薄膜型LNG船全船结构屈服和疲劳强度分析

船舶结构与强度分析
船舶结构与强度分析是对船舶结构进行计算、分析及验证的过程，旨在保证船
舶的安全性、可靠性和经济性。

一艘船舶的结构由许多部分组成，例如船体、甲板、船舱等，每个部分都有其具体的强度要求。

在进行结构分析前需要明确船舶的使用环境、航行条件、载货情况等诸多因素。

船舶结构分析一般可以分为三个阶段：静态强度分析、动态强度分析和疲劳强
度分析。

静态强度分析主要用于计算船舶各部分在受静载荷作用下的强度，例如船舶在停泊、装卸货时所受的荷载。

动态强度分析主要针对船体在水中航行时所受的作用力，例如波浪荷载、推进力等。

疲劳强度分析则是通过考虑船舶在长期使用中的疲劳作用，来评估船体在经过多次载荷循环后的损伤情况。

在进行结构分析时需要使用一些专业的软件，例如ANSYS和ABAQUS等。

这些软件可以模拟各种物理载荷对船体的作用，以及船体材料的力学性质。

通过数值模拟分析可以快速得出船舶各部分的强度，并根据计算结果针对性地进行结构设计和优化。

在玩具船到海上大货轮，不同类型的船舶在结构和强度方面都存在着天然的差异。

例如在大型油轮上，可靠性和安全性是最重要的要求之一。

因此，其结构设计需要考虑到较高的载荷和对液态羟基等液体的运输。

而在高速客轮上，需要优化船体的设计，以便在航行时降低阻力和提高速度。

总之，船舶结构与强度分析是保障船舶安全、可靠、经济的重要方法之一。

在
设计和制造的过程中，需要充分考虑各种使用环境和载货情况，以达到最优设计效果。

同时，不断研究和探索新的分析技术和方法，为船舶行业的发展做出贡献。

第４７卷２０１８年７月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀船海工程ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４７Ｊｕｌ.２０１８㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１８.Ｓ１.００６船用ＬＮＧ燃料罐强度与疲劳分析黄巧莺(中国船级社江苏分社ꎬ南京２１００１１)摘㊀要:以３ｍ３型ＬＮＧ燃料罐为研究对象ꎬ利用有限元方法对其进行强度评估ꎬ并基于算例ꎬ对模型的处理㊁载荷工况㊁燃料罐和支撑结构件的评定标准进行说明ꎮ以此为例阐述ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»对ＬＮＧ燃料罐强度和疲劳分析的相关要求ꎮ关键词:ＬＮＧ燃料罐ꎻ强度计算ꎻ疲劳分析中图分类号:Ｕ６６１.４㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１￣７９５３(２０１８)Ｓ１￣００２６￣０７收稿日期:２０１７－１１－２９修回日期:２０１７－１２－２９第一作者:黄巧莺(１９８７ )ꎬ女ꎬ硕士ꎬ工程师研究方向:轮机审图㊀㊀随着ＬＮＧ的广泛应用ꎬ一些压力容器制造企业开始加入ＬＮＧ燃料罐的生产制造中ꎮ其中ꎬ有些企业采用压力容器规则评估ＬＮＧ燃料罐的强度ꎬ而船用ＬＮＧ燃料罐为可移动压力容器ꎬ其模型处理方式和应力计算结果的评判标准与固定式压力容器的要求不尽相同ꎮ若完全照搬ＧＢ１５０㊁ＪＢ４７３２等固定式压力容器的标准ꎬ无法设计出满足ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»要求的燃料罐ꎬ因此ꎬ有必要就ＣＣＳ规范对ＬＮＧ燃料罐有限元计算的相关要求进行解释说明ꎮ以某３ｍ３型ＬＮＧ燃料罐为例ꎬ利用ＡＮＳＹＳ软件对罐子进行分析计算ꎬ为该型船用ＬＮＧ燃料罐的长期安全使用提供应力分析基础ꎬ并基于此算例ꎬ说明燃料罐结构强度分析的相关要求ꎬ如模型的处理㊁载荷工况㊁燃料罐及支撑结构件的衡准ꎬ为燃料罐的强度校核提供合理的处理模式ꎮ另外ꎬ在结构分析的基础上ꎬ对燃料罐疲劳分析的方法及关键问题进行探讨ꎬ指出疲劳分析中循环载荷㊁应力热点的评估方法ꎮ以此说明ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»对ＬＮＧ燃料罐强度和疲劳分析的相关要求ꎮ１㊀ＬＮＧ燃料罐简介ＬＮＧ燃料罐是燃料动力船舶的重点设备ꎬ其应用将越来越广ꎬ极低的罐内操作温度㊁储存介质的特性ꎬ造成其不同于一般的钢制燃料罐ꎮＬＮＧ燃料罐可以分为薄膜型㊁半薄膜型或Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ独立型气罐ꎮＣ型独立罐具有可耐压㊁自增压送液等优点ꎬ且其制造安装技术相对成熟ꎬ适用于中㊁小容量的ＬＮＧ储存ꎬ因此ꎬＣ型独立气罐在燃料动力船舶上应用最广ꎮＣ型独立燃料罐的结构见图１ꎬ其占用空间大ꎬ一般为菱形罐的１.５~２倍ꎮＣ型独立燃料罐通常按压力容器标准设计ꎬ其保温方式一般有纯真空㊁玻璃钢缠绕加真空及珍珠岩加真空等方式ꎮ其中玻璃钢支撑㊁双壁－真空的方式较为常见ꎬ其优点是Ｃ型双层壁可提供一定的冗余保护(如碰撞㊁内部管路泄漏等)ꎬ内罐热胀冷缩变形可由内部支撑吸收ꎮ其缺点是关键部位出现应力集中ꎬ图２为Ｃ型独立燃料罐出现应力集中的位置ꎮ以Ｃ型燃料罐为研究对象ꎬ对其结构强度及疲劳进行分析探讨ꎮ图１㊀Ｃ型独立ＬＮＧ燃料罐２㊀ＬＮＧ燃料罐结构强度分析２.１㊀有限元模型２.１.