LNG船液舱围护系统安装平台强度衡准研究

王庆丰, 韩纯强, 李永正

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003)

液舱围护系统安装平台是一种特殊的平台,它的设计与制造是一项难度极大的工程,沪东中华LNG船液舱围护系统安装平台的设计与制造采取的是进口招投标形式[1]．由于液舱围护系统安装平台每艘的专利使用费大约需要100万欧元,加上高昂的电梯和材料进口费用,无论从经济性还是从实用性上考虑,都需要规避开国外专利保护点,早日设计出一套更加安全、实用、具有自主产权的新型液舱围护系统安装平台．而判断新型液舱围护系统安装平台的强度能否满足实际工程的需求,具有一定的安全裕度,并满足经济性的要求,需要一套强度衡量标准．LNG船是国内首次建造,对于此类平台,国内没有专门的强度衡量标准和规范,结构强度方面的研究比较少[2-5]．文中运用通用软件Msc.patran/nastran,建立液舱围护系统安装平台的三维有限元模型,并进行强度分析,参考国外此类安装平台强度、建筑脚手架的一些标准及进口安装平台使用经验,最终提出一套此类安装平台的建议强度衡准．

1 结构强度计算分析

结构计算是安装平台的设计基础．目前,国外在安装平台的设计计算中主要还是通过建立二维模型选取剖面框架进行计算校核,其中载荷的处理是难点,也对二维模型的计算产生很大影响,会导致每层的最大位移有一定偏差,通常需要再进行修正[2],因而需要建立一种更好的设计计算方法．文中采用有限元方法对LNG 船围护系统安装平台进行强度和整体结构稳定承载力分析,应用MSC.PATRAN 软件对已建147 000 m3LNG船舶液舱围护系统的安装平台建立三维立体仿真模型,利用MSC.NASTRAN软件对平台荷载工况进行分析,对应力应变进行计算,为我国自行设计货舱围护系统安装平台建立基础．

1.1 液舱围护系统安装平台三维模型

1.1.1 建立模型

依据沪东中华造船集团有限公司的技术资料和技术数据,利用MSC.PATRAN软件对一艘147 000 m3LNG船的典型舱室围护系统安装平台建立结构有限元模型．该安装平台有10层,除第3层与第10层满铺外,其他各层为中空结构．建模时采用分组技术,共85组(Groups)，56 548个节点(Nodes)，81 002个单元(Elements),图1为LNG船围护系统安装平台有限元模型及坐标系．

图1 LNG船围护系统安装平台有限元模型及坐标系Fig.1 3D finite element model of the scaffolding platform and the coordinate system

1.1.2 载荷工况

选取27种载荷工况,安装平台上的作业类型主要有3种[3]:

1) 所有支撑腿均正常使用;

2) 部分支撑腿抬起(纵向A,O排;纵向B,N排;纵向C,M排;纵向D,F,H,J,L排);

3) 横向有5°倾角(非正常作业,计算假设),并且部分支撑腿抬起(纵向A,O排;纵向B,N排;纵向C,M排;纵向D,F,H,J,L排)．

每种作业类型分别对应3种工况载荷[3]:

1) 无人作业状况:LB0=LC1+LC2;

2) 第1,2,3,4，10层同时作业状况:

LB1=LC1+LC2+LC3+LC4;

3) 第3,5,6,8，10层同时作业状况:

LB2=LC1+LC2+LC5+LC6

式中：LC1为安装平台自重,LC2为钢条板和胶合板重量；LC3～LC6为安装平台工作加载,根据实际状况选取如表1．LC3和LC5为施加了全部可能外载的30%情况;LC4和LC6为施加了全部可能外载70%的情况．支撑腿的分布情况如图2．

表1 工作载荷分布Table 1 Distribution of the working load N/m2

1.2 计算结果及分析

围护系统安装平台的杆件数量多、种类多,为方便起见,划分为3类：即垂向支撑构件、斜支撑构件和水平支撑构件，其中垂向支撑件有方钢和圆钢,材料类型主要有Q235钢和Q345钢2种.斜支撑件、水平支撑构件和垂向支撑件也一样,有方钢和圆钢,材料类型主要有Q235钢和Q345钢2种，在分析中都采用Q235钢(只要Q235钢满足,Q345钢也肯定满足)．支撑腿是垂向支撑件的一部分,支撑支撑腿的绝缘箱自身的承载能力有一定的局限性,所以支撑腿的承重能力也作为结果分析的一部分．

图2 支撑腿的分布情况Fig.2 Distribution of supporting legs of the scaffolding platform

1.2.1 屈服安全系数计算

长期以来,结构的安全性衡准普遍采用确定性的许用应力法,各种工况下的应力,其强度条件为：

σ≤[σ]

(1)

式中:σ为结构的计算应力(N/mm2);[σ]为结构的许用应力(N/mm2)，由结构的失效类型决定．

对所建有限元模型进行简单分组：垂向支撑构件组、斜向支撑构件组和水平支撑构件组．选取每组中的最大应力,利用安全系数公式:

(2)

计算最小屈服安全系数,得出每种工况下的最小屈服安全系数(图3).式中:K1为屈服安全系数;σ为构件的计算应力(N/mm2);[σ]为结构的许用应力(N/mm2).其中,垂向支撑构件的最小安全系数最大为5.37，最小为2.81；斜支撑构件的最小安全系数最大为6.56，最小为2.98；水平支撑构件的最小安全系数最大为8.97，最小为2.48.

