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1、基于載荷疊加法的 LPG船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 張榮鑫 李德祥 摘 要:本文根據(jù) LPG 船鞍座和液罐間的受力形式,結(jié)合 IGC 規(guī)則和 CCS散裝運(yùn)輸 液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范 ,提出了一種載荷疊加的計(jì)算方法;在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用三維 有限元建模技術(shù),解決了該類(lèi)船舶的艙段/鞍座結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題。實(shí)例證明了該方法的有效性 和可行性。 關(guān)鍵詞 : LPG 船、強(qiáng)度、有限元、載荷疊加法 1 前 言 液化石油氣體( Liquefied Petroleum Gas,LPG)船是一種高技術(shù)高附加值船 1 ,具 有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。 LPG 船與常規(guī)散貨船、油船結(jié)構(gòu)上有所不同,結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜且安 全性能要求更高。現(xiàn)有的
2、 IGC 規(guī)則和 CCS散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范2 (以下統(tǒng)稱(chēng)規(guī)則) 在船體結(jié)構(gòu)方面無(wú)詳細(xì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)且載荷計(jì)算復(fù)雜, 使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在 很多不定因素, 增加了設(shè)計(jì)難度, 故有必要對(duì)艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析, 提高結(jié)構(gòu)安全 性,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 本文首先對(duì)液化氣船的船體結(jié)構(gòu)及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析, 得出了結(jié)構(gòu)有限元分析的必要 性;其次根據(jù)規(guī)則的相關(guān)載荷要求,對(duì)計(jì)算載荷進(jìn)行疊加,得到與事實(shí)相符合的計(jì)算載荷, 并給出了相應(yīng)的邊界條件; 然后建立了船體艙段三維有限元模型, 對(duì)滿載和壓載兩種工況進(jìn) 行了強(qiáng)度分析并得出了結(jié)論。 2 LPG船設(shè)計(jì)載荷 船舶在航行中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜,主要承受以
3、下載荷:內(nèi)部壓力、 外部壓力、 船舶運(yùn)動(dòng) 引起的動(dòng)載荷、 晃蕩載荷、 船舶變形引起的載荷、 液貨艙和貨物重量在支持構(gòu)件部位的相應(yīng) 的反作用力等 2 。 2.1 內(nèi)部壓力 船體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力主要是壓載水壓力,計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn) 3: 2.2 外部壓力 船體結(jié)構(gòu)的外部壓力主要有靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力,計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)2 : 2.3 船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷 以船舶在北大西洋中相當(dāng)概率水平10-8 的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的加速度分量為指導(dǎo)公式, 加速度 計(jì)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: 橫
4、向加速度: 縱向加速度: 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為船長(zhǎng), m; Cb為方形系數(shù); B 為最大型寬, m;X 為船中到裝貨的液貨艙重心 之間的縱向距離, m(船中前, X 為正值,船中后, X 為負(fù)值); Z 為船舶的實(shí)際水線到裝 貨的液貨艙重心之間的垂向距離, m(水線上, Z 為正值,水線下, Z 為負(fù)值);V 為營(yíng)運(yùn)速 度;K 通常取 1。 ax ,ay , a z為相應(yīng)方向
