0 引　言

近年来，受货币政策收紧、地缘政治冲突等众多不利因素交织影响^[1]，全球天然气市场供需平衡持续收紧，天然气贸易量保持强劲增势，LNG（液化天然气）船的订单随之日益增多。集管区平台位于LNG船的装卸货区域，合理的设计能有效提高液货装卸效率，保证装卸过程的安全。目前，鲜有对LNG船集管区平台的相关研究，设计方法仍为传统的二维设计，存在设计效率低，出图周期长等问题，集管区平台结构的强度计算也尚未有规范可查。

为此，本文提出一种基于CATIA V6的集管区平台三维设计方法，利用该软件强大的参数化和二次开发功能，快速完成集管区平台的实体模型和有限元模型的创建，并在设计参数变更后快速迭代出新模型^[2]。同时，本文提出一种对LNG船集管区平台的加载方式，为今后相关计算提供一定参考。本项研究可缩短大型LNG船集管区平台的设计周期，有效提高设计质量，降低设计人员的工作量与出错率。

1 LNG船集管区平台简介

大型LNG船的集管区位于船中的两侧，是该型船舶装卸液货的主要区域。大型LNG船通常每侧布置4根液货管和1根惰性气体通岸管，气体管居中布置，前后各布置2根液货管。

集管区平台位于货管端口的下方，在装卸液货时，平台上的格栅板为船员各项操作提供支撑。平台内布置有集液槽，用来聚集管阀处滴落的液货，以免给船体板材带来低温腐蚀^[3]。此外，集管区平台还能给货管端部提供一定支撑，保障液货输运时管路的稳定性。平台由多根圆管立柱提供支撑，大型薄膜型LNG船通常一侧立柱支撑在上甲板上，一侧立柱支撑在斜角甲板上。

国际气体船及终端运营者协会（SIGTTO）和石油公司国际航运论坛（OCIMF）联合发行的《Recommendations for Liquefied Gas Carriers Manifolds（2nd edition 2018）》^[4]（下文简称《推荐》）是目前液化气船集管区平台设计的重要依据。本文参考该《推荐》，以某大型 LNG船的集管区平台为例，分别提出一种三维参数化设计方法和一种强度计算加载方式。

2 大型LNG船集管区平台的参数化设计 2.1 自顶向下的建模方式

采用自顶向下的设计理念，面向有限元计算和出图2个方面建立集管区平台的多级模型，以参数骨架模型控制后续设计模型的更新。由于各模型之间相互独立又相互联系，能实现设计过程中的信息共享、继承和传递^[2]。基于该方法在CATIA V6中建立参数骨架模型控制各个主构件主尺度的联动关系，建立结构面体模型和实体模型用于计算与出图。图1为CATIA中构建的LNG船集管区平台模型。

2.2 零件的参数化设计

LNG集管区平台结构装配的基础为不同参数的零件，因此平台结构设计的首要步骤是建立参数化零件库。零件的参数化设计是对零件进行结构性分析，将零件的几何约束与尺寸约束等信息通过参数公式相互关联，通过修改零件的参数自动完成零件建模，减少设计人员的重复劳动^[5]。

用户自定义特征（UDF）和工程模板能将建模过程封装起来，在需要时按照原逻辑快速自动建模，是基于知识工程的建模工具^[6]。本文按照是否参与平台强度对零件进行分类，参与结构强度的零件采用UDF建立，包含平台板、围板、立柱、肘板等结构。其形式为面体单元，内部包含了可更改的参数信息，方便在后续尺寸更改时快速调整。不参与强度的零件采用工程模板建立，包含登乘斜梯、防浪亭、各类栏杆、燃油管支架等，以舾装模型中发布的定位信息为输入，对舾装件进行布置。

目前的集管区平台零件库尚处于第一代版本，随着后续设计需求的变化，将开发更多类型的零件小样。此过程会不断将设计经验进行知识积累，存放在软件服务器中，能在下次设计时快速完成集管区平台的模型搭建。

2.3 模型高效转换

传统三维设计中，由于板厚、过焊孔等因素，结构的实体模型不可直接用于有限元计算。本文利用二次开发工具对平台草图模型进行一键转模，生成面体（SFD）模型和实体（SD）模型，实现对草图模型的“一模两用”。

板厚、趾端、余量、过焊孔等因素需设计人员在零件开发时考虑到，以保证转模后的准确性。转模得到的SFD模型可基于CATIA V6原生功能完成网格划分得到高质量的有限元（FEM）模型^[7]，极大节省了时间成本。SD模型则可进一步完成零件表和重量统计，并生成工程图。图2中由上至下分别展示了集管区平台的SFD模型、FEM模型和SD模型。