１㊀结构模型根据«天然气燃料动力船舶规范»要求ꎬ应使用有限元方法对燃料罐进行强度评估ꎮ模型的处６２图２㊀Ｃ型罐关键部位理㊁载荷工况㊁燃料舱支撑结构ꎬ应符合ＣＣＳ«散装运输液化气体船舶构造与设备规范»或«内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范»的相关要求ꎮ某３ｍ３型船用ＬＮＧ燃料罐为内㊁外圆筒体双层结构ꎬ内容器与外壳之间通过８组玻璃钢管件支撑ꎮ燃料罐体㊁支座㊁冷箱均为Ｓ３０４０８不锈钢材料ꎮ内容器与外壳之间的夹层填充绝热材料并抽真空ꎬ外壳通过支撑厚板与鞍座连接ꎮ为了保证计算结果的可靠性ꎬ根据该产品的主体结构㊁受载和约束等特点ꎬ按照设计图纸建立该燃料罐的整体有限元计算模型ꎬ见图３ꎮ燃料罐内外罐主体结构㊁罐体支座㊁支座加强腹板㊁冷箱以及内外加强圈等结构采用板壳单元来简化处理ꎻ垫板㊁内外壳体连接件与固定环采用三维实体单元模拟ꎮ图３㊀ＬＮＧ燃料罐有限元计算模型２.１.２㊀模型细节处理计算中需考虑内外罐体的连接和外罐体上冷箱的影响ꎮ内罐上的载荷通过玻璃钢管件支承面传到外罐罐体支撑结构上ꎬ因此在有限元建模中玻璃钢支撑管件与内外罐支撑结构间的连接应采用面－面接触来模拟ꎬ考虑在热载荷作用下内外罐之间可以相对滑动ꎬ建模时应将玻璃钢与加强板之间的接触设置为摩擦接触而非绑定关系ꎬ摩擦系数由材料的性质决定ꎮ对于玻璃钢与不锈钢的组合ꎬ摩擦系数选取０.３ꎮＬＮＧ燃料罐常见的玻璃钢支撑结构(装配关系)有两种方式ꎬ分别为滑动连接和固定连接ꎬ见图４㊁５ꎮ固定端增加的固定环限制了玻璃钢的相对滑动ꎬ在模拟中允许采用绑定的连接方式ꎬ此种设置可以适当减小计算时间ꎮ若冷箱直接焊接在燃料罐外罐体上ꎬ考虑冷箱内阀件㊁管路㊁换热器等设备重量较大ꎬ对于燃料罐特别是其连接处的影响不可忽略ꎬ在建模中需将冷箱与罐体模型作为整体模型考虑ꎮ为简化模型ꎬ建模过程中通常将冷箱㊁内部设备及管路的总重折算成冷箱的重量考虑ꎮ图４㊀燃料罐滑动端连接图５㊀燃料罐固定端连接２.１.３㊀网格划分建模后应对燃料罐进行网格划分ꎬ燃料罐的内外壳体㊁封头㊁鞍座均采用４节点ＳＨＥＬＬ１８１壳单元ꎬ内外壳体的连接件(包括垫板㊁固定环㊁内外壳体连接件)采用８节点六面体ＳＯＬＩＤ１８５单元ꎬ玻璃钢与卡环㊁垫板之间的接触采用ＴＡＲＧＥ１７０/ＣＯＮＴＡ１７４单元ꎬ整体模型网格划分见图６ꎮ为保证计算精度ꎬ要求壳单元至少设置３个积分点ꎻ对于体结构单元ꎬ要求在其厚度方向至７２少分３层ꎬ且网格长宽比控制在３倍之内ꎬ图７为内外罐体连接件的网格划分(厚度方向３层)ꎮ图６㊀燃料罐整体模型网格划分图７㊀玻璃钢网格划分网格划分的上述要求在一定程度上控制了网格的尺寸ꎬ保证了计算精度ꎮ２.１.４㊀边界条件的处理船用燃料罐在船上的布置是利用螺栓将燃料罐支座与船体基座连接在一起ꎮ燃料罐在各种工况下ꎬ主要依靠螺栓杆的抗剪强度及螺栓杆与孔壁间的挤压强度来支撑罐体的载荷ꎮ有限元计算中一般不考虑两组鞍座底板螺柱孔的结构细节ꎬ而是通过设置约束实现鞍座与船底板的固定ꎮ由于需要考虑热载荷的作用ꎬ在设计时通常将鞍座底板一端设计为长螺栓孔ꎮ为了模拟实际中的受力情况ꎬ有限元计计算中在罐体２个支座位置处施加约束ꎬ其中固定支座端节点的６个自由度设置为０ꎬ滑动支座端节点只允许在Ｚ方向存在位移(Ｚ方向为长螺栓孔方向)ꎬ而其他５个自由度均为０ꎮ２.２㊀设计工况及载荷２.２.１㊀ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»的要求ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»要求ꎬ燃料罐包括其支撑结构及其他固定装置在设计时ꎬ应考虑载荷的组合包括①应考虑燃料罐和绝热层的重量ꎻ②应考虑外部作用在燃料舱上的结构和设备的重力载荷ꎻ③内部压力ꎻ④外部压力ꎻ⑤热载荷ꎻ⑥振动ꎻ⑦相互作用载荷ꎻ⑧建造装配相关的载荷ꎻ⑨试验载荷ꎻ⑩静态横倾载荷ꎻ 液化气体燃料重量ꎻ 晃荡ꎻ 风载荷㊁布置在开敞甲板上燃料罐的波浪冲击载荷ꎻ船舶运动引起的载荷ꎮ在确定动载荷时ꎬ应考虑船舶在使用寿命期间在不规则海浪中船舶运动的长期分布ꎮ由于必要的减速和航向的变化ꎬ可考虑减小动载荷ꎮ预测船舶运动引起的加速度的方法应经ＣＣＳ认可ꎮ对于海船ꎬ各方向的加速度分量的取值可参照ＣＣＳ«散装运输液化气体船舶构造与设备规范»４.２８.２进行计算ꎮ对于内河船ꎬ有２种方法确定加速度ꎮ目前常用方法２确定运动引起的加速度:１)沿船长方向加速度:２ｇꎮ２)沿船宽方向加速度:１ｇꎮ３)垂直向上加速度:１ｇꎮ４)垂直向下加速度:２ｇ(含重力效应)ꎮ２.２.２㊀计算中各载荷的处理在工程计算中ꎬ认为规定的船舶运动引起的载荷可以覆盖风载荷以及船舶横倾等造成的影响ꎬ所以在有限元计算中ꎬ基于这一原则对燃料罐承受的载荷简化处理ꎬ简化后考虑的载荷主要有:外罐壳体承受的真空度ｐ１ꎬ内罐体介质压力ｐ２ꎬ内外罐罐体结构自重Ｇ(包括附件重量)ꎬ内容器充装的低温ＬＮＧ液体重量(即静压头)Ｇ１ꎬ以及考虑燃料罐在船舶航行过程运动引起的惯性力Ｆꎮ燃料罐的载荷加载方式:①外壳承受的真空度ｐ１ꎬ以均压方式加在外壳外表面ꎻ②内罐体介质压力ｐ内＝ｐ１＋ｐ２ꎬ以均压方式加在内容器内表面(内罐的外面是真空度为ｐ２的环境)ꎻ③内外罐结构自重Ｇ(包括附件重量)以惯性力的方式加载ꎻ④内容器充装的ＬＮＧ低温液体重量Ｇ１ꎬ以液体静压力的方式加在内罐体上ꎬ考虑高度差的影响ꎬ一般按梯度的加载方式加压ꎬ充装系数取０.９ꎻ⑤ＬＮＧ燃料罐在船舶航行过程中若干方向上的惯性力Ｆ以加速度的方式施加到整个模型ꎬ其内容器中的液体惯性力是以等效压力方式加在一侧封头或某一侧向投影面内壁上ꎮ充装物的等效压力按下式计算:ｐ＝０.