5、上的最大無(wú)因次加速度(相對(duì)于重力加速度)。計(jì)算時(shí),可以認(rèn)為 它們是分別作用的, az不包括靜重力分量, ay 包括橫搖在橫方向上引起的靜重力分量,ax 包括縱搖在縱方向上引起的靜重力分量。 2.4 載荷疊加 由于液貨艙和船體結(jié)構(gòu)是獨(dú)立的,因此在考慮貨物載荷以及液貨艙和貨物重量在支持 構(gòu)件部位的相應(yīng)的反作用力時(shí), 要同時(shí)考慮到船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷。 液貨艙通過(guò)鞍座與船 體相作用,因此,鞍座上的力要包含:)液貨艙自身重量;)液貨重量;)液貨艙和 液貨由于船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷; 按照規(guī)則要求,可以正弦 /余弦函數(shù)的分布形式模擬液貨艙向鞍座的施載方式,具體見(jiàn) 下圖 1,其中 Pz和 Py分別為液貨艙的
6、垂向和橫向力分量。 圖 1 鞍座載荷施加方式 設(shè) Pzmax 為最大垂向力,其與垂向間夾角0 ,則 Pz 可以定義為 Pz Pzmax cos , 為力作用點(diǎn)所在徑向力與垂向間夾角,弧度;鞍座寬度為b,個(gè)數(shù)為 n,則垂向合力 Qz : R /2 Qz 0 Pzbds 2n 0 Pzmax Rb cos d2nPzmaxRbsin /2(5) 同理可得橫向合力 R /2 Qy0 Pybds n 0 PymaxRbsin dnRbPymax(1 cos / 2)(6) 則 Py,Pz 即可求得。 實(shí)際上鞍座受到徑向力作用,如圖2 所示: 2 / 0 z Q 1 q( )cos d 7) 8) 9)
7、 圖 2 鞍座受力形式 則可直接定義鞍座的徑向力 q( ) , 為徑向力與垂向間夾角, 為鞍座的包角。則 1) 船舶僅垂蕩時(shí),僅有垂向加速度,則徑向力q( ) Pzmax ; 2) 船舶僅橫搖時(shí),僅有橫向加速度,則徑向力q( ) Pymax ; 3) 船舶橫搖和垂蕩時(shí),既有垂向加速度,又有橫向加速度,則僅鞍座一側(cè)受力,徑向力為 變力 q( ) , /2 Qz n q( ) Rbcos d /2 Qy n /2 q( )Rbsin d 式( 6)可轉(zhuǎn)化為: 由于橫搖時(shí),僅一側(cè)受力,故式( 7)可轉(zhuǎn)化為 10) 1 /2 Qyq( )sin d nRb y 0 式( 8)、( 9)左右兩邊平方后相
8、加得: 1 2 2 /2 /2 2 11) n2R12b2 (Qz2 Qy2) 0 0 q2( )d d 故: 也可定義徑向力 /2 q( )d nRb Qz2 Qy2 12) q( ) 為一正弦 /余弦函數(shù),當(dāng) Qy arcsin 時(shí)有最大值,則定 義 q( ) qsin( / 2 ) qcos( ), Qz2 Qy2 Qy ,則根據(jù)式( 12) 得: Qy Qz2 Qy2 13) Qz2 Qy2 / ( nRb) q( ) z y cos( ), arcsin Qy (1 cos ) Qz sin 22 4)船舶縱搖時(shí),縱向加速度與垂向、橫向加速度無(wú)關(guān),可在鞍座上加縱向力即可。 按照上面四
9、條原則,鞍座處的載荷即可確定。 3 LPG船邊界條件和應(yīng)力衡準(zhǔn) 由于計(jì)算模型為艙段模型,故在模型兩端就需要有一定的邊界條件。根據(jù)文獻(xiàn)3 的 規(guī)定,可采取以下的方式定義邊界條件(模型采用全寬模型),見(jiàn)表 1。 表 1 模型邊界條件 線位移 X 線位移 Y 線位移 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. 剛性點(diǎn) A Cons. Cons. Cons. Cons. BM Cons. 剛性點(diǎn) B - Cons. Cons. Cons. BM
10、Cons. 注: Cons.表示對(duì)應(yīng)的位移約束; Link 表示面內(nèi)相關(guān)點(diǎn)位移與獨(dú)立點(diǎn)連接; BM 表示端 面所受的總彎矩。 A、B 端的端面彎矩計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn) 3 的規(guī)定。至此,載荷、邊界條件和應(yīng)力衡準(zhǔn)都已 確定,則液化氣船艙段 /鞍座結(jié)構(gòu)就可進(jìn)行校核。 4 案例分析 本文選取某 LPG 船進(jìn)行艙段 /鞍座結(jié)構(gòu)有限元分析,該船有兩個(gè)LPG 液艙,每個(gè)液艙 有一個(gè)液罐,液艙區(qū)域?yàn)殡p殼單底結(jié)構(gòu)。 4.1 船體參數(shù)和模型構(gòu)造 4.1.1 船體參數(shù) 垂線間長(zhǎng): L 98.5m 型 寬: B 14.8m 型 深: D 7.5m 設(shè)計(jì)吃水: d 5.2m 方形系數(shù): Cb 0.705 航 速: V 13
