0 引　言

顺应现代船舶绿色智能的发展方向，满足IMO日趋严格的环保标准^[1]和EEDI要求，液化天然气（LNG）作为HFO燃料的替代和补充在大型集装箱船上的应用日益广泛^{[2 − 3]}。B型LNG燃料舱以其较高的船体适应性、舱容利用率和良好的耐晃荡性而渐受欢迎。作为新兴应用热点，国内外对于B型独立燃料舱的研究相对较少。刘晓媛等^[3]分析了集装箱船B型燃料舱及支座结构的屈服强度；耿元伟等^[4]校核了LNG船B型舱结构的屈服和屈曲强度；陈金峰等 ^[5]、姚雯等^[6]研究了LNG船B型舱支座结构的受力特点和优化措施；Tae-Wook等^[7]根据IGC规范对集装箱船B型舱进行了基于名义应力法的疲劳强度计算；Wen等^[8]评估了晃荡载荷下，LNG船B型燃料舱支撑结构的屈服强度；目前针对B型舱的研究主要集中在燃料舱的屈服屈曲问题和以屈服强度为衡准的支撑结构的优化设计上，对燃料舱及其支撑结构的疲劳强度问题鲜有研究。

本文基于DNV-GL规范要求^[9]，对一大型集装箱船B型LNG燃料舱及其支撑结构开展疲劳强度研究，改进了燃料舱及其支撑结构的疲劳分析流程以及疲劳热点的筛选方法，确定了需进行疲劳强度评估的结构，同时对比了不同构件疲劳的关键位置，并给出了相应的提高疲劳强度优化设计方案。

1 燃料舱结构设计

燃料舱与主船体之间设置各类支座结构。舱底设有垂向支座、止横摇支座和止纵摇支座，舱顶布置止浮支座和止横摇支座。舱内设置中纵制荡舱壁，7道横向强框和3档水平桁。兼顾耐超低温、抗腐蚀、高强度和易焊接加工要求，燃料舱及焊接其上的支座选用9%镍钢板制造。

2 疲劳分析流程 2.1 计算模型

舱段分析能获取燃料舱结构应力分布和支撑结构上的支反力情况，用于船体侧支座及相连结构疲劳筛选，并为后续疲劳精细网格分析提供载荷和边界条件^[3]。舱段计算模型为标准的三舱段模型，如图1（a）所示，包括燃料舱所在的中货舱和邻近首尾货舱结构。网格尺寸取纵骨间距（S×S）。

为获取更准确的燃料舱结构变形与应力分布特性，建立网格尺寸为200×200的燃料舱细化模型，如图1（b）所示。燃料舱纵骨、水平桁、横向强框面板与加强筋均采用板单元来模拟。燃料舱模型作为舱段计算模型的子模型，能提高疲劳筛选的精度，用于燃料舱结构和相连支座的疲劳筛选并更精确地边界条件。

2.2 载荷施加

基于DNV-GL规范，对于舱段模型，通过建立独立点施加作用于2个端面的约束。对于用于子模型疲劳分析的燃料舱模型和构件疲劳精细网格模型，需要将各自父模型计算所得节点位移施加到其边界对应节点上作为强制位移约束。

出于简化分析和提高安全裕度的考虑，推荐计算FT1和FT3这2种载况（见表1）。每一载况需考虑波浪载荷直接预报出的垂向、横向以及纵向加速度最大的动载荷工况。

此外，装载、卸载天然气产生的热应力循环对结构疲劳强度的影响不可忽略。为此需进行低周疲劳分析，除空载、满载外还要考虑装载到每一档水平桁高度的部分装载工况。

所有用于舱段分析的载荷组合都需施加到子模型上。对于支座结构，还需施加对应的压力和摩擦力，如图2所示。

2.3 强度衡准

规范对燃料舱结构、船体侧支座及相连结构有不同的疲劳损伤要求。

2.4 疲劳筛选

本文关注整个燃料舱及其支座结构的疲劳强度评估问题。不同于常规船型，业界没有成熟经验来给出具体的疲劳热点位置。若不加以筛选全盘计算，工作体量过大而难以开展。为此需分别进行疲劳筛选，判定可能出现疲劳问题的关键区域。

基于规范并结合本文计算载况，得出如下疲劳筛选公式：

$ fat={\left({\Delta \sigma }_{FT1}\cdot {f}_{{\mathrm{mean}}}{,}_{FT1}\right)}^{3}\cdot 0.4+{\left({\Delta \sigma }_{FT3}\cdot {f}_{{\mathrm{mean}}}{,}_{FT3}\right)}^{3}\cdot 0.6 。$

式中：$ {\Delta \sigma }_{FT1} $、$ {\Delta \sigma }_{FT3} $分别为FT1、FT3载况下最大应力幅；$ {f}_{\rm{mean}}{,}_{FT1} $、$ {f}_{\rm{mean}}{,}_{FT3} $分别为FT1、FT3载况下最大应力幅对应的平均应力修正系数。

