薄膜型LNG船晃荡冲击局部强度分析建模方法研究

SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.33 No.3 2011 总第33卷，2011年第3期薄膜型LNG船晃荡冲击局部强度分析建模方法研究庄志鹏，刘 俊，唐文勇（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）摘 要：为保证薄膜型LNG船（No96型）的营运安全，除绝缘箱外，还有必要对晃荡冲击载荷作用下船体结构进行局部强度分析.考虑到分析对象的不同，同时为了简化有限元模型和降低船体结构局部分析的计算工作量，针对船体结构局部强度分析中绝缘箱建模范围，树脂绳模拟方式以及绝缘箱网格基本尺寸提出了建议并进行了可行性验证.研究表明，建议方法可以在满足计算精度的前提下，极大减少船体结构局部强度分析的工作量，可为晃荡冲击载荷作用下薄膜型LNG船（No96型）船体结构局部强度分析及相关规范制定提供有效的参考.关键词：LNG船；船体结构；有限元模型；晃荡冲击；局部强度分析中图分类号：U661.43 文献标识志码：A 文章编号：1000-6982 (2011) 03-0017-04Study on Modeling Method of Local Strength Analysis of Membrane LNG Tank under Sloshing LoadZHUANG Zhi-peng, LIU Jun, TANG Wen-yong(State Key Lab of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)Abstract:To guarantee the safety of membrane LNG tank (No96 type), local strength analysis of hull structure under sloshing shock is essential as well as insulation box. With considering the difference of the analysis targets, and in order to simplify modeling and calculation work, several FE modeling methods, such as extension of insulation box, simulation of mastic and basic size of finite element mesh, have been put forward for local strength analysis of hull structure. Moreover, validity of the proposed methods has been verified. The result shows that the number of freedom of the structural FE model will be reduced a lot and the calculation precision can be guaranteed when proposal is adopted. The research can provide local strength analysis of membrane LNG tank (No96 type) hull structure under sloshing load and related guidance with effective reference.Key words: LNG tank; hull structure; FE model; sloshing load; local strength analysis近年来，天然气作为一种相对经济而且环保的替代能源的地位日益凸现，消费量也急剧增长，从而使液化天然气的海上运输工具薄膜型LNG船的需求也显著增加[1].而薄膜型LNG船作为液货船在航行中不可避免地出现部分装载情况，部分装载时，若船体在波浪中运动的频率与液货舱内液体振动的固有频率相近，舱内液体将产生剧烈的运动，会对液舱产生严重的冲击，这种冲击持续时间短，压力幅值高，很可能造成局部结构的失效破坏，因此进行晃荡局部强度评估是薄膜型LNG船设计的必要环节.