2020, Vol. 42
2. 江苏新杨子造船有限公司，江苏 靖江 225000
2. Yang Zi Jiang Ship Building Group LTD, Jingjiang 225000, China
液化气运输船的独立液货舱系统分为A型、B型和C型。C型独立液货舱具备综合成本低、装载灵活方便以及安全性较高的优点，常常用于中小型液化气运输船。其适用于半冷半压式和常温全压式载运大气压力下沸点等于和高于–104 ℃的各类液化石油气，目前也广泛应用于载运大气压下沸点为–163 ℃的液化天然气[1]。
C型独立液货舱的货舱罐体由与船体相连的固定鞍座与滑动鞍座支撑。鞍座主要作用是支撑货舱罐体，以及防止罐体移动或者转动。船舶在航行时会经历纵摇、垂荡、横摇等工况，因而鞍座将承受货舱罐体及其装载液货的重力和各个加速度方向的惯性力，鞍座受力状态复杂。同时，货舱液罐装载液货温度较低，由于热传递作用，鞍座以及附近结构处于低温环境。钢材在低温环境下材料性能差异较大，会对结构强度造成一定影响，因而各船级社对低温钢材等级的选择都进行了明确的要求。
对液化气运输船鞍座结构设计时，需要进行有限元分析，求出鞍座及附近结构的应力场以及温度场，这对结构设计具有重要指导意义。
1 鞍座结构C型独立液舱通常通过2处鞍座结构提供支撑：固定鞍座和滑动鞍座。固定鞍座不仅能对液货舱提供法向支撑，还能限制其纵向的位移；滑动鞍座仅对液货舱提供法向支撑[2]。
图1和图2分别是固定鞍座以及滑动鞍座。固定鞍座可以承受液货舱各种装载状态下货品的静、动载荷，并能承受IGC规定的碰撞工况下相当于1/2液货舱和货物重量的前冲力以及1/4液货舱和货物重量的后冲力。滑动鞍座能够承受液货舱各种装载状态下货品的静、动载荷，而不限制其在其他自由度上的运动。
|
图 1 固定鞍座 Fig. 1 Fixed support saddle |
|
图 2 滑动鞍座 Fig. 2 Sliding support saddle |
本文针对某C型独立罐式LEG运输船的鞍座结构，进行应力场以及温度场的计算分析。该船船长约108 m，船宽约18 m。液罐罐体采用双联圆筒形，舱容约6 500 m3。
2.1 结构有限元模型本文采用Patran进行建模，Nastran进行求解。对模型的应力场以及温度场计算设置相应的载荷以及外部条件，采用Nastran相应模块进行求解。
有限元模型覆盖舱段完整的型宽以及型深，沿船长方向范围覆盖鞍座前后各3档强框。鞍座及附近结构采用细网格进行建模，网格尺寸大约50 mm×50 mm。远离鞍座网格尺寸逐渐放大至800 mm×800 mm。利用壳单元模拟板格，利用梁单元模拟加强筋以及面板。在温度场计算模型中，利用实体单元模拟层压木[3]。
有限元模型如图3～图6所示。液罐为双联圆筒罐，鞍座设计配合圆筒形式。鞍座设置多个肘板，鞍座下双层底内设置多个局部短纵桁，用以支撑液罐以及液货。液罐基本参数如表1所示。
|
表 1 液罐基本参数 Tab.1 Basic parameter of the tank |
|
图 3 舱段模型 Fig. 3 Tank Cargo Model |
|
图 6 层压木模型 Fig. 6 Wood Structure |
|
图 4 鞍座模型 Fig. 4 Saddle Model |
|
图 5 双层底内船体结构 Fig. 5 Double bottom structure |
|
|
表 2 应力场计算模型边界条件 Tab.2 Boundary condition of stress field model |
在强度分析中应至少包含下列载荷分项：
1）货物载荷。液货舱和液货重量，应计及船舶运动引起的惯性力。
2）结构自重。模型中的船体结构重量，可由计算程序自动算出。
3）海水压力。可仅计静水压力。
4）调平附加载荷。为货物载荷加上结构自重与浮力之差而设，施与船底板并与浮力叠加。
5）液货舱和货物重量1/2向前冲力和1/4向后冲力。
6）船体静横倾角30°姿态时，各有效质量沿倾斜面产生的重力分量，取1/2重力值；
7）压力试验时所施加的载荷。
载荷组合工况如表3所示。
|
|
表 3 应力场计算工况 Tab.3 Working conditions of stress field calculation |
鞍座的施载方式按照正弦/余弦函数的分布形式模拟。液货舱对鞍座的力包括垂向、横向和纵向分量。单个鞍座垂向和横向压力的合力大小等于液货舱和液货重力以及惯性力的一半。液货舱和液货纵向惯性力主要由固定鞍座的档板承受。典型的载荷施加如图7～图10所示。
|
图 7 垂荡 Fig. 7 Heaving |
|
图 8 横摇 Fig. 8 Rolling |
|
图 9 承载极限状态：独立工况3（静横倾30°） Fig. 9 Limit station of carrying |
|
图 10 前冲力施加在鞍座档板 Fig. 10 Forward force on baffle |
温度场计算考虑的传热方式包括传导、对流和辐射。船舶的热量传递主要包括船体水线上结构与外界空气间的对流传热，水线下结构与外界海水间的对流传热，船内结构与压载水、燃油等之间的对流传热，船内结构与舱内空气间的对流传热，船体外板与内板之间的辐射传热。根据实际经验，对于LEG运输船来讲，最重要的热传递还是货舱区域，液货罐（液货）与鞍座，鞍座与层压木，层压木与内底板之间的热传导[5]。这种热传导而产生的温度传递最终决定了鞍座及其附近船体结构的钢板等级和厚度。为简化计算，仅考虑热传导的影响。热传导对某一截面热流密度以及热量满足：
