4200方液化气船舱段和鞍座结构有限元强度分析

1、基于载荷叠加法的 LPG船结构强度分析 张荣鑫 李德祥 摘 要：本文根据 LPG 船鞍座和液罐间的受力形式，结合 IGC 规则和 CCS散装运输 液化气体船舶构造与设备规范 ，提出了一种载荷叠加的计算方法；在此基础上，运用三维 有限元建模技术，解决了该类船舶的舱段/鞍座结构分析问题。实例证明了该方法的有效性 和可行性。 关键词 ： LPG 船、强度、有限元、载荷叠加法 1 前 言 液化石油气体( Liquefied Petroleum Gas，LPG)船是一种高技术高附加值船 1 ，具 有广阔的市场发展前景。 LPG 船与常规散货船、油船结构上有所不同，结构更加复杂且安 全性能要求更高。现有的

2、 IGC 规则和 CCS散装运输液化气体船舶构造与设备规范2 (以下统称规则) 在船体结构方面无详细设计标准且载荷计算复杂， 使得结构设计方面存在 很多不定因素， 增加了设计难度， 故有必要对舱段结构进行有限元强度分析， 提高结构安全 性，为结构设计提供指导。 本文首先对液化气船的船体结构及应用前景进行了分析， 得出了结构有限元分析的必要 性；其次根据规则的相关载荷要求，对计算载荷进行叠加，得到与事实相符合的计算载荷， 并给出了相应的边界条件； 然后建立了船体舱段三维有限元模型， 对满载和压载两种工况进 行了强度分析并得出了结论。 2 LPG船设计载荷 船舶在航行中运动状态比较复杂，主要承受以

3、下载荷：内部压力、 外部压力、 船舶运动 引起的动载荷、 晃荡载荷、 船舶变形引起的载荷、 液货舱和货物重量在支持构件部位的相应 的反作用力等 2 。 2.1 内部压力 船体结构的内部压力主要是压载水压力，计算公式见文献 3: 2.2 外部压力 船体结构的外部压力主要有静水压力和波浪水动压力，计算公式见文献2 ： 2.3 船舶运动引起的动载荷 以船舶在北大西洋中相当概率水平10-8 的运动而产生的加速度分量为指导公式， 加速度 计算公式如下 1 a0 0.2 V L0 34 600/ L0 L0 1) 其中： A 0.7 L0 /1200 5Z /L0 (0.6 / Cb ) 垂向加速度： 横

4、向加速度： 纵向加速度： 45 aza0 1 5.3 L0L0 ay a0 0.6 2.5 22 2 X 0.05 2 2 X 0.05 L0 ax a0 0.06 A2 0.25A 1.5 0.6 Cb 2 K 1 0.6K Z B 2） 3） 4） 式中： L0为船长， m； Cb为方形系数； B 为最大型宽， m；X 为船中到装货的液货舱重心 之间的纵向距离， m（船中前， X 为正值，船中后， X 为负值）； Z 为船舶的实际水线到装 货的液货舱重心之间的垂向距离， m（水线上， Z 为正值，水线下， Z 为负值）；V 为营运速 度；K 通常取 1。 ax ,ay , a z为相应方向

5、上的最大无因次加速度（相对于重力加速度）。计算时，可以认为 它们是分别作用的， az不包括静重力分量， ay 包括横摇在横方向上引起的静重力分量，ax 包括纵摇在纵方向上引起的静重力分量。 2.4 载荷叠加 由于液货舱和船体结构是独立的，因此在考虑货物载荷以及液货舱和货物重量在支持 构件部位的相应的反作用力时， 要同时考虑到船舶运动引起的动载荷。 液货舱通过鞍座与船 体相作用，因此，鞍座上的力要包含：）液货舱自身重量；）液货重量；）液货舱和 液货由于船舶运动引起的动载荷； 按照规则要求，可以正弦 /余弦函数的分布形式模拟液货舱向鞍座的施载方式，具体见 下图 1，其中 Pz和 Py分别为液货舱的

6、垂向和横向力分量。 图 1 鞍座载荷施加方式 设 Pzmax 为最大垂向力，其与垂向间夹角0 ，则 Pz 可以定义为 Pz Pzmax cos ， 为力作用点所在径向力与垂向间夹角，弧度；鞍座宽度为b，个数为 n，则垂向合力 Qz ： R /2 Qz 0 Pzbds 2n 0 Pzmax Rb cos d2nPzmaxRbsin /2(5) 同理可得横向合力 R /2 Qy0 Pybds n 0 PymaxRbsin dnRbPymax(1 cos / 2)(6) 则 Py,Pz 即可求得。 实际上鞍座受到径向力作用，如图2 所示： 2 / 0 z Q 1 q( )cos d 7) 8) 9)

7、 图 2 鞍座受力形式 则可直接定义鞍座的径向力 q( ) ， 为径向力与垂向间夹角， 为鞍座的包角。则 1) 船舶仅垂荡时，仅有垂向加速度，则径向力q( ) Pzmax ； 2) 船舶仅横摇时，仅有横向加速度，则径向力q( ) Pymax ； 3) 船舶横摇和垂荡时，既有垂向加速度，又有横向加速度，则仅鞍座一侧受力，径向力为 变力 q( ) ， /2 Qz n q( ) Rbcos d /2 Qy n /2 q( )Rbsin d 式( 6)可转化为： 由于横摇时，仅一侧受力，故式（ 7）可转化为 10) 1 /2 Qyq( )sin d nRb y 0 式( 8)、( 9)左右两边平方后相

