某化学品船液货舱晃荡强度分析

郭 磊

（意大利船级社（中国）有限公司 上海200052）



某化学品船液货舱晃荡强度分析

郭 磊

（意大利船级社（中国）有限公司 上海200052）

［摘 要］液货舱内液体的晃荡问题是液货船结构分析中一项十分重要的内容。文章根据意大利船级社规范相关规定，对一艘化学品船的两个液货舱进行了晃荡强度方面的校核， 为今后液货船船体结构强度的规范审图和设计提供有价值的参考。

［关键词］化学品船；液货舱；晃荡；结构强度分析

引 言

由于液货船的液货舱通常较大，因此船舶航行过程中，当液舱内部分装载液体货物时，在船舶摇荡的激励作用下，液舱内的液体货物会产生晃荡效应。液体晃荡不但影响船舶稳性，而且当发生剧烈晃荡时，会对舱壁等结构产生抨击，造成结构损坏［3-5］。本文以某5万吨级化学品船为例，根据意大利船级社规范分析当液舱部分装载时的晃荡载荷和结构强度，并提出增加结构强度的建议。

1　化学品船的分舱特征

该化学品船共分为12个货舱，左右舷各6个货舱，货舱的外部均设有压载水舱的双壳保护，中纵舱壁和横舱壁均为槽型舱壁。该船中剖面在意大利船级社规范计算软件LH-2D中，如下页图1所示。

实船在营运过程中可能发生装载高密度化学品的情况，从而导致液舱会部分装载和隔舱装载。本文中假设此化学品船装载密度为1.2 t/m3的液货，装载高度为液货舱高度的0.6倍（因为根据意大利船级社规范，在液货装载至0.6 ～0.7倍液舱高度时晃荡压力最大）。根据上述假设，对此化学品船的第四货舱和第一货舱结构强度进行分析。

2　谐荡危险

在进行晃荡分析之前，首先要进行谐荡危险评估，即此液舱会不会发生晃荡效应。根据意大利船级社规范，当液货舱部分装载时，即装载的液货高度在液货舱高度的0.1 ～ 0.95倍时，由于船舶的横摇、纵摇或横荡运动，可能会发生谐荡危险。运用意大利船级社规范计算软件LH-2D，就可以分析谐荡危险。此化学品船第四货舱的分析结果如图2所示。

图1　化学品船中剖面2D模

图2　化学品船液舱谐荡危险分析

由图2可以看出，标有“YES”的位置都是可能由于船舶运动中的横荡或者纵摇而产生晃荡效应的地方。因此化学品船有发生晃荡效应的危险，需要进行晃荡强度分析。

3　晃荡强度分析的载荷

根据意大利船级社规范Pt.B Ch5 Sec6和Appendix 1，晃荡强度分析需要考虑的载荷主要有以下4种：

（1）静水压力；

（2）惯性压力；

（3）晃荡压力；

（4）冲击动压力。

液舱结构的总应力除考虑上述的几种局部载荷以外，还需要和船体梁总纵弯曲应力相叠加，用以判断结构强度是否满足要求。

在对装货高度有限制的情况下，液货的静水压力和惯性压力参看表1［2］。

已知两个所要研究的货舱相同的参数为dF= 10.9 m、dTB= 2.15 m、lB= 20.64 m、zTOP= 19.1 m，不同的参数为第四货舱的bT= 14.1 m，第一货舱的bT= 9.85 m。

第四货舱的重心坐标约为（92.4， 7.05， 8.5） m。第一货舱的重心坐标约为（155.56， 4.9， 8.5） m。

经过计算得出第四货舱重心处加速度为ax1= 0.760 m/s2、ay2= 3.420 m/s2、az1= 2.942 m/s2、az2=0.543 m/s2；第一货舱重心处的加速度为ax1= 0.760 m/s2、ay2= 3.575 m/s2、az1= 4.816 m/s2、az2= 0.189 m/s2。

从表1的计算公式可以看出，静水压力和惯性压力是和计算点的位置有关的量，从而静水压力和惯性压力是随着计算点位置不断变化的。

在迎浪工况下的冲击动压力作用在以下两个区域：

（1）构成液舱边界的横舱壁上距离液舱顶0.15H的区域内（H为液舱高度）；

表1　液货-静水压力和惯性压力

（2）离上述横舱壁0.3lC区域内的液舱顶上（lC为液舱的长度）。

迎浪工况下的冲击动压力由式（1）求得：

式中：φU参考表2；Ap为纵摇幅值。

经过计算，所研究两个货舱迎浪工况下的冲击动压力PI，U= 80.15 kN/m2。

横浪工况下的冲击动压力主要作用在以下两个区域：

（1）构成液舱边界的纵舱壁、内壳或舷侧，距离舱顶0.15H的区域内；

（2）横向距离上述纵舱壁、内壳或舷侧0.3bC的液舱顶上。

横浪工况下的冲击动压力可由式（2）求得：

式中：参数φI和CS参考表2。

经过计算求得：第四货舱横浪工况下冲击动压力PI，I= 266.5 kN/m2，第一货舱横浪工况下冲击动压力PI，I= 238.1 kN/m2。

对装货高度有限制时的晃荡压力主要作用在构成横向或纵向液舱边界的横舱壁、纵舱壁、内壳或舷侧，其范围为装货高度处各0.2dF。

由于本文假设装液高度为液货舱高度的0.6倍，故晃荡压力PSL，R= P0，P0为参照压力，如下页表2所示［2］。

经过计算求得所研究的两个货舱在迎浪状态下的晃荡压力PSL，R= 37.3 kN/m2。在横浪状态下，第四货舱的晃荡压力值PSL，R= 84.7 kN/m2，第一货舱的晃荡压力值PSL，R= 4.7 kN/m2。