９Ｖρｍｇ/Ａ(１)式中:ｐ为充装物等效压力ꎻ０.９为充装系数ꎻｍ为系数ꎬ对于２Ｇ工况取２ꎬ对于１Ｇ工况取１ꎻＶ为罐体容积ꎬ单位ｍ３ꎻρ为充装物密度ꎬ单位ｋｇ/ｍ３ꎻｇ为重力加速度ꎬ９.８１０ｍ/ｓ２ꎻＡ为投影面积ꎬｍｍ２ꎮ８２３㊀计算结果与评定选取一个工况的计算结果进行分析ꎮ在水平方向１Ｇ工况下ꎬ该型燃料罐计算结果见图８~１３ꎮ罐体㊁支座结构及冷箱输出结果为ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力ꎮ图８㊀整体ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力分布图９㊀内罐体表面应力分布图１０㊀外罐表面应力分布图１１㊀鞍座表面应力分布图１２㊀冷箱表面应力分布图１３㊀玻璃钢的剪切应力分布由于目前国内外的压力容器标准往往采用塑性设计方法ꎬ此类设计方法允许材料在厚度方向上部分进入塑性ꎬ进而应力在整个截面上重新分配ꎬ使得材料被更加充分的利用ꎬ即保证压力容器总体中面应力小于材料屈服强度ꎬ而允许局部表面进入塑性ꎮ这一理论体现在应力计算结果的校９２核工作上ꎬ就是保证中面应力小于材料的屈服强度ꎬ而表面应力的许用值超过材料屈服强度ꎬ因此在校核中可以将偏高的表面应力值平均到单元上处理ꎮ在结果评定时ꎬ选取ＶｏｎＭｉｓｅｓ作为评判标准ꎬ当ＶｏｎＭｉｓｅｓ小于材料的屈服强度时ꎬ认为罐体结构是可靠的ꎮ利用ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力分析燃料罐的结构强度ꎬ是因为ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力是一种等效应力ꎬ用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况ꎬ可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化ꎬ从而可以快速的确定模型中的危险区域ꎮ另外ꎬ考虑燃料罐所承受的载荷有多种类型ꎬ不同载荷在燃料罐中分布和所产生的应力也不同ꎬ其对容器失效的影响也就各不相同ꎬ所以对于罐体部分的强度考核也可以按照不同的应力对罐体强度失效所起作用的大小不同进行应力分类ꎮ在结果评定时ꎬ允许按照«ＪＢ４７３２钢制压力容器－分析设计标准»中的应力分类ꎬ并结合船用ＬＮＧ燃料罐产品的结构特点㊁受载特性和应力分布特征等ꎬ分离出: 一次总体薄膜应力 一次局部薄膜或一次弯曲应力 二次应力 等应力ꎬ分别进行应力评定ꎮ对于燃料罐的支撑附件ꎬ不能完全照搬压力容器评判标准ꎬ应直接按照«天然气燃料动力船舶规范»提供的标准进行判定ꎮ玻璃钢支撑附件ꎬ考虑玻璃钢在传递内罐体的载荷时ꎬ其相对运动可能造成剪切破坏ꎬ推荐利用剪切应力来衡量玻璃钢的强度ꎮ按照上述的评判规则ꎬ所选的燃料罐在水平方向１Ｇ工况下ꎬ内容器㊁外容器及冷箱的最大表面应力分别为１６３㊁６６和３８ＭＰａꎬ均小于材料的屈服强度ꎻ玻璃钢支撑件的剪切应力１３ＭＰａꎬ小于剪切强度ꎮ计算结果表明ꎬ该燃料罐产品主体结构在水平方向１Ｇ载荷工况下的应力小于各自的许用极限值ꎬ符合要求ꎮ若要判定罐体结构是可靠的ꎬ还需结合各工况的结果进行判定ꎬ由于篇幅所限ꎬ选取一个工况进行说明ꎮ４㊀ＬＮＧ燃料罐疲劳分析ＬＮＧ燃料罐疲劳强度是指燃料罐结构在一定的交变应力作用下经一定的循环周期不致损坏的能力ꎮ使用ＬＮＧ作为燃料的动力船舶在营运过程中ꎬ由于受到波浪的作用而产生往复运动和变形ꎮ固定安装在船体上的ＬＮＧ燃料罐随船舶运动而承受交变动载荷ꎬ存在疲劳破坏的风险ꎬ因此设计时应对其疲劳强度进行有效的风险评估ꎮ４.１㊀ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»的要求ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»要求应对燃料围护系统进行疲劳分析ꎬ分析时应考虑燃料围护系统预期寿命期间的所有疲劳载荷及适当组合ꎬ应对典型的充装情况进行考虑ꎮ进行疲劳分析时ꎬ疲劳载荷的累积效应符合:ðｎｉＮｉ＋ｎｌｏａｄｉｎｇＮｌｏａｄｉｎｇɤＣｗ(３)式中:ｎｉ为船舶的使用寿命期间每一应力水平的应力循环次数ꎻＮｉ为按照韦勒(Ｓ－Ｎ)曲线ꎬ相应的应力水平在达到断裂时的循环次数ꎻｎｌｏａｄｉｎｇ为燃料罐寿命周期内的装卸循环次数ꎬ一般取１０００ꎬ装卸循环包括一个完整的压力和热循环ꎻＮｌｏａｄｉｎｇ为由于装卸产生的疲劳载荷达到断裂时的循环次数ꎻＣｗ为最大允许累积疲劳损伤比ꎮ对于不能通过泄露探测到但能在营运检查时可靠探测到的失效ꎬＣｗ应小于或等于０.５ꎻ在燃料舱的特定位置ꎬ如不能确保有效地缺陷或裂纹扩展探测ꎬ应至少使用更严格的疲劳验收衡准ꎬ此时Ｃｗ应不大于０.１ꎮ４.