16 500 m3液化石油气船无甲板弱结构下水强度计算

张振坤，刘文斌，黄巍巍，徐鹏辉

(扬州大洋造船有限公司，江苏扬州225107)

1 主要量度

16 500 m3液化石油气船是扬州大洋造船有限公司为希腊船东建造的大型半冷半压式液化气船，挂利比里亚方便旗，无限航区，入BV船级社。该船为双底、单壳、球鼻艏、单机、单桨，IMO 2G船型。该船设有3个货舱，每个货舱内安装1个“C”型独立液罐，每个液罐容积5 500 m3，货舱区主甲板上布置1个甲板液罐，最大载货量16 500 m3，可装运最低－48℃多种液化石油气和化学气体，包括乙烷、乙烯、无水氨、氯乙烯、丙烷等25种货品。

船体主要量度:

16 500 m3液化石油气船总布置图见图1。

本船除满足BV船级社规范，国际公约(如SOLAS等)，还应满足美国海岸警卫队USCG、澳大利亚联邦水域航线要求及液化气船诸多特殊的规范。

2 无甲板弱结构强度分析和计算

2.1 无甲板弱结构强度分析

由于液化石油气船在船台上受承载能力及设备起吊能力的限制，货舱内的液罐需在船体下水后进行吊装，故在船台建造时货舱区域不安装合拢顶边舱分段和甲板分段。船舶将在大开口、无甲板弱结构状态下下水，即下水前货舱区船体结构尚不具备完整性，导致船体中段结构的总纵强度和刚度都明显削弱，船舶在下水过程中可能发生由于纵、横向强度和刚度的不足引起的结构变形或更严重的后果，直接影响船体自身的安全性。因此，对要分析的对象建立相应的力学/数学模型，运用先进的有限元分析软件，对船舶在大开口下水时进行分析计算是否满足安全下水要求。并根据计算分析结果，制定相应的工艺解决方案及措施。

2.2 无甲板弱结构强度计算

下水时船舶状态，货舱大开口情况:

1号舱口:长33.95 m×宽23.1 m，2号舱口:长33 m×宽23.1 m，3号舱口:长32.8 m×宽23.1 m。

货舱开口:横向开口为21.6 m，占船宽100%;总长为99.75 m，占整个货舱长度99.6%。

船舶下水时对船体强度按规范要求进行计算，得出以下数据如图2所示。

由计算结果可知:

最大应力:222.3 MPa

舯横剖面最小剖面模数W=0.992 7 m3

最小惯性矩I=8.509 1 m4

对应最大弯矩:Max BM=2.10×105kN·m

最大弯矩位置:Fr71

对应最大剪力:7.17×103kN 最大剪力位置:Fr43

图1 16 500 m3液化石油气船总布置图

图2 加强前的典型横剖面模数及惯性矩计算

利用Patran软件进行有限元分析，对船体下水变形进行计算，应变云图如图3所示。

图3 货舱区有限元计算应变云图

由有限元应变云图可知:无甲板弱结构状态下下水时，主船体变形很大，最大形变值为320 mm，对船舶安全下水产生了严重的隐患。

试算表明，船舶结构强度和刚度明显不足，不满足船舶的安全下水要求。因此，必须对船体结构制定相应的临时加强方案，增大船体结构强度及刚度，以实现船舶的安全顺利下水。

3 临时加强方案

考虑到加装临时加强及后续吊装液罐作业时的方便性，且不影响后续的顶边舱合拢，在尽可能简化建造工艺，缩短建造周期的前提下选定了下述下水临时结构加强方案:设置一个强框架结构，该框架结构由2道沿舷侧外板纵向分布，延伸至整个货舱区域的箱型结构，并首尾适当延伸;以及5道连接两舷的横向工字梁组合而成。具体的结构加强方案如图4所示。

图4 临时加强方案示意图

对增加临时加强后的船体舯横剖面需重新进行计算，最大应力为127.8 MPa，舯横剖面最小剖面模数为1.726 9 m3，最小惯性矩为13.869 9 m4。

与加强前相比:船体最小剖面模数增加74%，最小惯性矩增加63%。计算图表如图5所示。

对增加临时箱型加强后船体进行下水时主船体变形模拟计算，结果如图6所示。

根据规范计算和有限元计算结果可知:增加加强后，船体结构模数和惯性矩显著增大;计算最大应力明显小于理论应力极限值，船体强度和刚度得到显著改善。与箱型加强结构前的320 mm最大变形量相比，增加箱型加强后的变形量仅为21.4 mm，远远优于未做箱型加强方案前的状态，达到了预期的技术要求。

图5 加强后的典型横剖面模数及惯性矩计算

4 结论

通过对下水时船体的总纵强度及横向强度的计算分析结果可知，本船在无甲板弱结构时不能满足安全下水要求;在增加临时箱型结构加强后，船体结构强度和刚度理论上完全满足船舶在无甲板、无顶边舱状态下的弱结构形式下水的安全要求。首次将规范计算和有限元局部计算2种方法应用到液化石油气船的无甲板弱结构下水中，为无甲板弱结构下水的成功提供了较为充分的技术支持和理论依据。

图6 增加临时箱型加强结构后应变云图