独立B型LNG船液舱晃荡强度分析方法

张明娟，刘 俊，薛鸿祥，唐文勇

(1. 海洋工程国家重点实验室 上海交通大学，上海 200240；2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 船海协创中心，上海 200240)

独立B型LNG船液舱晃荡强度分析方法

张明娟1,2，刘 俊1,2，薛鸿祥1,2，唐文勇1,2

(1. 海洋工程国家重点实验室 上海交通大学，上海 200240；2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 船海协创中心，上海 200240)

为了保证液舱舱容大且无装载限制的新型独立B型LNG船在晃荡载荷下的强度满足使用要求，提出液舱结构晃荡强度直接分析方法。采用规范公式确定液舱晃荡载荷，根据该方法对液舱模型进行粗网格分析，进行典型区域横摇工况下超出应力许用值的精细网格分析。结果表明，该方法可以对独立液舱晃荡强度进行有效评估，其中的精细网格计算结果可真实反映高应力梯度区域的应力情况。分析结果可为液舱晃荡强度评估、液舱结构优化以及同类LNG船的设计开发提供参考。

独立B型LNG船液舱；液舱晃荡；细化分析

0 引 言

液化天然气作为一种新的绿色能源，其市场占有率随着世界环保意识的提高而日益增大，作为运输液化天然气的专用船舶——液化天然气船（Liquefied Natural Gas Carrier，LNG）也走向大型化。大型LNG船具有更大装载能力，但也存在一定的安全隐患，如在航行过程中易产生更加剧烈的晃荡，其产生的晃荡冲击压力会对液舱舱壁产生较大的冲击力，致使船体结构存在安全隐患[1]。因此，对LNG船晃荡载荷下液舱强度的评估已成为液化天然气船安全方面评估的重要内容之一。

独立B型LNG船液舱属于SPB棱柱型液舱，具有易维修、操纵性好、较易控制温度和压力以及晃荡产生的影响相对较小[2]等优点。尽管如此，鉴于国内外相关资料相对较少，而目标船液舱结构复杂、舱容大、自由液面长且无装载限制[3]，研发过程中对其晃荡载荷作用下的局部结构强度进行考察仍然十分必要。由于LNG船承载液货，所以目前针对晃荡载荷的研究相对较多，而关于液舱直接计算的文献相对较少。其中陈潜等[4]采用直接计算法分别使用接地弹簧单元和块单元2种模拟方式对垫块结构进行模拟，对独立B型LNG船液舱晃荡强度进行评估，但没有系统的总结方法；王元等[5]考虑了晃荡效应，建立了独立B型LNG船液舱舱段模型，采用多目标遗传算法对独立B型LNG船液舱结构进行优化。目前绝大多数船级社规范没有直接针对液舱有限元计算的内容，中国船级社在2016年7月新发布的《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》[6]中补充了B型独立舱型液化气体船液舱结构校核的直接计算方法，属于业内较为先行的规定，方法中要求建立船体结构、独立舱结构以及独立舱的限位装置（限位垫块+底座）及其支撑结构。但是对独立型液舱，船体结构的影响相对较小，如果考虑船体和舱段，分析工作量及复杂程度相对较大，如非必要，采用适当的方法对独立液舱单独直接进行分析更为合适。

本文的目标船为某新型170 000 m3独立B型LNG船，拟入DNV籍，但目前DNV还没有针对晃荡载荷作用下独立B型LNG船棱型液舱强度校核的直接计算分析方法。本文考虑晃荡载荷下液舱的工况、受载及支撑特点，确定了液舱晃荡局部强度直接评估方法，并据此方法以目标液舱为例进行了晃荡局部强度分析，研究成果可为独立B型LNG船液舱结构设计优化以及晃荡强度评估提供参考。

1 液舱晃荡局部强度直接计算

晃荡是液体在盛液容器内由于自由表面波动所引起的整个液体的运动，液体晃荡一般较为复杂，通常表现出很强的非线性和随机性，严重的液体晃荡会出现漩涡、飞溅等强烈的非线性现象[7]。目标船液舱尺度较大，较长的自由液面导致晃荡时液体压强变化大，这会对恶劣工况下船舶液舱结构的安全产生影响。在此参考DNV规范建立液舱晃荡局部强度直接评估方法如下。