11、kn 4.1.2 結(jié)構(gòu)模型 本文采用 MSC.Patran 計(jì)算軟件進(jìn)行有限元分析 4,5 ,模型節(jié)點(diǎn)數(shù)共 34103 個(gè),單元 53771 個(gè)。根據(jù)實(shí)際裝載工況和文獻(xiàn) 2的要求,共需計(jì)算 9 種工況,如表 2 所示。 表2 計(jì)算工況 工況 ax ay az G P1 P2 F1/2 F-1/4 300 壓 載 工 況 縱搖 + 垂蕩 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 橫搖 + 垂蕩 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 縱搖 +橫搖 +垂蕩 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 滿 載 工 況 縱搖 + 垂蕩 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 橫搖 + 垂蕩 1.0
12、1.0 1.0 1.0 1.0 縱搖 +橫搖 +垂蕩 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 獨(dú)立工況( 1) 1.0 獨(dú)立工況( 2) 1.0 獨(dú)立工況( 3) 1.0 注: ax ,a y , az為相應(yīng)方向上的最大無(wú)因次加速度 (相對(duì)于重力加速度) ,G 為液罐自重, P1為海水壓力, P2 為附加調(diào)平載荷, F1/2為(艙+貨)向前 1/2 沖力, F-1/4 為(艙+貨)向 后 1/4 沖力, 300 為靜橫傾 300 載荷。 4.1.3 計(jì)算結(jié)果分析 艙段在彎矩和剪力作用下產(chǎn)生彎曲變形1,圖 3 和圖 4表達(dá)了壓載工況和滿載工況 (縱 搖+橫搖 +垂蕩)下的變形,該兩工況均
13、為中拱狀態(tài),單位為mm 。 圖 3 壓載工況(縱搖 + 橫搖 + 垂蕩)撓度 圖 4 滿載工況(縱搖 +橫搖 +垂蕩)撓度 計(jì)算模型的板相當(dāng)應(yīng)力見(jiàn)圖 5、 6,單位為 N / mm2 : 圖 5 壓載工況(縱搖 +橫搖 +垂蕩)板相當(dāng)應(yīng)力 6 圖 6 滿載工況(縱搖 + 橫搖 +垂蕩)變形板相當(dāng)應(yīng)力 從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出,壓載工況時(shí)撓度及船底板和主甲板應(yīng)力較大,該工況較 危險(xiǎn);而滿載工況時(shí),最大應(yīng)力發(fā)生在約束處(應(yīng)力集中處) ,可以忽略。在滿載工況下, 由于液罐內(nèi)裝滿液貨,其重量通過(guò)鞍座傳遞到船底,這就使得船底部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻性, 在此狀態(tài)下,鞍座處應(yīng)力較高。 5 結(jié)論 通過(guò)對(duì)該 LPG
14、船兩種工況的艙段有限元結(jié)構(gòu)分析,可得出以下結(jié)論: 液罐與船體結(jié)構(gòu)不是一個(gè)整體,故需考慮慣性力載荷等影響,載荷形式復(fù)雜,是 計(jì)算的難點(diǎn)和重點(diǎn); LPG 船局部載荷較大,容易造成應(yīng)力集中、板格屈曲強(qiáng)度不足,故鞍座處需加強(qiáng)。 壓載工況受中拱波浪彎矩作用,船體受彎矩作用最大,變形和應(yīng)力均達(dá)到最大。 本文通過(guò)有限元方法,較為真實(shí)地模擬了船舶受力、變形和應(yīng)力情況,能夠有效地指 導(dǎo)該類(lèi)型船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有一定的實(shí)用工程價(jià)值。 參考文獻(xiàn): 1 陳慶強(qiáng)、朱勝昌等, 2萬(wàn) 2 千方液化氣船整船和艙段三維有限元強(qiáng)度分析。船舶力學(xué), 1999(10)。 2 中國(guó)船級(jí)社,散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范。人民交通出
15、版社,2007(1)。 3 中國(guó)船級(jí)社,油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南。 4 MSC PATRAN&MSC NASTRAN 使用指南。 5 劉兵山、黃聰?shù)龋?Patran 從入門(mén)到精通。中國(guó)水利水電出版社,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
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