液货船罐体及支撑结构强度分析与仿真

赵城园

(中国船级社，广西 北海 536000)

0 引 言

不同于普通的集装箱运输船和散货船，液货船运载的商品为液体，如液化天然气（LNG）等。由于液体在运输过程中会随着船舶和海浪干扰作用发生晃动，且液体在运输过程中必须具有良好的保温特性，因此，液货船船舱和罐体的结构强度、密封性等必须要具有较高的可靠度。

液货船罐体的设计需要满足大致2 个方向的要求。一是流体动力学特性，由于LNG 是一种易燃易爆的货物，罐体设计时考虑船舱的温度与流体动力学条件，必须要保证具有良好的保温性，满足罐体内部液体与气体对内壁的冲击载荷；二是罐体与支撑结构的力学强度特性，保证罐体在满载的情况下，货物晃荡载荷、重力载荷、压力载荷均不会对液货船罐体及支撑结构造成强度破坏。

本文介绍液货船MOSS 型舱室的结构原理，从流体动力学和静力学角度对MOSS 型舱室进行建模分析，提高液货船罐体结构的设计水平。

1 液货船及MOSS 型液货船舱的研究现状

国际船舶组织将液货船（主要是LNG 运输船）的货舱分为独立式货舱和非独立式货舱2 种。

1）独立式货舱

独立式货舱与船舶主体结构相互独立，货舱可搬运和移植到其他船体，不会影响船舶的完整性。独立式货舱包括方型货舱和圆形货舱2 种。

①方型货舱

液货船舱的主体形式为方型，具有更大的储存空间，但方型液货舱的保温与强度设计难度较大，液货船舱内部要设计次屏壁结构，提高方型货舱的强度与保温性。

②圆型货舱

圆型货舱泛指采用回转体结构为主体的液货船舱，这种船舱具有较高的比表面积，强度特性也更加优异，在液货船中应用较多。

2）非独立式货舱

非独立式货舱是指货舱的主体生根在船舶主体结构上，货舱所受的重力、晃荡载荷等最终由船舶主体承受。非独立式货舱具有高度的集成特性，在液货船初始设计时需要明确货舱的结构与布局，这种液货舱也是目前LNG 船舶的主要形式。

非独立式货舱可以分为以下2 种：

①薄膜型

该类型货舱的主体结构由邻近船体部分的绝缘层薄膜组成，又包括舱内壳体、隔热层等，薄膜能够确保液舱的密封特性，壳体和隔热层保障货舱的强度、保温要求。

②半薄膜型

与薄膜型货舱不同，半薄膜型货舱的薄膜只有局部区域存在，同样也是由周围的船体结构支撑。

本文研究的MOSS 型货舱是一种半薄膜型货舱，其结构如图1 所示。

图1 半薄膜型MOSS 舱室罐体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of semi-film type MOSS liquid cargo compartment

可知，MOSS 球型货舱的主体结构由舱裙结构、罐体、隔热层、舱内壳体以及第2 层隔热层组成，是一种双层壳体结构，每个球型LNG 罐体集成了液货管路，罐体底部采用蒸汽轮机和空气压缩机等设备保持货舱的低温[1]。

2 液货船罐体及支撑结构的强度分析与仿真

2.1 罐体的流体动力学特性

为了更加准确地描述液货船罐体内液体由于晃动造成的冲击载荷，对液货船罐体内液体-气体进行流体动力学分析。液货船罐体内部的热循环特性响应描述如下：

首先，LNG 液体在罐体内部存储时，MOSS 型罐体的顶部空间存在气体，气体与液体的流动形成了气液界面层；其次，罐体密闭空间内部的液体流动区域与罐体内壁进行热交换，导致壁面附近的液体温度上升，液体会沿着内壁向上流动。最后，在液体与气体的共同作用下，MOSS 型罐体的顶部与外界环境进行热交换。

MOSS 型罐体内部的流体动力学循环特性如图2所示。

图2 MOSS 型罐体内部的流体动力学循环特性Fig.2 Hydrodynamic circulation characteristics in MOSS tank