| $ \frac{{{\dot{Q}}}}{A} = \frac{{\rm{\lambda}} }{t} \cdot \Delta T\text{。} $ |
式中：
对于全球航行的船舶，一般采用IGC环境工况。环境温度和材料导热系数如表4和表5所示。
|
|
表 4 温度场计算环境 Tab.4 Environment in temperature field calculation |
|
|
表 5 材料导热系数 Tab.5 Thermal conductivity coefficient |
根据计算结果，固定鞍座应力略大于滑动鞍座。各工况最大应力值以及最大应力对应位置如表6所示。在工况1中，位于中纵剖面上的鞍座肘板趾端以及中纵桁应力较大，主要原因是上述构件需要承担由于船体纵摇引起的纵向惯性力。固定鞍座档板由于承担液罐的前、后冲力，在工况4中表现出较高的应力水平。鞍座需要承担罐体以及液货各个方向的惯性力，因而设置多个支撑肘板同船体相连接。而在多个工况中，鞍座同船体连接的肘板均出现较大的应力集中。鞍座附近的双层底短纵桁也较易出现应力集中。典型高应力区的应力云图如图12～图16所示。
|
|
表 6 最大应力值及对应位置 Tab.6 The maximum stress values and locations |
|
图 12 工况1固定鞍座中纵剖面肘板趾端应力 Fig. 12 Bracket toe on fixed saddle for LC1 |
|
图 16 工况2短纵桁同纵骨连接处肘板应力 Fig. 16 Bracket between short girder and longitudinal for LC2 |
|
图 11 工况1固定鞍座应力 Fig. 11 Fixed saddle for LC1 |
|
图 13 工况3固定鞍座同舷侧板连接处肘板应力 Fig. 13 Bracket between fixed saddle and side plate |
|
图 14 工况1固定鞍座附近船体结构应力 Fig. 14 Hull structure nearby fixed saddle for LC1 |
|
图 15 工况1中纵桁应力图 Fig. 15 Center girder for LC1 |
由温度场计算结果，固定鞍座与滑动鞍座温度场分部几乎一致，温度场计算结果如表7所示。层压木同液罐接触面温度为–104 ℃，同鞍座面板接触面迅速上升到–10.6 ℃。船体结构靠近鞍座部分温度大约为–7.7 ℃，远离鞍座处结构逐渐上升至接近海水温度0 ℃。温度场云图如图17～图20所示。
|
|
表 7 温度场计算结果 Tab.7 Results of temperature field calculation |
|
图 17 鞍座层压木温度场图 Fig. 17 Temperature field of the wood |
|
图 20 鞍座附近双层底结构温度场 Fig. 20 Temperature field on double bottom |
|
图 18 鞍座温度场 Fig. 18 Temperature field of saddle |
|
图 19 鞍座附近内底板温度场图 Fig. 19 Temperature field on inner bottom |
根据规范，船体结构设计最低设计温度与各钢级最大厚度对应关系如表8所示。
|
|
表 8 温度与钢级对应关系表 Tab.8 The correspondence between temperature and steel grade |
本文针对某LEG船鞍座结构进行了温度场以及应力场的计算，根据计算结果得到如下结论：
1）鞍座需要承担罐体以及液货各个工况的惯性力，需要设置多个肘板的船体连接。肘板上易形成应力集中的区域，如趾端、角隅处需要重点关注。
2）中纵剖面上的构件如中纵桁、该剖面上的鞍座肘板，需要重点关注其在纵摇时的应力状况。
3）鞍座附近双层底内短纵桁同船底纵骨连接处易出现应力集中，设计中应设计良好过渡结构。
4）鞍座温度较低，尤其是面板以及档板，同时其承受较大应力。设计过程中尤其注意结合鞍座应力场、温度场计算结果确定鞍座结构形式、钢级和板厚。
| [1] |
顾俊, 王凡超, 刘奕谦. 6500 m3液化气运输船鞍座结构强度分析
[J]. 船舶, 2015(4): 77-83. DOI:10.3969/j.issn.1001-9855.2015.04.013 |
| [2] |
杨青松, 陆丛红, 纪卓尚. 中小型LNG船鞍座及附近船体结构强度分析[J]. 中国造船, 2011, 52(1): 61-70. DOI:10.3969/j.issn.1000-4882.2011.01.008 |
| [3] |
郑文青, 张帆, 陈拓, 等. LNG船C型独立液货舱支座层压木的设计[J]. 船舶工程, 2018(2): 40-45. |
| [4] |
中国船级社. 《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》[M].
|
| [5] |
周伟. 中小型LNG船C型罐温度场分析及鞍座设计选择[J]. 船海工程, 2017(1): 23-26. DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.006 |