２㊀循环载荷的处理ＬＮＧ燃料罐在使用过程中主要承受的循环载荷有:①充装和排空时的温度载荷ꎻ②充装和排空时的压力载荷ꎻ③船舶运动产生的惯性力载荷ꎮ针对内外壳之间通过一端固定一端滑动连接的ＬＮＧ燃料罐ꎬ考虑此类的结构形式可以有效降低热应力的大小ꎬ其充装和排空时的温度载荷造成的损伤可以忽略不计ꎬ因此ꎬ在疲劳强度计算过程中不考虑热循环载荷ꎻ充装和排空时的压力载荷主要有充装９０％的液体重量以及交变的工作压力载荷ꎬ交变压力载荷作用于内筒体上ꎮ根据ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»的要求ꎬ可移式ＬＮＧ燃料罐的设计寿命应不少于２０年ꎬ按照每周一次的充装次数ꎬＬＮＧ燃料罐２０年内的充液次数预计为１０４２次ꎬ考虑到设备的检修或泊港时间ꎬ实际计算中取充装次数为１０００次ꎮ船舶运动产生的惯性力载荷应按结构强度计算中的几种运动工况组合处理ꎬ疲劳计算中不同的组合工况见表１ꎮ为简化计算ꎬ在计算不同充装率２５％㊁５０％㊁０３表１㊀不同工况对应的施加载荷工况组合处理方式轴向前冲２ｇ减去前冲－２ｇ横向侧冲１ｇ减去侧冲－１ｇ竖向上冲１ｇ减去下冲－２ｇ装卸液体重量Ｇꎬ工作压力ｐ７５％㊁１００％４种工况的疲劳时ꎬ采用不同的应力折算率的方法计算应力ꎬ上述工况对应系数分别为０.４㊁０.６㊁０.８㊁１ꎮ系数折减的方法可以减少计算工况ꎬ减轻计算负担ꎮ但是该方法只适用于内河航行船燃料罐的疲劳分析ꎮ４.３㊀疲劳强度分析４.３.１㊀应力热点的选取确定循环载荷后ꎬ应通过直接计算对极限区域进行应力热点评估ꎮ根据ＣＣＳ«船体结构疲劳强度指南»给定的疲劳计算方法ꎬ确定疲劳累积损伤ꎮ重点分析的应力热点区域至少应包括内容器垫板焊缝边缘位置㊁内容器支撑位置㊁加强圈㊁外罐支撑垫板边缘位置㊁鞍座腹板中端或鞍座连接焊缝位置以及内外罐体与封头的连接位置ꎮ目前接受的简化选取方式是通过罐体部位㊁支座位置处的应力计算结果ꎬ确定最大主应力点作为应力热点ꎮ为扩大应力热点的样本ꎬ要判断最大主应力点是否在上述区域内ꎬ若不在ꎬ还需再在上述区域内选取相应的应力热点ꎬ保证疲劳计算的准确性ꎮ４.３.２㊀Ｓ－Ｎ曲线ＣＣＳ«船体结构疲劳强度指南»中Ｓ－Ｎ曲线(见图１４)由Ｂ㊁Ｃ㊁Ｄ㊁Ｅ㊁Ｆ㊁Ｆ２㊁Ｇ㊁Ｗ８根曲线组成ꎬ每根曲线表示某一类结构节点所受的交变应力范围值Ｓ与应力循环次数Ｎ的关系ꎬ可表示为ｌｇＮ＝ｌｇＫ－ｍｌｇＳ(４)式中:ｍ为Ｓ－Ｎ曲线的反斜率ꎬ取３或５ꎻＫ为Ｓ－Ｎ曲线参数ꎬ查表可得ꎮ图１４㊀Ｓ－Ｎ曲线燃料罐上的焊接结构节点选择Ｅ曲线ꎬ对于非焊接结构节点选择Ｃ曲线ꎮ４.３.３㊀累积疲劳损伤的校核计算ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»要求应基于ＬＮＧ燃料罐的设计寿命(但不低于次波浪遭遇)确定疲劳损伤ꎮ规范中提供的载荷谱见图１５ꎬ该简化载荷谱包含８个循环载荷水平ꎬ每个循环载荷ʃＰｉ及其对应的循环次数ｎｉ按下式计算:Ｐｉ＝１７－２ｉ１６ｐ０(５)式中:ｎｉ＝０.９ˑ１０ｉꎬｉ＝１ꎬ２ꎬ３ꎬ４ꎬ５ꎬ６ꎬ７ꎬ８ꎻｐ０为概率水平１０－８的载荷ꎮ图１５㊀长期分布载荷谱通过有限元计算确定了应力热点处的应力值后ꎬ根据参考应力所处的概率水平ꎬ即ｉ＝１ꎬ２ꎬ ꎬ９下每个载荷的应力值及循环次数ꎬ由式(５)可以得到应力范围内的长期分布ꎬ再根据相应的Ｓ－Ｎ曲线计算得到该应力幅值所对应的许用循环次数ꎬ由此可以求该应力水平下的损伤比ｎｉ/Ｎｉꎬ得到燃料罐的累积疲劳损伤ꎮＡｋ＝ðｉ＝８ｉ＝１ｎｉＮｉ(６)Ｂｋ＝ðｉ＝８ｉ＝１ｎｌｏａｄｉｎｇＮｌｏａｄｉｎｇ(７)ðｎｉＮｉ＋ｎｌｏａｄｉｎｇＮｌｏａｄｉｎｇ＝Ｃ０(８)㊀㊀每一加速度载荷工况的累计损伤度可以由式(６)计算ꎬ每一加速度工况总累积疲劳损伤为不同充装率损伤的和ꎬ这里需要考虑不同充装率所占时间比例ꎮ确定各加速度工况的疲劳损伤后ꎬ惯性力载荷下的总疲劳损伤为各个方向的损伤的总和ꎻ装卸工况下的累计疲劳损伤度直接按式(７)计算ꎮ按照式(８)ꎬ可以求出燃料罐某一结构热点上的总的疲劳损伤值ꎬ即总的疲劳损伤为惯性力载荷工况及装卸工况的损伤的总和ꎮ并由规范提供的方法 最大允许累积疲劳损伤比应小于１３或等于０.５ꎬ损伤后有泄漏风险ꎬ且无法进行有效检验的部位ꎬ应不大于０.１ 这一原则ꎬ判定疲劳强度是否满足要求ꎮ５㊀结论ＬＮＧ燃料罐是燃料动力船舶的重点设备ꎬ其安全性直接影响着船舶运行的经济性ꎬＬＮＧ燃料罐一旦发生事故后果不堪设想ꎮＬＮＧ燃料罐的结构失效和疲劳破坏是造成事故的主要原因之一ꎬ因此ꎬ对其结构强度和疲劳强度进行评估具有现实意义ꎮ本文以某１ＬＮＧ燃料罐为研究对象ꎬ对其结构强度进行有限元计算ꎬ基于此算例ꎬ提出了有限元模型㊁载荷工况㊁边界条件处理的相关要求ꎬ并对计算过程中的相关问题进行深入探讨ꎬ为ＬＮＧ燃料罐的强度校核提供了合理的处理模式ꎮ其次ꎬ在结构强度分析的基础上ꎬ对ＬＮＧ燃料罐疲劳强度分析中的方法及关键问题进行了说明ꎬ如循环载荷的处理㊁应力热点的选取以及结果的评定方法ꎮ以此为例说明ＣＣＳ«天然气燃料动力船舶规范»对燃料罐的结构强度和疲劳分析的相关要求ꎬ为工程设计研究人员提供参考ꎮ参考文献[１]中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[Ｓ].北京:人民交通出版社ꎬ２０１７.[２]金全洲.ＬＮＧ燃料动力船燃料罐疲劳问题[Ｊ].中国船级社伙伴杂志ꎬ２０１４(９):１６￣１８.[３]金全洲.ＬＮＧ燃料船储气罐疲劳强度计算[Ｊ].船海工程ꎬ２０１３ꎬ３５(增刊):３６￣３９.[４]罗晓钟.ＬＮＧ储罐发展现状及船用适用性[Ｊ].辽宁化工ꎬ２０１４ꎬ４３(１):６８￣６９.[５]张明峰.简述船用ＬＮＧ发展现状[Ｊ].能源研究与管理ꎬ２０１３(３):１６－１９.[６]杨建江等.ＬＮＧ储罐有限元静动力分析方法的探讨[Ｊ].特种结构ꎬ２０１１ꎬ２８(６):７１￣７５.[７]中国船级社.船体结构疲劳强度指南[Ｓ].北京:人民交通出版社ꎬ２００７.ＦａｔｉｇｕｅａｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＭａｒｉｎｅＬＮＧＦｕｅｌＴａｎｋＨＵＡＮＧＱｉａｏ￣ｙｉｎｇ(ＪｉａｎｇｓｕＢｒａｎｃｈｏｆＣｈｉｎａＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｏｃｉｅｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ３ｍ３ｔｙｐｅＬＮＧｆｕｅｌｔａｎｋｗａｓａｓｓｅｓｓｅｄｂｙＦＥＭｍｅｔｈｏｄ.ＴｈｅｍｏｄｅｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓꎬｌｏａｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｔｈｅＬＮＧｆｕｅｌｔａｎｋａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｂｏｕｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｘａｍｐｌｅ.ＴｈｅｎｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎＣＣＳＲｕｌｅｓｆｏｒＮａｔｕｒａｌＧａｓＦｕｅｌｌｅｄＳｈｉｐｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅＬＮＧｆｕｅｌｔａｎｋｗｅｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＬＮＧ￣ｆｕｅｌｔａｎｋꎻｓｔｒｅｎｇｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔꎻｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓ(上接第２５页)ＡＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｏｆＡｉｒＰｉｐｅｓｏｎｔｈｅＥｘｐｏｓｅｄＦｏｒｅＤｅｃｋＤＩＮＧＷｅｉ１ꎬＷＡＮＧＣｈｅｎ２ꎬＳＨＩＦａｎｇ￣ｌｅｉ３(１.ＪｉａｎｇｓｕＢｒａｎｃｈｏｆＣｈｉｎａＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｏｃｉｅｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１１ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｈｅｎｇｘｉＳｈｉｐｙａｒｄＣｏ.ＬｔｄꎬＪｉａｎｇｙｉｎＪｉａｎｇｓｕ２１４４００ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｈｕｄｏｎｇ￣ＺｈｏｎｇｈｕａＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ(Ｇｒｏｕｐ)Ｃｏ.ＬｔｄꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００１２０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｉｒｐｉｐｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｌｏｓｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｎｔｈｅｅｘｐｏｓｅｄｆｏｒｅｄｅｃｋｍａｙｂｅｌａｓｈｅｄａｇａｉｎｓｔｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓｂｙｗｉｎｄａｎｄｗａｖｅꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｐｉｐｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｌｏｓｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｈａｄｂｅｅｎｉｓｓｕｅｄｂｙＩＡＣＳＵＲＳ２７ａｎｄｅａｃｈｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｃｉｅｔｙ.Ａｓｔｒｅｎｇｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆａｉｒｐｉｐｅｓａｎｄｃｌｏｓｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｎｔｈｅｅｘｐｏｓｅｄｆｏｒｅｄｅｃｋｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅａｉｒｐｉｐｅｓｏｎｅｘｐｏｓｅｄｆｏｒｅｄｅｃｋｗａｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｏａｓｔｏｆｉｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｅｖｉｃｅｓｏｎｔｈｅｅｘｐｏｓｅｄｆｏｒｅｄｅｃｋꎻａｉｒｐｉｐｅꎻｓｔｒｅｎｇｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔꎻＵＲＳ２７２３。