8、加得： 1 2 2 /2 /2 2 11) n2R12b2 (Qz2 Qy2) 0 0 q2( )d d 故： 也可定义径向力 /2 q( )d nRb Qz2 Qy2 12) q（ ） 为一正弦 /余弦函数，当 Qy arcsin 时有最大值，则定 义 q( ) qsin( / 2 ) qcos( ), Qz2 Qy2 Qy ，则根据式（ 12) 得： Qy Qz2 Qy2 13) Qz2 Qy2 / ( nRb) q( ) z y cos( ), arcsin Qy (1 cos ) Qz sin 22 4）船舶纵摇时，纵向加速度与垂向、横向加速度无关，可在鞍座上加纵向力即可。 按照上面四

9、条原则，鞍座处的载荷即可确定。 3 LPG船边界条件和应力衡准 由于计算模型为舱段模型，故在模型两端就需要有一定的边界条件。根据文献3 的 规定，可采取以下的方式定义边界条件（模型采用全宽模型），见表 1。 表 1 模型边界条件 线位移 X 线位移 Y 线位移 Z 角位移 X 角位移 Y 角位移 Z A端 Link - Link - Link Link B端 Link - Link - Link Link CL - Cons. - Cons. - Cons. 刚性点 A Cons. Cons. Cons. Cons. BM Cons. 刚性点 B - Cons. Cons. Cons. BM

10、Cons. 注： Cons.表示对应的位移约束； Link 表示面内相关点位移与独立点连接； BM 表示端 面所受的总弯矩。 A、B 端的端面弯矩计算方法见文献 3 的规定。至此，载荷、边界条件和应力衡准都已 确定，则液化气船舱段 /鞍座结构就可进行校核。 4 案例分析 本文选取某 LPG 船进行舱段 /鞍座结构有限元分析，该船有两个LPG 液舱，每个液舱 有一个液罐，液舱区域为双壳单底结构。 4.1 船体参数和模型构造 4.1.1 船体参数 垂线间长： L 98.5m 型 宽： B 14.8m 型 深： D 7.5m 设计吃水： d 5.2m 方形系数： Cb 0.705 航 速： V 13

11、kn 4.1.2 结构模型 本文采用 MSC.Patran 计算软件进行有限元分析 4,5 ，模型节点数共 34103 个，单元 53771 个。根据实际装载工况和文献 2的要求，共需计算 9 种工况，如表 2 所示。 表2 计算工况 工况 ax ay az G P1 P2 F1/2 F-1/4 300 压 载 工 况 纵摇 + 垂荡 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 横摇 + 垂荡 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 纵摇 +横摇 +垂荡 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 满 载 工 况 纵摇 + 垂荡 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 横摇 + 垂荡 1.0

12、1.0 1.0 1.0 1.0 纵摇 +横摇 +垂荡 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 独立工况（ 1） 1.0 独立工况（ 2） 1.0 独立工况（ 3） 1.0 注： ax ,a y , az为相应方向上的最大无因次加速度 （相对于重力加速度） ，G 为液罐自重， P1为海水压力， P2 为附加调平载荷， F1/2为（舱+货）向前 1/2 冲力， F-1/4 为（舱+货）向 后 1/4 冲力， 300 为静横倾 300 载荷。 4.1.3 计算结果分析 舱段在弯矩和剪力作用下产生弯曲变形1，图 3 和图 4表达了压载工况和满载工况 （纵 摇+横摇 +垂荡）下的变形，该两工况均

13、为中拱状态，单位为mm 。 图 3 压载工况（纵摇 + 横摇 + 垂荡）挠度 图 4 满载工况（纵摇 +横摇 +垂荡）挠度 计算模型的板相当应力见图 5、 6，单位为 N / mm2 ： 图 5 压载工况（纵摇 +横摇 +垂荡）板相当应力 6 图 6 满载工况（纵摇 + 横摇 +垂荡）变形板相当应力 从上面的计算结果可以看出，压载工况时挠度及船底板和主甲板应力较大，该工况较 危险；而满载工况时，最大应力发生在约束处（应力集中处） ，可以忽略。在满载工况下， 由于液罐内装满液货，其重量通过鞍座传递到船底，这就使得船底部结构产生不均匀性， 在此状态下，鞍座处应力较高。 5 结论 通过对该 LPG

14、船两种工况的舱段有限元结构分析，可得出以下结论： 液罐与船体结构不是一个整体，故需考虑惯性力载荷等影响，载荷形式复杂，是 计算的难点和重点； LPG 船局部载荷较大，容易造成应力集中、板格屈曲强度不足，故鞍座处需加强。 压载工况受中拱波浪弯矩作用，船体受弯矩作用最大，变形和应力均达到最大。 本文通过有限元方法，较为真实地模拟了船舶受力、变形和应力情况，能够有效地指 导该类型船舶的结构设计，具有一定的实用工程价值。 参考文献： 1 陈庆强、朱胜昌等， 2万 2 千方液化气船整船和舱段三维有限元强度分析。船舶力学， 1999（10）。 2 中国船级社，散装运输液化气体船舶构造与设备规范。人民交通出

15、版社，2007（1）。 3 中国船级社，油船结构强度直接计算指南。 4 MSC PATRAN&MSC NASTRAN 使用指南。 5 刘兵山、黄聪等， Patran 从入门到精通。中国水利水电出版社，2003（3）。 Cargo Tank Structural Strength Analysis of LPG Ship Based on the Loads Superposed Method Zhang R.X, Li D.X (China Classification Society Dalian Branch) Abstract: The paper provides a loads superposed method(LSM) based on the force modality between bicycle saddle and liquid tank of LPG ship and LGC