﻿ LNG船舶舱室泄漏爆炸动态响应模拟研究
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (24): 14-19    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.003 PDF
LNG船舶舱室泄漏爆炸动态响应模拟研究

Simulation study on dynamic response of leakage explosion in LNG ship compartment
SHU Yuan-chao, WANG Ke, BAI Xu
Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: LNG is a high-quality energy widely used in the field of ships, and its leakage and explosion accidents will cause serious harm to the ship's cabin structure and the lives of workers. Based on the explicit nonlinear finite element software MSC.Dytran, this paper takes the cabin structure of an LNG fuel-powered ship as the research object and uses the TNT equivalent method to numerically simulate the response of the cabin structure under the action of LNG leakage and explosion. From the perspectives of shock wave pressure distribution, structural damage deformation and stress-strain distribution, the dynamic response law after leakage and explosion in the cabin is analyzed, which provides a reference for the optimization of the anti-explosion performance of LNG fuel-powered ships.
Key words: LNG ship     leak and explosion     dynamic response     numerical simulation
0 引　言

1 计算理论 1.1 空中爆炸理论

 图 1 空中爆炸冲击波传播原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the propagation principle of the shock wave of an aerial explosion

 图 2 空气冲击波超压峰值曲线 Fig. 2 Air shock wave overpressure peak curve

Henrych等[7]针对空中爆炸冲击波载荷的传播规律，提出了经验公式。以TNT球形炸药为例，冲击波瞬时压力$\Delta p$与冲击波在空气中的传播距离r的计算关系式为：

 \begin{aligned}[b] &\Delta p = \frac{{1.40717}}{{\bar r}} + \frac{{0.5597}}{{{{\bar r}^2}}} - \frac{{0.03572}}{{{{\bar r}^3}}} + \\ &\frac{{0.000625}}{{{{\bar r}^4}}} ( 0.05 \leqslant \bar r \leqslant 0.3 )，\end{aligned} (1)
 $\Delta p = \frac{{0.61938}}{{\bar r}} - \frac{{0.03262}}{{{{\bar r}^2}}} + \frac{{0.21324}}{{{{\bar r}^3}}} ( 0.3 \leqslant \bar r \leqslant 1 ) ，$ (2)
 $\Delta p = \frac{{0.0662}}{{\bar r}} + \frac{{0.405}}{{{{\bar r}^2}}} + \frac{{0.3288}}{{{{\bar r}^3}}} ( 1 \leqslant \bar r \leqslant 10 ) 。$ (3)

1.2 TNT当量法

 ${W_{{\rm{TNT}}}} = A{W_i}\frac{{{Q_i}}}{{{Q_{{\rm{TNT}}}}}}。$ (4)

2 计算模型 2.1 有限元模型 2.1.1 舱室结构模型

 图 3 舱室结构有限元模型示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the finite element model of the cabin structure
2.1.2 TNT当量模型

 ${W}_{i}\text={\rho }_{0}{V}_{舱} 。$ (5)

 ${r_{{\rm{TNT}}}}{\text{ = }}\sqrt[3]{{\frac{{3{W_{{\rm{TNT}}}}}}{{4\text{π} {\rho _{{\rm{TNT}}}}}}}}。$ (6)

 图 4 欧拉网格有限元模型示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the finite element model of Euler mesh
2.2 材料状态方程及参数

 ${\sigma _{{y}}}{\text{ = [1 + (}}\frac{{{\varepsilon _0}}}{D}{{\text{)}}^{1/q}}{\text{](}}{\sigma _0}{\text{ + }}\beta {E_p}\varepsilon _p^{eff}{\text{)}}。$ (7)

 $RPN{\text{ = }}S \times O \times D。$ (8)

3 计算结果分析

3.1 冲击波压力分析

 图 5 冲击波压力分布云图 Fig. 5 Shock wave pressure distribution cloud

3.2 结构损伤分析

 图 6 舱壁结构损伤响应图 Fig. 6 Bulkhead structural damage response diagram

 图 7 骨架结构损伤响应图 Fig. 7 Skeleton structure damage response diagram

 图 8 不同结构测点时间历程曲线图 Fig. 8 Time history curves of measurement points of different structures

1）甲板测点在爆炸发生初期，应力、应变均在非常短的时间内迅速攀升，并且峰值均是所有结构中最高的，是3种部件中受损伤最大，风险最高的部件；

2）横舱壁在爆炸发生一段时间之后，其各项数值也以较快的速度开始攀升，应力值峰值稍低于甲板，应变值甚至略高于甲板，在3种部件中是受损仅次于甲板的部件；

3）较为特殊的是，舷侧外板由于距离炸点较远，因此在爆炸初期受到的损伤最小，位移与应变攀升较缓慢，但当结构趋于稳定时，甲板与横舱壁应力值均有所回落，而舷侧外板却成为应力值最高的结构并保持在较高数值，因此舷侧外板虽然直接受到的首次冲击损伤较轻，却是受到后续反射波冲击损伤响应最久的结构；

4）骨架结构则是四者中受损最轻的结构。

3.3 结构吸能分析

 图 9 不同结构吸能时间历程曲线图 Fig. 9 Curves of energy absorption time history of different structures

4 结　语

1）爆炸发生初期的瞬间，绝大部分的爆炸能量及冲击载荷由爆源附近的上下甲板结构所承受，密闭空间中可燃气体的爆炸具有较强局部效应。

2）在密闭舱室内，由于舱壁反射形成的汇聚波会形成二次冲击载荷高峰，并于舱室的下方角隅处产生压力汇集，压力值甚至接近爆炸发生瞬间压力最大值的75％，导致舱壁与骨架交接处出现较多裂口，存在较大风险。

3）爆炸发生后，甲板结构的应力应变值攀升速度最快，峰值最高；横舱壁结构所吸收的塑性变形能在所有结构中最大，占总吸能的29.20％。而骨架作为支撑结构也吸收了23.40％的能量，但由于其栅格式的结构设计导致其抗爆性能优秀，受损伤最轻。综合而言，甲板与横舱壁是舱室中受损伤最严重，损伤响应最大的结构，在后续研究中应予以重视。

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