船舶结构强度与疲劳强度的计算技术研究船舶结构的强度与疲劳强度一直是船舶设计与建造领域的重点研究方向之一。

随着船舶尺寸不断增大、载重量不断增加、作业环境不断恶化，船舶在航行中所受到的振动载荷和外部环境的复杂作用也在增加，船舶结构的强度与疲劳强度分析就显得更加重要。

本文将对船舶结构强度与疲劳强度的计算技术进行研究，探讨其在船舶设计与建造中的应用。

一、船舶结构强度计算技术研究船舶结构强度计算技术是指根据船舶结构的设计要求和工作条件，对船舶结构进行强度分析和计算，并确保船舶结构在各种加载条件下均能满足安全使用要求的技术方法。

船舶结构强度计算技术主要包括静态强度计算和动态强度计算两部分。

1.1 静态强度计算静态强度计算是指在船舶静止状态下，根据船舶的结构特点和受力情况，采用理论分析、有限元分析等方法，计算船舶结构在各种静态工况下的受力和变形情况，从而确定船舶结构的受力状态和强度等级。

静态强度计算主要包括船体强度、船舶上层建筑强度、船舶底部结构强度等方面。

静态强度计算的关键是确定船舶的受力状态和受力分布，采用合适的受力模型和数值模拟方法进行计算分析。

2.1 疲劳载荷分析疲劳载荷分析是指根据船舶的航行和作业工况，对船舶受到的振动载荷和外部环境的作用进行分析和计算，确定船舶结构在不同工况下的疲劳载荷和疲劳循环数。

疲劳载荷分析的关键是确定船舶在不同工况下的振动载荷和外部环境作用，采用合适的振动模型和数值模拟方法进行计算分析。

2.3 疲劳强度评估疲劳强度评估是指根据疲劳寿命预测结果，对船舶结构的疲劳强度进行评估和计算，确定船舶结构在使用寿命内的疲劳安全性。

疲劳强度评估的关键是根据船舶结构在不同工况下的疲劳载荷和疲劳寿命预测结果，采用合适的评估方法和标准进行计算分析。

三、船舶结构强度与疲劳强度计算技术的应用船舶结构强度与疲劳强度计算技术在船舶设计与建造中具有重要的应用价值。

它可以确保船舶结构在静态和动态工况下的受力和振动情况符合设计要求，保证船舶结构的安全性和稳定性。

大型液化天然气船船体极限强度研究第14卷第1-2期船舶力学Vol.14No.1-2 2010年2月Journal of Ship Mechanics Feb.2010文章编号：1007-7294（2010）01-0066-08大型液化天然气船船体极限强度研究祁恩荣1，张晓杰2，滕蓓2，陈小平1，蒋彩霞1（1中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2江苏科技大学，江苏镇江212003）摘要：船体极限强度是大型液化天然气（LNG）船海洋环境适应能力的显示指标，而薄膜型LNG船的船体结构具有大舱容和较强的箱形凸起甲板等特点。

为了精确评估大型LNG船的船体极限承载能力，文中采用具有代表性的解析方法、简化方法、理想结构单元法和非线性有限元法进行比较研究。

首先介绍了上述方法的基本原理和计算步骤。

然后以大型LNG船的船中肋骨间结构为研究对象建立了精细的计算模型，并对计算结果进行了比较分析。

最后，按法国船级社规范要求对大型LNG船极限强度进行了校核。

研究结果表明，文中给出的计算方法适合于大型LNG船的船体极限强度评估，而凸起的箱形甲板显著提高了大型LNG船中垂和中拱极限弯矩比值。

关键词：LNG船；极限强度；解析方法；简化方法；理想结构单元法；非线性有限元法中图分类号：U661.43文献标识码：AStudy of ultimate hull girder strength oflarge liquefied natural gas carriersQI En-rong1,ZHANG Xiao-jie2,TENG Bei2,CHEN Xiao-ping1,JIANG Cai-xia1(1China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China;2Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang212003,China)Abstract：Ultimate hull girder strength is an explicit index ofthe seaworthiness of large liquefied natural gas(LNG)carriers.The compartment volume of the membrane LNG carriers is large and the trunk deck is strong.In order to accurately evaluate the load capacity of large LNG carriers,comparative study was con-ducted using representative analytic method,simplified method,idealized structural unit method and non-linear finite element method.The basic principle and calculation program of the above methods were out-lined.Fine models of inter-frame structures of amidships of a large LNG carrier were established and cal-culation results were analyzed.The ultimate strength of the LNG carrier was also checked according to BV rules.Study results show that the above methods are suitable for evaluating ultimate hull girder strength of large LNG carriers and the ratio of ultimate sagging moment to ultimate hogging moment is remarkably el-evated due to the strong trunk deck.Key words:LNG carrier;ultimate strength;analytic method;simplified method;idealized structural unit method;nonlinear finite element method1引言船舶在航运过程中不可避免地会遭遇恶劣海况，由风、浪和流引起的极值环境载荷可能超过船体收稿日期：2009-08-31基金项目：工信部十一五高新技术船舶科研计划项目—大型液化天然气船工程开发科研项目基础技术研究（Z107）作者简介：祁恩荣（1965-），男，博士，中国船舶科学研究中心研究员。

