﻿ 小型LNG运输船耐撞性能对比分析
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (4): 11-16 PDF

1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003;
2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030

Comparative analysis of crashworthiness of small scale LNG carriers
WANG Qing-feng1, LIU Juan1, CUI Xiang-yi1, HUANG Xiao-ping2
1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China;
2. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China
Abstract: In this paper,side structure crashworthness of membrane LNGC and C-type LNGC are compared by the general dynamic finite element package Abaqus. The crash simulation focuses on the critical failure modes of containment system and liquid cargo tank,and proposed a new criterion to judge the failure of containment of the spring failure between primary and secondary insulation boxes.Side structures are simulated to obtain the structure deformation,the collision force and energy dissipation,it is found that the crashworthiness of membrane LNGC is superior to the C-type,which provides great significance of study the small scale LNGC.
Key words: ship-collision     small scale LNGC     membrane tank     C-Type tank     cargo containment system
0 引　言

1 有限元模型及碰撞方案 1.1 碰撞模型简介

 图 1 LNG运输船横剖面图 Fig. 1 Cross-sectional view of LNG
1.2 不同舱型围护系统

 ${\text{圆柱壳体}}t \geqslant \frac{{{p_{eq}}{D_i}}}{{2{\sigma _m}\phi - {p_{eq}}}} + c\quad {\rm{mm}},$ (1)
 ${\text{球形封头}}t \geqslant \frac{{{p_{eq}}{D_{i'}}y}}{{2{\sigma _m}\phi - 0.5{p_{eq}}}} + c\quad {\rm{mm}}\text{。}$ (2)

 图 2 NO96型围护系统 Fig. 2 NO96 CCS

 图 3 绝缘箱结构尺寸 Fig. 3 Geometry of the box

1.3 有限元模型建立

 图 4 球首有限元模型 Fig. 4 Bulbous finite element model

 图 5 LNG船舱段有限元模型 Fig. 5 LNGC finite element model

 图 6 薄膜型围护系统示意图 Fig. 6 Membrane CCS schematic
1.4 碰撞方案

 图 7 碰撞点示意图 Fig. 7 Collision position diagram
2 计算仿真结果及分析 2.1 围护系统极限失效

1）独立C型罐体损伤变形区域主要集中在撞击点处，从而验证了碰撞具有局部性的论断。C型罐的失效形式主要表现为膜拉伸变形和弯曲变形，在型深方向上由于撕裂首先出现细长形的裂缝，从网格大小可以大约估算出裂缝的面积为0.3 m2左右。

2）薄膜围护系统中，绝缘箱在高冲击载荷下均出现了严重的压溃现象，对抵抗碰撞所起作用较小。殷瓦钢的变形模式主要是膜拉伸，由于殷瓦钢是粘黏在绝缘箱表面，应力通过绝缘箱传递过程中，随着绝缘箱的失效，应力在接触面内相对较分散。

3）综合比较3个不同位置的碰撞结果可以发现，薄膜型围护系统失效时间全部晚于独立C型罐体失效时间，大约推迟了0.1s左右。这是由于殷瓦钢高韧性的物理特性对结构失效起到了很大的延迟作用。

 图 8 C型罐体失效损伤变形 Fig. 8 The damage deformation of C-type tank

 图 9 薄膜围护系统失效损伤变形 Fig. 9 The damage deformation of membrane CCS
2.2 船体结构损伤变形

1）薄膜型围护系统失效时刻船体结构的整体形变量大于独立C型船体结构形变量。对于薄膜型舱段，结构参与抵抗碰撞的时间变长，结构形变加大，整体发生了更为严重的拉伸、屈曲、挤压、压溃、断裂等变形。

2）舷侧外板和内板在系统失效时刻表现出相似的变形特征，都出现了破裂，随着碰撞力传递到围护系统上直至失效，薄膜型舷侧内板的破裂面积要明显大于独立C型内板变形。

 图 10 极限状态下船体应力云图 Fig. 10 The stress of ship under the limit state

 图 11 外板应力云图 Fig. 11 The stress of outer shell

 图 12 内板应力云图 Fig. 12 The stress of inner shell
2.3 碰撞力

1）碰撞力曲线呈现出高度的非线性，碰撞力随时间变化曲线的形态可以反映出碰撞历程中各个构件的失效情况，每一次碰撞力的下降都代表着一个构件的失效卸载。

2）在3幅曲线图中，碰撞的初始阶段，2条曲线表现出高度的一致性，这是因为2种舱型的LNG船舷侧船体结构一致，在外板破裂之前，均是随着时间的增加，碰撞力上升，当达到一定值后开始出现下降，对应着外板的破裂。随着撞头的深入，碰撞力通过构件传递到围护系统上，2条曲线表现出差异性。整体上，独立C型的最大碰撞力大于薄膜型，因为当撞头触及C型罐体时，罐体参与抵抗变形，碰撞力升高，当应力增大到一定值后，罐体破损，碰撞力也急剧下降。而薄膜型围护系统由于绝缘箱和殷瓦钢刚度都较小，因此在碰撞力曲线上最大值都低于C型舱的碰撞力最大值。

3）在3个碰撞点中，无论是薄膜型还是独立C型，碰撞力都是在位置3处最先达到最大值，因为碰撞点3位于强横框架和舷侧纵骨的十字交叉点处，虽然相对刚度较大，但由于构件的强力传递作用导致舷侧内板过早地参与变形，从而失效时间提前。

 图 13 碰撞力-时间曲线 Fig. 13 Curve of collision force-time
2.4 能量转换与吸收

 图 14 各部件能量吸收曲线 Fig. 14 Curve of energy absorption

3 结　语

1）薄膜型LNG运输船由于殷瓦钢高延展性的特点，延缓了系统失效时间，总体上临界失效时间比独立C型晚0.1 s左右，极限撞深也增加约0.4 m，结构总体吸能大5%左右，综合考虑，小型LNG运输船采用薄膜型围护系统的耐撞性能优于独立C型。

2）薄膜型围护系统中，殷瓦钢主要以膜拉伸变形为主，绝缘箱属于脆性材料，对结构抵抗碰撞的作用很小，出现严重的压溃现象。

3）绝缘箱体和殷瓦钢组成的围护系统吸能仅占整体吸能的一小部分，更多的是通过延缓失效时间增加船体结构的总吸能。而C型罐体在结构碰撞中参与抵抗变形，吸能较多。船体部分，外板是主要的吸能构件，可以通过增加外板厚度提高整体抗撞性能。

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