1.1 工况选择及载荷计算组合

计算考虑实船纵摇和横摇2种情形。

1）对于距离横向制荡横舱壁和端部横舱壁0.25lb范围内的构件，压力为：

2）对于距离纵向制荡横舱壁和舱边舱壁0.25bb范围内的构件，压力为：

其中：ρ为液货密度，kg/m3。

3）与制荡横舱壁和端部舱壁邻近的强框架或桁材构件，压力为：

对于强框架

对于纵桁材

1.2 有限元模型

鉴于液舱结构晃荡强度分析尺度与船体结构舱段分析相当，且为了应力衡准可供参考，故此确定液舱粗网格计算参考舱段直接计算的原则建立模型，即采用板梁单元离散建模，单元尺寸参考最小骨材间距确定，其中舱壁板以及桁材采用板单元建模，骨材采用梁单元建模。同样，细化分析中局部精细网格尺寸确定为50 mm×50 mm，以保证衡准标准的可借鉴性。其中细化区域内舱壁桁材和骨材采用板单元建模，并且在拐角处结构细节会进一步体现，以求数值结果准确反映此处应力情况。

目标船的液舱与船体结构之间采用垂向垫块、反纵摇支撑块和反横摇支撑块连接，垫块只承受压力，故此采用接地弹簧单元进行模拟，并经过试算剔除受拉的弹簧单元[4]，反复试算确保所有弹簧单元处于受压状态。由于反纵摇和反横摇垫块成对设置的，故确定直接在液舱反纵摇和反横摇支撑处分别约束X和Y方向线位移。

1.3 应力衡准

液舱结构直接分析衡准参考DNV对独立B型LNG船液舱结构衡准的相关内容确定[8]，粗网格分析采用0.7倍的屈服应力作为许用应力，精细网格分析取粗网格许用应力的1.6倍。

另外，参考规范常有的做法，若细网格区域应力梯度较大或最高应力仍然超出许用值要求时，取原有粗网格区域的所有精细网格单元的平均应力作为这一区域的应力值，采用粗网格的许用值进行衡准。

2 目标船液舱晃荡强度分析

2.1 粗网格分析

建立目标液舱有限元模型，网格尺寸采用纵骨间距800 mm×80 mm，见图1。

试算发现，高装载工况下液舱受到的静水压力较大，导致液舱结构产生较大的应力，此时结构较为危险，因此本文考虑高装载工况进行液舱结构响应分析。

对目标液舱施加晃荡载荷、静水压力和蒸汽压力，其中蒸汽压力大小为0.7 bar。横摇工况下载荷云图见图2。

进行结构响应计算，横摇工况下的典型结构的应力结果列于表1。

典型构件的应力云图见图3。

表 1 横摇工况液舱典型结构应力结果Tab. 1 Von mises stress of typical area in rolling condition

综合横摇工况下的强度评估结果，可以看出：

1）横摇工况下的液舱舱壁强度基本符合强度要求；

2）液舱结构中超许用值区域主要集中在水平桁材、横舱壁垂直桁材以及横框架的拐角处，桁材的较大应力是由于舱壁的变形引起桁材拐角处的拉伸从而产生应力集中现象；

3）水平桁材越低，应力水平越高，最大应力出现在距离底部14 437BL处的水平桁材拐角处；因为理想化的原因，液舱底部约束附近区域有应力集中现象。

为了进一步准确模拟水平桁材、横舱壁垂直桁材以及横框架等处的应力情况，在本小节基础上进行局部细化有限元分析。

2.2 局部细化分析

根据粗网格计算结果，筛选制荡横舱壁、水平桁材腹板、垂直桁材腹板和横框架腹板出现最高应力的位置进行精细网格分析，网格大小取50 mm×50 mm。细化区域网格如图4所示。

进行细化分析时，精细网格嵌于粗网格液舱结构模型中。液舱精细网格有弹簧边界的部位，按照粗网格对处于该区域等面积内的所有细网格节点进行弹簧并联处理，同样通过试算确定弹簧的拉压状态。

细化分析典型区域的应力结果如表2。

典型区域的应力云图如图5所示。

表 2 典型结构细化分析应力结果Tab. 2 Von mises stress of typical area in refined mesh analysis

由应力结果和应力云图可以看出：制荡横舱壁310280518/257448Y*水平桁材腹板416280585/436420N垂直桁材腹板289280343/205420Y

横框架288280774/276420Y*

注: 1）细网格结果一栏里 A 代表细网格最高应力，B 代表细网格平均应力；2）Y* 表示细网格平均应力值满足粗网格许用应 力要求。

1）由于网格尺度较小，细化分析的最大应力一般大于粗网格，但是细化之后同面积的平均应力一般小于粗网格，这是由于细化网格对局部加强或是改善应力集中的构件模拟更加真实的原因；