第４７卷㊀第３期２０１８年６月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀船海工程ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４７㊀Ｎｏ.３Ｊｕｎ.２０１８㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１８.０３.００６小型薄膜ＬＮＧ运输船总体设计分析周春锋ꎬ刘波ꎬ赵华荣(湖北海洋工程装备研究院有限公司ꎬ武汉４３００４３)摘㊀要:以１６５００ｍ３ＬＮＧ运输船为例ꎬ探讨小型薄膜ＬＮＧ运输船总体设计关键技术ꎬ在分析小型ＬＮＧ运输船市场需求和薄膜型液货维护系统特点的基础上ꎬ讨论１６５００ｍ３ＬＮＧ运输船主尺度选择和型线设计㊁液货维护系统设计㊁总布置设计和动力系统设计等关键技术ꎬ提出设计方案ꎮ关键词:ＬＮＧ运输船ꎻ薄膜ꎻ主尺度ꎻ动力系统中图分类号:Ｕ６６２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１￣７９５３(２０１８)０３￣００２８￣０４收稿日期:２０１７－０９－２５修回日期:２０１７－１０－１２第一作者:周春锋(１９８２ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师研究方向:船舶与海洋结构物设计制造㊀㊀目前ꎬ国内市场上已出现１４０００㊁２８０００㊁３００００ｍ３等规模的小型ＬＮＧ运输船ꎬ均采用Ｃ型舱ꎮ近年来ꎬ薄膜型液货维护系统已经成为新造大型ＬＮＧ运输船的主流技术ꎬ且在国外已有小型ＬＮＧ船舶成功应用的案例ꎬ而国内尚无小型薄膜ＬＮＧ运输船的实船应用ꎮ为此ꎬ考虑结合薄膜型液货维护系统的结构型式和特点ꎬ探讨小型薄膜ＬＮＧ运输船主尺度选择㊁型线设计㊁液货舱设计㊁双燃料动力系统设计等总体设计技术ꎬ为此类船舶设计提供参考ꎮ１㊀薄膜型液货维护系统基本型式薄膜型液货维护系统是法国ＧＴＴ公司的专利技术ꎬ早在１９６４年ꎬ即成功应用于实船上ꎮ迄今为止ꎬ该专利技术已成功应用于４００余艘大型ＬＮＧ运输船ꎬ在大型ＬＮＧ运输船船市场占有率超过８０％ꎬ是大型ＬＮＧ运输船上应用最多的液货维护系统ꎮＧＴＴ的薄膜型液货维护系统主要包括ＮＯ９６型和ＭＫⅢ型两种基本型式ꎬ并衍生出相关改进型ꎬ如ＮＯ９６ＧＷ㊁ＮＯ９６Ｌ０３㊁ＮＯ９６Ｌ０３＋㊁ＮＯ９６ＭＡＸ㊁ＭＫⅢＦｌｅｘ等[１]ꎮＮＯ９６货物维护系统由液货舱的１０个面构成ꎮ每个面由主次两层屏蔽层构成ꎬ每个屏蔽层都由殷瓦合金薄膜及填充有珍珠岩或刚性绝缘的绝缘箱组成ꎬ见图１ꎮ液货舱两个面交界处由殷图１㊀ＮＯ９６货物维护系统主次屏蔽层构成瓦管或复合梁连接ꎬ三个面的交界处由三面体连接ꎮ每个液货舱的屏蔽层使用了殷瓦板㊁不锈钢板条㊁绝缘箱㊁三面体㊁殷瓦管㊁刚性和柔性绝缘材料㊁连接螺栓㊁温度感应器等零件组成ꎮＭＫⅢ型货物维护系统(见图２)主屏蔽为带有纵横方向槽型的１.２ｍｍ不锈钢板(３０４Ｌ)ꎬ次屏蔽为两层玻璃纤维布及一层铝箔的三合一片材ꎬ其典型结构见图２ꎮ图２㊀ＭＫⅢ型货物维护主次屏蔽层构成为保证液货舱安全ꎬ传统大型薄膜ＬＮＧ船对货舱的装载液位高度有严格的限制ꎬＬＮＧ装载的上限不低于货舱净高Ｈ的７０％ꎬ装载的下限不高于货舱净高Ｈ的１０％ꎮ而对于小型薄膜ＬＮＧ运输船ꎬ随着技术不断改进ꎬ为适应更灵活的营运需８２求ꎬ则不存在此限制条件ꎮ２㊀总体设计以１６５００ｍ３薄膜型ＬＮＧ运输船为研究对象ꎮ该型ＬＮＧ运输船在国内沿海㊁沿江以及东南亚等地区均有良好的市场需求ꎮ目前市场上小型薄膜ＬＮＧ运输船数量非常有限ꎬ缺乏相应的统计数据ꎬ因此ꎬ其主尺度的确定要以主要参数选择的基本原则为基础ꎬ综合考虑航速㊁机器布置㊁液货舱设计㊁码头尺度㊁吃水限制㊁规范要求等多方面限制条件ꎬ制定满足要求的设计方案ꎮ对薄膜型ＬＮＧ运输船来说ꎬＬＮＧ液货舱设计是核心工作ꎮＬＮＧ货舱数量㊁尺度的确定除了考虑液货舱本身的设计要素外ꎬ还需要结合船舶布置㊁型线设计㊁分舱及破舱稳性等多种因素综合考虑ꎮ在设计中既要满足ＩＧＣ规则对货舱位置的要求ꎬ又要符合ＧＴＴ许可文件的限制条件ꎮ本船要求液货舱舱容为１６５００ｍ３ꎬ考虑布置２个相同尺寸的液货舱ꎬ以获得舱容最大化并简化舱型设计和建造ꎬ单个液货舱舱容为８２５０ｍ３ꎮ对于薄膜型液货舱而言ꎬ较大的型宽可以有效减小液货舱长度和深度ꎬ从而减小液货舱所承受的载荷ꎮ确定船舶型深时ꎬ除满足液货舱设计要求外ꎬ还要与ＬＮＧ装卸站的设计结合起来ꎬ统筹考虑ꎮ根据中国船级社«散装运输液化气体船舶构造与设备规范»(简称«ＩＧＣ规则»)对ＬＮＧ运输船破损假定和液货舱位置的要求ꎬ液货舱在舷内位置应在中心线上距船底板型线不小于规定的垂向破损范围内(Ｂ/１５或２ｍꎬ取小者)ꎬ其余任何部位都应不小于 ｄ (本船ｄ＝１.