图3 各工况下最小屈服安全系数Fig.3 Minimum of the critical yield safety factor in each working condition

1.2.2 支撑腿的应力计算分析

对支撑腿应力分析时,直接从计算结果中读出各工况下支撑腿最大应力,然后根据支撑腿材料进行承载力的计算,利用结构力学公式:

F=σ×A

(3)

式中:F为支撑腿承载力(N);σ为应力(N/mm2);A为面积(mm2)．

通过计算,得到每种工况下支撑腿最大荷载,支撑腿最大承载力安全系数K3计算公式为:

(4)

[F]=Q*S

(5)

式中:K3为支撑腿最大承载力安全系数；F为支撑腿承载力(N);[F]为支撑腿最大允许承载力(N)(支撑腿底部与绝缘箱的接触面积为0.5 m2,而绝缘箱每平方米的承重能力有具体规定,即长时间承重25 t/m2，短时间承重50 t/m2);Q为绝缘箱每平方米的承载能力(N/m2);S为支撑腿底部与绝缘箱的接触面积(m2)．

图4为各工况下支撑腿最大承载力安全系数．

图4 各工况下支撑腿最大承载安全系数Fig.4 Safety factor of the maximum load-bearing capacity in each working condition

计算结果表明：各种工况下各支撑腿最大承载力安全系数为1.07．

1.2.3 屈曲安全系数计算分析

若构件承受压缩或剪切时,除校核构件的屈服强度外,还要校核其屈曲强度．

通过对LNG船围护系统安装平台屈曲强度分析,列出了各个剖面中最大的单元应力,安装平台立、横、斜杆组成的节点视为“铰接”,并根据两端自由支持端等断面压杆的屈曲安全系数计算公式:

(6)

式中：K2为屈曲安全系数；I为惯性矩(mm4);E为弹性模数;l为杆件长度(mm);A为截面积(mm2);σ为实际应力大小(N/mm2)．得出构件单元的屈曲安全系数.经过比较,选出了各种工况中承受应力最大的单元,并进行了汇总,图5为各工况下最小屈曲安全系数．

图5 各工况下最小屈曲安全系数Fig.5 Minimum of the critical buckling safety factor in each working condition

从图5可以得到,各种工况下最小屈曲安全系数为1.86．

2 强度衡准的确立

针对薄膜型LNG船围护系统安装平台,国内没有专门的强度标准．与平台类似的建筑脚手架,国内已建立了诸多规范,发展相对成熟.最早,建筑脚手架的结构安全度是按以往的容许应力法计算的,采用的经验安全系数K校准，K为临界屈服安全系数，K1≥1.5,临界屈曲安全系数[8]K2≥2.0.此标准安全裕度大,相对比较安全,但材料浪费较严重.随着国家钢材生产质量水平的提高,考虑到经济型要求,强度设计标准越来越精确,针对不同类型的脚手架制定出了具体规范,例如，《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》(JGJ166-2008)[7],《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)[8]等．

在诸多规范中,《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)中的满堂支撑架和文中安装平台的基本结构类似[10],它针对立杆的稳定性、纵向和横向水平杆的抗弯强度以及立杆基础底面的平均压力都做出了具体的设计规定．但是建筑规范中的脚手架规范并不适用于此类安装平台,它是针对单排、双排或者三排脚手架而言的,结构比较简单,计算也相对简单[9-10],而文中的安装平台共有15排、20列,有10层,除第3与第10层满铺外,其他各层为中空,四周有可伸缩的伸缩梁,可调节高低的支撑腿,有电梯,功能强大,而且载荷工况较复杂,支撑腿可以部分抬起,平台整体还要求能倾斜一定角度．

目前国内已顺利建造完的6艘147 000 m3薄膜型LNG船,采用的液舱围护系统安装平台全是购买的意大利PD公司专利技术,此类安装平台的强度标准为:屈曲安全系数大于1，屈服安全系数大于1，支撑腿最大承载安全系数为1．

实现LNG船设计建造全部国产化,必须自行设计出一套有别于国外安装平台的具有自主知识产权的结构形式和结构强度衡准,并保证液舱围护系统安装平台的绝对安全性．依据三维模型强度分析结果:最小屈服安全系数为2.48,最小屈曲安全系数为1.86,支撑腿最小的最大承载力安全系数为1.07.结合国内钢材制造技术水平和制造工艺现状,建议此类围护系统安装平台的强度衡准为:

1) 临界屈服安全系数为2;

2) 临界屈曲安全系数为1;

3) 支撑腿最大承载力安全系数为1(其中绝缘箱的承载力由绝缘箱自身强度决定)．

3 结束语

文中提出了一套薄膜型LNG船液舱围护系统安装平台的建议强度衡准,为我国的LNG船液舱围护系统安装平台的设计和制造提供了一定参考,也为将来制定此类安装平台的强度标准和规范奠定了一定的基础．

参考文献(References)

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