2）大部分构件在细化之后能满足许用应力要求，但是距离液舱底部较近的14 437BL处的水平桁材腹板拐角处应力仍然超出许用值（应力分布见图6），同时因为粗网格的简化处理加强了均化效应，细化后应力平均值反而大于粗网格的结果，这是因为该处为结构形状变化部位，属于容易产生应力集中的区域，考虑到结构安全性，后续设计中可从增大板厚和骨材尺寸两方面对此处进行结构加强。

3 结 语

本文确定了LNG液舱晃荡强度直接计算方法，该方法得到了相关船级社的认可，对独立B型液舱结构的局部强度评估以及结构设计有参考价值。同时从计算可以发现，某新型独立B型LNG目标船船棱形液舱除极局部区域外，液舱构件大部分满足强度要求，计算也表明由于精细网格真实反映了结构设计细节，可以得到更接近结构真实应力分布的结果，这对于舱口角隅等应力梯度变化较大的区域的真实应力还原具有很大的参考价值。

从本文的工作还可以发现，在舱室尺寸较大时，如果实船晃荡载荷工况下净水载荷比重较高，水平桁采用等尺寸设计、等间距布置，会出现较低部位构件应力水平会比较高的现象，如果水平桁间距由底部较小渐变到上部较大，则构件受力会更加均匀合理，下一步将会在本文基础上对液舱水平桁设计布置进行优化以及计算验证。

[1]王德禹. 液化天然气船液舱的晃荡[J]. 计算机辅助工程, 2010,19(3): 1–4.WANG De-yu. Sloshing of the tank in liquefied natural gas tank[J]. Computer Aided Engineering, 2010, 19(3): 1–4.

[2]黄鹏程. LNG船舶特性及其管理的思考[J]. 航海技术, 2006,5(5): 44–46.HUANG Peng-cheng. Characteristics and management consideration of LNG ships[J]. Marine Technology, 2006, 5(5):44–46.

[3]刘文夫, 薛鸿祥, 唐文勇, 等. 独立B型LNG棱型液舱晃荡载荷数值分析[J]. 船舶工程, 2015, 37(7): 22–25.LIU Wen-fu, XUE Hong-xiang, TANG Wen-yong, et al.Sloshing loads analysis of LNG carrier with independent type B prismatic tanks[J]. Ship Engineering, 2015, 37(7): 22–25.

[4]陈潜, 刘俊, 唐文勇. 独立B型LNG船液舱结构晃荡强度研究[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(9): 12–15.CHEN Qian, LIU Jun, TANG Wen-yong. Research on strength analysis of LNG ship with independent type B tanks under sloshing load[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(9):12–15.

[5]王元, 王德禹. 考虑晃荡效应的独立B型LNG液舱结构多目标优化[J]. 海洋工程, 2016, 34(2): 87–94.WANG Yuan, WANG De-yu. Structural multi-objective optimization of SPB LNG tanks under sloshing pressure[J]. The Ocean Engineering, 2016, 34(2): 87–94.

[6]散装运输液化气体船舶构造与设备规范[M]. CCS, 2014.Rules for construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk[M]. CCS, 2014.

[7]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, 43(2): 15–21.ZHU Ren-qing, WU You-sheng. A numerical study on sloshing phenomena in a liquid tank[J]. Shipbuilding of China, 2002,43(2): 15–21.

[8]DNV(DET NORSKE VERITAS). RULES For Strength Analysis of Liquefied Gas Carriers with Independent Type B Prismatic Tanks [M].

Strength analysis measures of LNG ship with independent type B tanks under sloshing load

ZHANG Ming-juan1,2, LIU Jun1,2, XUE Hong-xiang1,2, TANG Wen-yong1,2
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

In order to ensure that the sloshing strength of the new independent type B tanks in LNG ship with large capacity and free loading limit meets the requirements, a new direct analysis method for the sloshing strength assessment of the tank is proposed. Sloshing loads were calculated according to formulas recommended in rules. The coarse gird analysis of the tank was carried out according to the direct calculation method. Then the region which exceeded the allowable stress was filtered and fine mesh analysis on the target region in rolling condition was done. The result shows that the method can be used to evaluate the sloshing strength of the independent tank effectively, and the result of the fine mesh calculation can reflect the stresses distribution state of the high stress gradient region truly. The analysis results can provide reference for the evaluation of the tank sloshing strength, optimization of the tank structure and further design of the similar LNG ships.

independent type B tank；sloshing；fine mesh analysis

U661.1

A

1672 – 7649(2017)09 – 0059 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.012

2016 – 11 – 29；

2017 – 01 – 05

工信部重大专项资助项目

张明娟(1992 – )，女，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程结构力学。