由于薄膜型LNG船液舱温度需要保持在-162℃左右，设有阻止液舱与外界进行热量交换的绝缘层，绝缘层的存在使得薄膜型LNG船晃荡局部强度分析与其他液货船不同：需对绝缘层和船体结构都进行晃荡强度评估.目前国内对于薄膜型LNG船晃荡的研究仅局收稿日期：2010-12-01；修回日期：2011-01-20作者简介：庄志鹏（1986-），男，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋工程结构力学.船舶设计与性能研究限于晃荡载荷数值模拟及泵塔晃荡强度评估[2-4]，国外对于薄膜型LNG船晃荡强度评估也仅局限于绝缘层和泵塔结构，例如英国劳氏《Sloshing Assessment Guidance Document for Membrane Tank LNG Operations》[5]（后文简称《LR指南》）和ABS 《ABS Guidance on Strength Assessment of Membrane-type LNG Containment Systems under Sloshing Loads》[6]（后文简称《ABS指南》）明确给出了的绝缘层晃荡强度评估的方法，J.R.Cho采用Global-Local方法进行了实船绝缘层水弹性分析[7].但是作为薄膜型LNG船设计重要环节的船体结构晃荡评估方法还不成熟，目前仅ABS[8]就长度大于150m的薄膜型LNG船给出了准静态晃荡载荷下的分析方法，由于晃荡载荷为动态载荷，且晃荡冲击载荷大小存在一定的概率分布[9]，仅采用准静态分析不能准确模拟晃荡冲击载荷的动力特性，所以明确晃荡冲击作用下LNG船船体结构局部强度动力分析方法有重要意义.随着薄膜型LNG船建造需求迅速增加，船体结构晃荡强度评估规范亟待制定，规范需对整个模型建模流程作明确规定，船体结构晃荡强度评估建模方法可部分借鉴绝缘箱强度评估，但由于研究对象不同，故对于其中模型组成、单元类型、单元基本尺寸等建模要求尚需根据其自身特点加以完善.目前对于船体结构晃荡强度评估模型中绝缘箱建模范围尚无明确研究，另外对于绝缘箱单元基本尺寸也无深入研究，仅《LR指南》给出针对绝缘箱强度的单元基本尺寸，由于船体结构晃荡强度评估有限元模型相对绝缘箱强度评估更为复杂，若将此单元基本尺寸应用于船体结构晃荡强度评估建模方法会导致计算量过大，有限元数值模拟不仅要保证结果的准确性，同时还要减小计算工作量.因此在保证计算精度前提下减小计算量，对于晃荡冲击载荷作用下No96型LNG船船体结构强度评估非常重要.本文以某20万吨级5舱型No96型LNG船为例，在明确No96型LNG船绝缘层结构的基础上，针对船体结构晃荡强度评估建模方法提出了建模建议并与现有针对绝缘箱强度规范成果进行了对比分析，验证了本文建模建议的可行性，研究成果可为薄膜型LNG船船体结构晃荡强度评估提供借鉴，也可为我国相关规范制定提供有效参考.1 No96型LNG船绝缘层结构No96型LNG船绝缘层由主绝缘箱和次绝缘箱共两层组成，主次绝缘箱中有不同数量和方向的隔板，其中填充绝热材料膨胀珍珠岩，次绝缘箱通过箱底隔板对应处的每条树脂绳与船体结构相连接；在纵向方向，相邻绝缘箱之间一定距离，中间填充泡沫材料，横向绝缘箱紧密相连，在各个绝缘箱的四个角处，用螺栓将相邻绝缘箱连接起来，并且下端与船体结构相连，如图1所示.图1 No96型LNG船绝缘箱布置示意图2 关于No96型LNG船船体结构晃荡局部强度分析建模的若干建议对于No96型LNG船船体结构晃荡强度评估建模方法、船体结构延伸范围、边界条件、相邻绝缘箱及绝缘箱与船体结构连接关系、膨胀珍珠岩处理等可借鉴主要针对绝缘箱晃荡强度评估的《LR指南》规定，《LR指南》规定：1）船体结构的延伸，通常对于内壳板和横舱壁平板处，有限元范围要求在纵向或横向总体至少三个横框距离，垂向要求为相邻纵桁距离；对于内壳板与横舱壁相交处，范围要求纵向两个横框距离，横向为相邻强构件距离；2）边界要求船体结构六个自由度全部约束，由于相邻绝缘箱之间影响不大，绝缘层部分可不加约束；3）主次绝缘箱相邻盖板，相邻绝缘箱，绝缘箱与船体结构的接触关系，可采用一维弹簧单元模拟这种接触关系；4）绝缘箱中填充的膨胀珍珠岩，可采用以质量点加到木箱上或是增加木箱木材密度这两种方式进行处理.对于模型中结构材料参数仅《ABS指南》有明确规定，可参考此指南.