规范给出了疲劳筛选公式，但并未提供配套软件支持。笔者采用自编程方式将计算值导入通用有限元软件进行读取分析。

同类构件中，经由疲劳筛选公式计算，所得值fat较大的构件需进行精细网格疲劳分析（得出热点应力），此为构件疲劳筛选；在此基础上，对疲劳热点不明确的构件，依据精细网格疲劳计算结果进行二次筛选得出疲劳热点（用于基于SN曲线的疲劳寿命计算），此为热点疲劳筛选。经过2次筛选，燃料舱结构疲劳关键区域及热点得以明确。大大减轻疲劳计算工作量的同时避免遗漏疲劳热点。

总结B型LNG燃料舱及其支座完整的疲劳分析流程，如图3所示。

3 疲劳强度计算

根据结构特点，对燃料舱及其支撑结构进行分类计算。支撑结构作为B型独立舱的核心设计内容，为疲劳强度评估重点，分为船体侧和舱体侧支座两类；燃料舱结构分为外板、横向强框、水平桁、集液井、纵骨穿越孔等大类。

3.1 船体侧支座

对船体侧支座依据（S×S）舱段模型分析结果进行疲劳筛选，发现底部两垂向支座VSA、VSB，一止纵摇支座PSB，一止横摇支座LRS应力幅较大，需进行精细网格疲劳分析。

为确定各支座具体疲劳热点位置以评估疲劳强度，依据精细网格疲劳分析结果再次进行疲劳筛选。结果表明，船体侧支座热点在于纵向圆弧肘板趾端以及自由边，对应典型计算热点，如图4所示。

3.2 舱体侧支座

对舱体侧支座依据（200×200）燃料舱子模型分析结果进行疲劳筛选。结果表明，底部两垂向支座VSA、VSB需进行精细网格疲劳分析，如图5所示。

依据支座精细网格疲劳分析结果再次进行疲劳筛选，发现燃料舱侧支座疲劳热点在于中间三角肘板趾端，对应典型计算热点位置，如图6所示。

3.3 燃料舱结构

分别对燃料舱外板、横向强框、水平桁、集液井等结构进行疲劳构件筛选。应力幅最大的位置出现在横向强框结构上。2处典型筛选结果，如图7所示。

对这2处结构进行二次疲劳筛选确定计算热点位置，如图8所示。

4 结果分析与优化设计 4.1 计算结果分析

燃料舱及支座疲劳损伤计算结果，见表3。

由表可知，船体侧和舱体侧支座疲劳特性有所区别。由于承受船体梁总纵弯曲应力较大，船体侧支座纵向肘板趾端踩在内底板处疲劳问题严重；由于舱底侧支座高度较之船体侧要小，其中间三角肘板过渡不够平缓导致这里疲劳损伤更大。

此外，DNV规范仅要求评估垂向支座的疲劳强度，不考虑其他止浮、止横摇和止纵摇支座。本文进行疲劳筛选时发现，船体侧的止纵摇和止横摇支座处应力幅同样很大，因此也对其进行精细网格疲劳分析和疲劳损伤计算。计算值均超出规范要求，验证出疲劳筛选的必要性。

再有，疲劳损伤计算中占主导的是高周疲劳。计算发现，低周疲劳损伤因子均小于0.01，因此低周疲劳分析或可省去。另外，自由边疲劳损伤较小。

最后，针对表3中不满足规范要求的节点A、C、D、E，考虑进行优化设计。

4.2 节点优化设计

对节点A、C，最简单有效的方案是针对性加板厚。船体侧支座纵向圆弧肘板趾端处内底板嵌厚；舱体侧支座横向支撑肘板加厚。对节点D，防倾肘板踩在强框面板处改为软趾形式。对节点E，面板板厚及板宽逐渐缓慢过渡以降低面板终止处应力集中程度，如图9所示。

最终优化设计方案和结果，见表4。

5 结　语

基于规范改进了双燃料集装箱船B型LNG燃料舱及其支撑结构的疲劳分析流程，探讨了疲劳热点的筛选方法以及提高疲劳强度的优化措施，并通过实船计算得出以下结论：

1）由于承受较大的船体梁总纵弯曲应力，船体侧支座疲劳严重区域在纵向圆弧肘板趾端处；由于支座高度较小，燃料舱侧支座在中间三角肘板趾端处应力集中程度较大，疲劳问题需加以关注。构件圆弧自由边处疲劳情况良好。

2）规范虽没有要求，但船体侧底部止横摇支座和止纵摇支座的疲劳强度亦需加以校核。

3）对燃料舱及其支撑结构而言，高周疲劳损伤占主导。针对装载、卸载天然气的低周疲劳分析一般可不予考虑。

4）可通过加板厚，做软趾、使面板过渡更和缓等优化措施来改善相应节点的疲劳问题。