将晃荡分析所需要的载荷按照迎浪和横浪工况施加在有限元模型上，所研究的两个货舱的载荷云图如下页图3 -图6所示：

表2　晃荡压力计算的参照压力

图3　第四货舱迎浪工况下的载荷云图

图4　第四货舱横浪工况下的载荷云图

图5　第一货舱迎浪工况下的载荷云图

图6　第一货舱横浪工况下的载荷云图

载荷云图中的颜色分别代表不同的压力水平，红色代表压力最高，浅蓝色代表压力最低，图中的深蓝色区域为未受力区域。

4　有限元分析结果

将晃荡强度分析的载荷施加到有限元模型上，经过计算［1］，得到液货舱的应力云图如图7-图10所示。所研究的两个货舱在两种工况下的船体结构的应力水平如表3所示。

图7　第四货舱迎浪工况下的晃荡应力云图

图8　第四货舱横浪工况下的晃荡应力云图

从表3的结果可以看出，第四货舱的晃荡应力在迎浪工况小于第一货舱，而在横浪工况大于第一货舱。这是由于在迎浪工况下，第四货舱重心处的加速度小于第一货舱，而在横浪工况下，第四货舱重心处的加速度大于第一货舱。

图9　第一货舱迎浪工况下的晃荡应力云图

图10　第一货舱横浪工况下的晃荡应力云图

表3　两种工况下液货舱的晃荡应力MPa

由于船体结构均采用AH36高强度钢，许用应力为235/k = 326 MPa，故局部应力均满足强度要求。

想要知道船体结构在液舱晃荡时的总应力水平，需将局部应力和船体梁总纵弯曲应力相叠加。一般认为，此化学品船的槽型舱壁是不参与船体梁总纵弯曲的，因此只考虑内底板、内壳和上甲板的总纵弯曲应力。

利用LH-2D计算软件可以得到第四货舱和第一货舱相应区域内底板、内壳和上甲板的总纵弯曲应力。其结果如表4所示。

表4　考虑船体梁总纵强度时液货舱结构的总应力MPa

从表4结果可以看出，第四货舱的内壳和上甲板的总应力值均超过了许用应力。而由于第一货舱的总纵应力较低，故其船体结构的应力水平满足了许用应力的要求。

5　结 论

本文根据意大利船级社相关规范，对一艘化学品船的液货舱进行了晃荡强度分析。由此得出以下结论：

对于大型液货船，晃荡应力在总应力中的比重较大，不可忽视。当需要装载高密度货物时，建议最好通过隔舱装载，达到液货舱完全装满，从而避免晃荡现象的出现。

从文中的晃荡载荷计算可以看出，冲击动压力在横浪工况时非常大，这正是导致计算结果超过许用应力的直接原因。这与意大利船级社规范本身的特点有关，利用冲击动压力公式计算得到的结果值偏大。在实际的审核过程中还可以参考其他船级社的规范综合考虑。

从文中的计算结果来看，由于冲击动压力和总纵弯曲应力的联合作用，第四货舱上甲板的总应力超过许用值很多，可以考虑酌情增加上甲板的板厚，使总应力降低到许用值之下。

［参考文献］

［1］ 刘兵山， 黄聪. Patran从入门到精通［M］. 北京： 中国水利水电出版社， 2003.

［2］ 意大利船级社. Rules for the Classification of Ships 2015 ［S］. 2015.

［3］ 陆志妹， 范佘明. 船舶液舱晃荡研究进展［J］. 上海造船， 2010（2）： 14-16.

［4］ 朱仁庆， 吴有生. 液舱内流体晃荡特性数值研究［J］.中国造船， 2002（2）： 15-21.

［5］ 朱仁庆， 吴有生. 船舶液体晃荡动力学的研究方法及进展［J］. 华东船舶工业学院学报， 1999（13）： 45-50.

Sloshing strength analysis of liquid cargo tanks in chemical tanker

GUO Lei
（RINA Italy Classifi cation Society （China） Co.， Ltd.， Shanghai 200052， China）

Abstract：The sloshing of the liquid in liquid cargo tanks is one of the important issues in the structural analysis of liquid cargo carriers. This study assesses the sloshing strength of the two liquid cargo tanks of a chemical tanker according to the RINA rules. It can provide valuable references for the standardized drawing and the design of the hull structures of the liquid cargo carriers in future.

Keywords：sloshing； structural strength assessment； liquid cargo tank

［中图分类号］U661.43

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）03-0053-06

［收稿日期］2015-12-25；［修回日期］2016-02-20

［作者简介］郭 磊（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶结构审图及结构强度分析。