在进行罐体内部的流体动力学分析时，提出如下假设：

①LNG 液体视为不可压缩的粘性流体，在实际流体动力学计算时，采用纯甲烷的物理和化学特性进行相关计算。

②不考虑MOSS 外罐体的热阻，只考虑罐体内部隔热层的热阻。由于外罐体的厚度较低，导热能力强，因此可以将其热阻忽略。

③忽略罐体支撑结构的传热。

④对于罐体内部的气体液体边界层，将其视为恒热流密度边界。

1）连续性方程

根据上述假设，建立罐体内部流体的连续性方程如下：

式中：ρ为液体的密度；SM为相变源项。

2）动量方程

动量方程是流体在牛顿第二定律上的体现，即流体的动量时间变化率与外界作用力之和相同，如下：

式中：τj为应力张量；ρgi为液体的重力体积力；µ为流体动力学膨胀系数；δij为压力。

3）能量方程

能量方程由流体动力学第一定律得到，即液体中增加的能量等于外界对液体微元做的功，温度为T，流体动力学能量方程为：

式中：λ为导热系数，cr为热容。

结合罐体内动量方程与压力场边界[2]，通过数值模拟得到罐体内液体的湍流速度模型，图3 为几组不同温度条件下的罐体内湍流速度数据。

图3 不同温度条件下的罐体内湍流速度数据Fig.3 Data of turbulence velocity in tank under different temperature conditions

2.2 液压船MOSS 型罐体及支撑结构的静力学分析

2.2.1 液货船罐体的静力学有限元计算过程

液货船罐体及支撑结构的静力学特性主要是指在罐体内部液体的重力与冲击作用载荷下，罐体及支撑结构的安全性。本文结合Ansys-workbench 软件进行分析，整体分析流程如图4 所示。

图4 液货船罐体的静力学分析流程图Fig.4 Flow chart of static analysis of tank of liquid cargo ship

1）载荷提取

罐体的静力学强度载荷主要包括罐体及液货的重力和罐体液体的流体动力学载荷-晃荡载荷。

由于晃荡载荷是一种非线性的变载荷，因此需要通过载荷谱表示，建立液货舱室的晃荡载荷[3]谱函数为：

式中：w为角频率；wp为载荷谱的波峰频率；Hs为载荷幅值。

2）有限元模型建立

首先需要充分提取MOSS 型船舱的机械结构，在此基础上做一定程度的简化，同时需要结合LNG 液舱的二维数值，确定罐体的基本模型特征。然后需要确定有限元网格的划分精度，网格划分时需要充分结合罐体的结构特性，在危险截面和重要承载区域的网格需要尽量的密，网格整体尺寸低于50 mm，且罐体有限元求解的步长需要足够小，保证有限元仿真的精确性。

图5 为MOSS 型罐体局部结构的有限元模型。

图5 MOSS 型罐体局部结构的有限元模型Fig.5 Finite element model of MOSS type tank local structure

3）数值求解

为了获取准确的罐体及支撑结构有限元分析结果，将数值模拟的横向和纵向的分析时间定为5 个载荷周期，并结合高性能计算机硬件设备进行求解[4]。

4）结构优化

从罐体及支撑结构的极限和疲劳仿真结果进行结构的优化，提升结构安全性。

2.2.2 罐体及支撑结构的有限元仿真

在建立Workbench 有限元模型时，将MOSS 型罐体的外壳定义为合金18CrNiMo，隔热层材料定义为Q345A，支撑结构采用材料Q235b，MOSS 型罐体的有限元模型属性如表1 所示。

表1 MOSS 型罐体的有限元模型属性Tab.1 Finite element model properties of MOSS type tank

图6 为MOSS 型罐体局部区域的有限元仿真结果。根据仿真结果，可对MOSS 型舱室进行结构优化。

图6 MOSS 型罐体局部区域的有限元仿真结果Fig.6 Finite element simulation results of MOSS tank local area

3 结 语

LNG 液货船作为一种重要的资源运输船，其结构可靠性是研究重点。本文从液货船MOSS型船舱罐体的流动力学特性与静力学特性出发，针对MOSS 型舱室罐体进行数值模拟和仿真计算，详细介绍了整个过程，有助于MOSS 型舱室罐体的结构优化。