,將部分結構簡單的部件(如筒體、鞍座等)設置為殼網格,將結構和受力復雜的部件設置為實體網格。設置邊界條件、約束和加載,并進行工況組合,在ANSYS求解器中進行計算。疲勞損傷計算流程見圖4。

圖4 疲勞損傷計算流程

2.2 幾何模型

LNG 燃料罐為鞍式支座支撐的冷熱隔絕雙殼結構,內外罐殼體采用 8組連接件連接固定,連接件均分布在罐體靠近封頭前端和后端位置。LNG燃料罐幾何模型見圖5,主要由內外罐體、內外加強圈、鞍式支座和冷箱等組成。鞍座支座可根據固定形式分為F型和S型2種,其中:F型底板為圓形螺栓孔,完全約束固定;S型底板為長圓形螺栓孔,允許相對滑動。連接件由多個部件組合而成,其中:在固定端的連接件由玻璃鋼、固定卡套、上墊片、下墊片和定位環等組成(見圖6a);在滑動端的連接件由玻璃鋼、固定卡套、上墊片和下墊片組成(見圖6b)。

圖5 LNG燃料罐幾何模型

圖6 連接件局部放大剖視圖

2.3 有限元模型

ANSYS提供了自適應、映射和掃略等3種網格劃分方法。為兼顧準確性并服從適當簡化建模的原則,采用Solid單元對夾層8個支撐件進行網格劃分,采用Shell單元對內外筒體、封頭、鞍座、冷箱和加強圈等結構進行網格劃分。各部件的網格參數設置見表1;網格模型見圖7。

表1 各部件的網格參數設置

2.4 物性參數

18 m3船用LNG燃料罐內外罐體和鞍座材料選用不銹鋼S30408;內外罐體間的支撐材料選用玻璃鋼D3848。LNG燃料罐的基本設計參數、玻璃鋼D3848的材料性能和不銹鋼S30408的材料性能分別見表2、表3和表4。

表2 LNG燃料罐的基本設計參數

表3 玻璃鋼D3848的材料性能

表4 不銹鋼S30408的材料性能

2.5 仿真計算

根據船級社規范[11,18]的要求,在對LNG 燃料罐進行疲勞仿真分析時應考慮疲勞載荷組合工況,以組合工況下的計算結果為依據進行疲勞分析和安全評估。主要工況包括前沖2g(g為重力加速度)、前沖-2g、側沖g、側沖-g、上沖g、下沖2g和裝卸等。此外,還需考慮不同內罐充裝率的影響,即100%、75%、50%和20%等。各工況下的外部載荷主要有加速度載荷和壓力載荷(包括氣體壓力和液貨慣性力)2種,其中:內罐體內壁受到氣體壓力和液貨慣性力的作用,均布在燃料罐運動方向投影面上;外罐體內壁受到-0.1 MPa真空度的作用(即內外罐體之間的空間呈真空狀態,表壓為-0.1 MPa);燃料罐整體受到相應工況下的慣性加速度的作用。不同工況對應的載荷施加情況見表5。

表5 不同工況對應的載荷施加情況

表5中的液貨投影面壓力P的計算公式可表示為

P=cρngV/A

(6)

式(6)中:c為充裝系數,取值為0.95;ρ為充裝物密度,取值為470 kg/m3;n為系數,一般情況下取值為1;V為罐體容積,取值為18 m3;A為投影面積,取值為3.97 m2。

組合工況主要有橫向、軸向、垂向和裝卸等4種情形,對應的處理方式分別為側沖g減去側沖-g、前沖2g減去前沖-2g、上沖g減去下沖2g和內罐設計壓力填充。

3 結果量化與分析

3.1 累積損傷比

考察各組合工況下的計算結果,識別各部件的最大應力點(即應力熱點),并提取應力熱點對應的節點編號,以節點編號為評價點計算得到各部件應力熱點的第一主應力(S1)和第三主應力(S3),最后取二者中的較大值作為該部件的最大應力值。此外,100%、75%、50%和20%充裝率下的熱點應力值以100%充裝率為基礎,分別乘以 1.0、0.8、0.6和0.4之后估算得到,且4種充裝率情況的時間占比可根據實際的LNG使用情況確定,若為連續使用情形,可取均分的時間占比權重0.25。根上述計算方法計算出各應力熱點的總損傷比,進一步加權(時間占比權重)之后得到累積損傷比。在橫向、軸向、豎向組合工況和裝卸工況下各得到4個節點,共計16個應力熱點。這16個應力熱點在3種組合工況下的疲勞載荷的累積效應見表6～表8。