在明确上述建模方法后，为完善船体结构晃荡强度评估建模方法，在此针对绝缘箱模型范围，树脂绳模拟方法以及绝缘箱网格基本尺寸开展研究，并对可行性进行验证.2.1 树脂绳模拟方式对于树脂绳，《LR指南》建议采用实体单元进行模拟，并在宽度方向分为两份，由于树脂绳宽度方向尺寸很小（10mm~30mm之间），在保证单元形态合理情况下，绝缘箱单元尺寸被限定在非常小的范围内，从而直接影响有限元模型的规模.鉴于树脂次绝热箱次绝热箱主绝热箱树脂层殷钢膜主、次屏蔽—0.7mm厚殷钢主绝缘箱(高230mm)机械螺栓内壳板牛皮纸树脂绳本质隔板次绝缘箱(高300mm)因瓦管53mm庄志鹏等，薄膜型LNG 船晃荡冲击局部强度分析建模方法研究绳主要承受次绝缘箱传递过来的垂向载荷并进一步传递给舱壁，而垂直于舱壁和次绝缘箱底板的板单元能模拟树脂垂向的作用，考虑采用板单元对树脂绳进行模拟.建立某20万吨级5舱型No96型LNG 船No2货舱舷侧结构的一个绝缘箱模型（图2），采用如图3所示晃荡载荷，对比分析中，除树脂绳分别采用实体单元和板单元外，其他一致.主绝缘箱顶板中点和舱壁板中点的应力和位移时程对比曲线如图4~图7所示.从图4~图7可以看出，采用两种不同单元模拟树脂绳时，绝缘箱与船体结构动力响应结果几乎一致，因此，当树脂绳不是研究目标时，可以采用板单元加以模拟，这样一方面可以简化建模，另一方面绝缘箱单元大小也不再受树脂的宽度尺寸约束，可以适当放大.图2 一个绝缘箱模型图3 晃荡载荷图4 主绝缘箱顶板中点位移时程曲线（不同模拟方式） 图5 主绝缘箱顶板中点等效应力时程曲线（不同模拟方式）图6 舱壁板中点位移时程曲线（不同模拟方式） 图7 舱壁板中点等效应力时程曲线（不同模拟方式）2.2 绝缘箱单元尺寸船体结构晃荡强度评估要求有限元模型需包括多个绝缘箱，若绝缘箱单元采用《LR 指南》规定的25mm×25mm ，会出现模型规模太大，计算时间过长甚至无法计算的情况，因此减小模型自由度数对船体结构晃荡局部强度分析非常重要，其中减小绝缘箱部分自由度数是关键.基于目标为船体结构，分析中只需准确模拟绝缘箱的刚度即可.故考虑最大限度降低绝缘箱模型的规模，取绝缘箱单元尺寸为125mm×125mm .仍针对图2所示结构，绝缘箱单元基本尺寸分别取25mm×25mm 和125mm×125mm 进行对比分析，其他条件保持一致.两种情况下主绝缘箱顶板中点及舱壁板中点的应力和位移时程曲线对比如图8~图11所示.从图8~图11可以看出，绝缘箱动力响应在两0123 4 5 6 7 8 91050100150200250300350400压力/k P a时间/s应力/M P a 时间×10-2/s位移/m m 时间×10-2/s位移/m m时间×10-2/s应力/M P a时间×10-2/s船体结构绝缘箱船舶设计与性能研究种单元基本尺寸下有很大差异，但船体结构动力响应则几乎一致，对于船体结构晃荡局部强度分析，绝缘箱单元基本尺寸取本文建议值是合理可行的. 2.3 绝缘箱建模范围讨论考察一个绝缘箱模型（图2），五个绝缘箱模型（图12）和绝缘箱铺满整个模型（图13），考虑对称性，取1/4模型）三种情况，采用如图3所示晃荡载荷，得到船体结构动力响应结果对比如图14、图15所示.从图14~图15可以看出，绝缘箱数量对船体结构的晃荡动力响应有重要影响，考虑到实际上绝缘箱是铺满整个液货舱的，在进行船体结构的晃荡局部强度分析时，采用绝缘箱铺满的模型更为适宜，而晃荡载荷作用范围应根据实际情况施加于绝缘箱表面.图8 主绝缘箱顶板中点位移时程曲线（不同单元尺寸） 图9 主绝缘箱顶板中点等效应力时程曲线（不同单元尺寸）图10 舱壁板中点位移时程曲线（不同单元尺寸） 图11 舱壁板中点等效应力时程曲线（不同单元尺寸）图12 五个绝缘箱模型 图13 绝缘箱铺满模型（1/4模型）图14 舱壁板中点位移时程曲线（不同绝缘箱数量） 图15 舱壁板中点等效应力时程曲线（不同绝缘箱数量）（下转第48页）位移/m m时间×10-2/s应力/M P a时间×10-2/s位移/m m时间×10-2/s应力/M P a时间×10-2/s位移/m m时间×10-2/s应力/M P a时间×10-2/s船舶动力装置和辅助机械2）轮齿在齿高方向的载荷分布有明显的单齿啮合区和双齿啮合区，载荷在一个啮合过程中发生4次突变，且单齿啮合区齿面接触应力突然增大.3）对于轮齿的综合啮合刚度，有限元分析和理论计算比较吻合，而且轮齿综合刚度呈现周期变化，会产生周期性的刚度激励.参考文献：[1] Kuang J H, Yang Y T. 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