舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (8): 76-78   PDF    
83 000 m3超大型液化气船液货舱整体吊装强度分析
邵逸峰1, 郑雷2     
1. 上海江南长兴重工有限责任公司, 上海 201913 ;
2. 江南造船(集团)有限责任公司, 上海 201913
摘要: 83 000 m3超大型液化气船(VLGC)是国内首次接单的该类船型,其建造难度非常大,能否安全、高效、精确的进行液货舱吊装定位,将直接影响到整船的建造效率和安装精度。本文对液货舱整体吊装方案进行有限元校核计算,分析,评估整吊方案的可行性,并给出结构补强建议,确保整吊安全,对该类型的独立液货舱的吊装方案设计具有重要参考意义和指导作用。
关键词: VLGC     A型独立液货舱     有限元计算    
Lifting analysis on independent cargo tank of 83 000 m3 very large gas carrier
SHAO Yi-feng1, ZHENG Lei2     
1. Shanghai Jiangnan Changxing Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 201913, China ;
2. Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd, Shanghai 201913, China
Abstract: 83 000 m3 very large gas carrier, which is first of this type ships interiorly, the design and construction of ships are more complicated. Lifting and positioning independent cargo tank in safe and efficient accurate is direct impact the whole installation and construction progress. In this paper, FEA for the whole cargo tank lifting plan, analysis and evaluate feasibility, and get suggestion on structure reinforcement. Which can be taken as guidance for lifting Type-A independent cargo tank.
Key words: VLGC     type-A independent cargo tank     FEA    
0 引  言

随着石化工业的发展,液化石油气(LPG)作为天然气生产和原油精炼的衍生产品,愈来愈受到市场的重视。全球气候变暖,使LPG等清洁能源的需求不断攀升,从而为LPG运输市场的繁荣提供了机遇。通常而言,LPG运输船,分为全压式、半冷半压式和全冷式3种。由于LPG海运量的增加,航运经济性要求的增长,使得中长距离干线运输的LPG船正朝着超大型全冷式(VLGC)方向发展。

83 000 m3 VLGC是上海江南长兴重工有限责任公司完全自主研发、设计和建造的国内首型超大型液化气船,一举打破了日、韩等国家的技术垄断。其液货围护系统为4个A型独立液货舱,其设计、建造和安装工艺是该船型的核心技术。为了提高建造效率和安装精度,首制船采用整体吊装工艺对液货舱进行安装定位。如何准确地预报和控制结构变形,评估关键区域应力水平,成为整吊方案可行与否的关键。本文以NO.1液货舱为例,采用有限元方法对整吊方案的结构强度和变形进行可行性评估,并给出结构补强建议,为现场施工提供理论依据。

1 NO.1液货舱整体吊装方案

NO.1液货舱采用2台800 t龙门吊联吊的形式进行整体吊装,如图 1所示。

图 1 No.1液货舱整吊示意图 Fig. 1 No.1 Cargo tank lifting state

为减少吊装完成后的切割、打磨工作量,本次吊装将液货舱上的止浮支座用作结构吊马,布置如图 2所示。

图 2 吊马布置图(1) Fig. 2 Lifting arrangement (1)
2 模型简化

参考NO.1液货舱图纸,建立结构有限元模型(见图 3),主要有以下几个方面的要求:

图 3 吊马布置图(2) Fig. 3 Lifting arrangement (2)

1)全部板件与主要支撑构件都采用板单元模拟,普通扶强材采用梁单元模拟;

2)钢丝绳采用杆单元模拟;

3)模型不包括绝缘材料、管系与舾装件等,这部分质量平均分摊到模型中。

由于有限元模型对实际结构进行了一系列的简化和近似,所以质量和重心位置与实际有所偏差。NO.1液货舱长度为43.711 m,宽度为32.0 m,高度为21.967 m,有限元模型质量、重心统计数据与实际数据进行对比如表 1所示。

表 1 No.1液货舱质量、重心对比 Tab.1 Quality、center of gravity of No.1 cargo

通过数据对比可知,模型重心分布与实际基本一致;质量误差较大,主要是绝缘材料、管系与舾装件的质量,可以通过调整重量加速度来弥补该部分质量误差。

对于某些高应力区域,应进行模型网格细化,真实模拟结构几何形状,进一步准确评估该区域的结构强度,细化后的结构模型如图 4所示。

图 4 No.1液货舱有限元模型 Fig. 4 No.1 cargo
3 计算流程与校核衡准

计算分2步进行:第1步是整体结构初步分析(粗网格分析),目的是初步判断吊装方案的可行性,并计算液舱整体变形及应力分布;第2步是局部详细应力分析(细网格分析),目的是精确评估结构吊马及其连接区域的详细应力。

Von. Mises相当应力按下式计算:

${\sigma _{eq}} = \sqrt {\sigma _x^2 + \sigma _y^2 - {\sigma _x}{\sigma _y} + 3Z_{xy}^2} $

计算不考虑应力集中因素,

$\left[\sigma \right]{\rm{ = }}315{\mkern 1mu} {\rm{MPa}}$。

结构应力应满足:

${\sigma _{eq}}\; < \left[\sigma \right]$
4 边界条件及载荷

每个吊钩处加位移约束条件,约束3个平动自由度,即X=Y=Z=0。

图 5 细化区域有限元模型 Fig. 5 Fine mesh area

图 6 No.1液货舱整体应力分布云图 Fig. 6 Stress distributing fringe of No.1 cargo

图 7 No.1液货舱整体变形云图 Fig. 7 Displacement fringe of No.1 cargo

图 8 止浮装置详细应力 Fig. 8 Anti-floatation area detail stress

另外,为保证计算,在液货舱底部中心线处,选取前后2个端点,约束Y向平动自由度,即Y=0。

模型所受载荷为重力,通过加载惯性力来加载重力加速度,同时考虑1.2倍的起升系数。

5 结果分析

由计算结果可知,最大应力出现在吊马端部结构空挡位置,建议纵骨贯穿孔添加嵌入式补板,如图 9所示。最大变形约2.67 mm,出现在液货舱的顶部和底部,对液货舱安装定位无显著影响。结果表明,#1液货舱整体吊装方案可行。

图 9 吊马区域详细应力 Fig. 9 Lifting area detail stress
6 结  语

不同于日、韩船厂采取的半罐吊装工艺,我们充分利用吊车起重能力,开创性的使用整体吊装形式,这对提高建造效率和控制安装精度具有重要意义,同时也减少了大量的船上焊接作业,有效地降低了火灾等事故的发生率。本文以#1液货舱为例,对整吊过程进行有限元校核计算,全面评估结构应力与变形,为现场施工提供技术支持。目前,现场已完成多个液货舱的整体吊装,实测数据与计算高度吻合。

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