2.4 工程图出图

目前，国内船舶行业尚处于三维设计制造推广阶段，船舶结构的三维送审流程尚未完善，CATIA V6的工程图模块可帮助设计人员完成三维模型到二维图纸的转换。

如图3所示，在生成工程图时，设计者可将平台的SD模型属性录入到图纸中，并以此生成零件表。利用正视或剖视功能，将SD模型投影到多个工程图中，由于图纸、零件表与模型关联，可实现图纸中件号标注与尺寸标注的可更新性。此外，设计者可根据需进行一定的图面个性化处理，如隐藏不需的结构件、对局部零件创建细节图等。在工程中应用证明，设计人员的出图效率得到了显著提升，出图质量得到了较高保证^[8]。

3 LNG船集管区平台强度计算分析 3.1 分析对象

本文针对某大型LNG船左舷的集管区平台进行强度分析。设计时考虑LNG滴落导致的腐蚀效应，集液槽区域结构采用316 L不锈钢，其余区域结构采用A级钢。

3.2 主要参数

本文利用CATIA V6网格划分模块（Structure Model）生成有限元模型并导出。使用有限元软件PATRAN 进行模型拼接与网格处理，通过NASTRAN进行计算。

3.2.1 坐标系

模型的总体坐标系采用右手笛卡尔坐标系：X 方向为船长方向，指向船首；Y 方向为船宽方向，自中纵剖面指向左舷；Z 方向为型深方向，自基线指向甲板。本文中所用“横向”指船宽方向，“纵向”指船长方向。

3.2.2 有限元模型

有限元模型包括了集管区平台和船体分段2个部分。平台部分包含其主要结构构件，如立柱、集液槽围板、平台板、加强板等。平台结构采用板单元模拟，板单元大小约为50 mm×50 mm。

船体部分选取FR91~FR98，距基线24050 mm以上，中剖面10410 mm至左舷舷边的结构。船体板均用板单元模拟，集管区平台立柱底部的甲板纵向加强筋采用板单元模拟，其余加强筋采用梁单元模拟，单元尺寸约为1000 mm×1000 mm。平台立柱底部和船体相接处，以100 mm×100 mm的网格过渡。

3.2.3 边界条件

有限元模型在船体结构截断处施加固定约束，即约束 X、Y、Z 这3方向的线位移和角位移。图4为有限元模型和边界条件示意图。

3.3 载荷与加载方式 3.3.1 均布力

根据规范，LNG船装载区域需具备1 t/m²的承重能力，对角钢平台上表面单元施加对应均布压力。

3.3.2 惯性加速度

考虑LNG船在装卸货状态下，船舶运动对集管区平台的影响，本文根据船舶主尺度参数，结合ABS、DNV和BV相关规范^{[9 − 11]}，计算得到该船运动的加速度数值，如表1所示。再将重力加速度g_z=−9.8 m/s²与之合成，施加在有限元模型中。

3.4 计算对比分析

A级钢许用应力为235 MPa，316 L不锈钢许用应力为193 MPa。集管区平台采用50 mm×50 mm细网格，根据船级社规范要求，结构合成应力应不大于1.5倍材料许用应力，即A级钢区域应力许用值不超352.5 MPa，316 L不锈钢区域不超289.5 MPa。

计算所得的各加速度下最大合成应力与许用值的比较如表2所示。本节仅列出BV规范加速度下的平台合成应力分布云图，如图5所示。

由表2可知，船体运动加速度的数值差异对集管区平台强度影响较小，3种加速度下平台结构的最大合成应力均小于规范许用值，结构强度满足规范要求。如图6、图7所示，不锈钢区域的最大应力单元出现在中剖面一侧的立柱与平台加强相连接处，该最大应力单元的上部是第一根液货管的支撑点，A级钢区域的最大应力单元出现在该立柱底部支撑肘板顶端。

由于高应力区存在于支撑立柱的两端，后续设计应考虑对立柱端部和货管支撑点进行加强。对于集液槽围板、平台前后侧围板等应力水平较低的结构，后续设计可考虑降低其板厚，以节约建造成本。

4 结　语

本文以某大型LNG船的集管区平台设计为例，提出了一种平台结构三维参数化设计方法，基于CATIA平台，运用自顶向下设计、参数化多级建模、知识工程运用等方法，实现了高效、准确的三维设计与二维出图；提出了一种对集管区平台的加载方式，模拟了平台受力情况，计算结果符合实际。

相较首次常规设计，三维参数化设计的周期缩短了8天，设计效率得到了显著提高；通过有限元计算结果的反馈，对板厚和板材形状进行了优化，在保证平台强度的同时，将结构重量减轻了8.3%，节约了建造成本，提高了设计质量。

本文提出的大型LNG船集管区平台参数化设计方法已应用于实船。在后续设计中，设计人员运用该设计方法，通过模型复用、参数更改、有限元计算，可快速完成新平台的设计，迭代出更优的结构形式。同时可积累设计经验，帮助提升企业效益，助力现阶段船舶制造业三维设计的发展和推广。