１３ｍ)[２]ꎬ船舶的型宽和型深选取时要予以考虑ꎮ为满足液货舱设计要求ꎬ本船的方形系数要达到０.７８以上ꎬ需结合排水量㊁船长㊁船宽及快速性要求等综合考虑ꎮ在选择尺度时还要考虑是否对船长㊁吃水㊁净空高(桅顶距水线距离)等有特殊的限制要求ꎮ综合考虑各种因素后ꎬ确定本船主尺度为垂线间长Ｌｐｐ＝１２６.０ｍꎻ型宽Ｂ＝２８.０ｍꎻ型深Ｄ＝１１.７ｍꎻ设计吃水Ｔｄ＝４.９ｍꎮ一般来说ꎬ与采用Ｃ型液货舱的小型ＬＮＧ船舶相比ꎬ小型薄膜ＬＮＧ运输船船长更短ꎬ型宽㊁方形系数更大ꎬ吃水要小ꎮ薄膜型ＬＮＧ船线型受到货舱形状的约束ꎬ被称之为 带型值控制点 的线型ꎮ本船由于营运要求ꎬ吃水较小ꎬ船宽吃水比达到５.７ꎬ为浅吃水船舶ꎬ故采用双桨推进[３￣４]ꎮ在充分考虑了货舱区前后端壁处的线型约束条件的前提下ꎬ结合肥大型浅吃水船型的特点ꎬ后体设计成双内旋鳍艉线型(见图３)ꎮ双内旋鳍艉线型非常适用于浅吃水环境ꎬ其明显的优势是可以采用大径深比螺旋桨(经模型试验验证径深比可达１.２)ꎬ在吃水受限的情况下ꎬ可以有效增大螺旋桨直径ꎬ从而提高推进效率ꎬ尤其适合具有单向运输特点的ＬＮＧ运输船在空放状态的营运ꎮ图３㊀１６５００ｍ３ＬＮＧ运输船艉部线型由ＬＮＧ运输船的特点可知ꎬ其在卸货前后ꎬ吃水变化较大ꎬ在空放状态时ꎬ为保证足够的螺旋桨吃水ꎬ满足操纵性要求ꎬ常常需要大量的压载水ꎬ而采用本船型ꎬ可以在空放状态下减少甚至取消压载水ꎬ仍能满足螺旋桨浸没要求ꎮ经过型线ＣＦＤ优化ꎬ快速性水池试验表明ꎬ本船设计航速达到了１４.０ｋｎꎬ满足设计要求ꎮ由于采用双内旋鳍尾ꎬ在卸载货物后ꎬ船舶平均吃水比采用常规船型(轴支架)少１ｍ左右ꎬ即可以减少压载水约２８００ｔꎬ航速为１４ｋｎ时ꎬ可以节能约９.７％ꎬ节能效果明显ꎬ见表１ꎮ表１㊀２种船型方案空放状态对比船型方案平均吃水/ｍ排水量/ｔ螺旋桨收到功率/ｋＷ双内旋鳍艉２.６６９６０.８３０６８.７轴支架艉型３.６９８３３.３３３６６.２２.１㊀液货维护系统设计本船采用ＭＫⅢＦｌｅｘ型围护系统ꎮ液货舱横剖面的各条边尺寸是相互关联的ꎬ任何一条边的尺寸变化都会对其他边的尺寸产生９２影响ꎮ选择各条边的尺寸时要考虑到槽型３０４Ｌ不锈钢的标准尺寸(３ｍˑ１ｍ)ꎬ尽量选择标准尺寸的整数倍ꎬ以简化建造和采购ꎬ当然根据设计需要也可以采用非整数倍标准尺寸ꎮＭＫⅢＦｌｅｘ绝缘系统基本尺寸和详细尺寸见表２㊁３和图４ꎮ表２㊀ＭＫⅢＦｌｅｘ绝缘系统基本尺寸ｍｍ船体内壳平均厚度１７.５平均树脂条厚度１２.５主屏蔽厚度１００次屏蔽厚度３００绝缘层总厚度４００表３㊀ＭＫⅢＦｌｅｘ绝缘系统详细尺寸船体内壳板尺寸/ｍ￣理论面ＬＨＢ１Ｂ２Ｃ１ｂ㊁Ｃ１ｈ㊁Ｃ２３６.５６０１１.０６０１２.５００１２.５００２.７６１船体内壳板尺寸/ｍ￣结构面３６.５２５１１.０２５１２.４８３１２.４８３２.７５１次屏蔽尺寸/ｍ３５.９００１０.４００１２.１７０１２.１７０２.５６８主屏蔽尺寸/ｍ３５.７００１０.２００１２.０７０２.５０９２.５０９图４㊀ＭＫⅢＦｌｅｘ绝缘系统尺寸㊀㊀计算得到本设计方案蒸发率为０.１８５％ꎮ蒸发率的确定为主机选型和航速确定提供了基础ꎮ２.２㊀推进系统设计对于薄膜型ＬＮＧ运输船ꎬ由于其液货舱不能承压ꎬ其蒸发气一般要供给主机㊁辅机作为燃料ꎬ以保持液货舱始终在安全压力以下ꎬ因此ꎬ本船推进系统的设计还要特别考虑处理航行中产生的蒸发气ꎬ使得动力装置的选配更加复杂ꎮ如何在航速㊁主机选型及蒸发气量之间取得平衡ꎬ是衡量薄膜型ＬＮＧ运输船动力系统成功与否的关键[５]ꎮＬＮＧ运输船一般都采用双燃料主机ꎬ既能保证正常营运情况下的蒸发气有效利用ꎬ也可为ＬＮＧ船在特殊情况下的安全营运提供更多的安全保障ꎮ从实际使用情况来看ꎬ市场上使用最多的双燃料主机主要为ＭＡＮ和瓦锡兰公司的产品ꎬ而ＭＡＮ公司主要为低速双燃料主机ꎬ在大型ＬＮＧ运输船上使用广泛ꎻ但其中速机功率覆盖范围非常小ꎬ可选型号有限ꎬ应用较少ꎮ而瓦锡兰公司的中速和高速的双燃料主机功率覆盖范围非常广ꎬ可选型号多ꎬ在小ＬＮＧ运输船上应用广泛ꎻ其低速机目前也逐步应用于大型ＬＮＧ运输船上ꎮ根据本船的航速和主机功率范围要求ꎬ选择瓦锡兰公司的双燃料主机ꎮ不同推进方案比较见表４ꎮ表４㊀不同推进方案比较对比项方案１２３主机发电机型号６Ｌ３４ＤＦˑ２９Ｌ２０ＤＦˑ２８Ｌ２０ＤＦˑ３额定功率/ｋＷ３０００１６６５１４８０额定转速/(ｒ ｍｉｎ－１)７５０１２００１２００单位耗气量/[ｇ (ｋＷｈ)－１]１４４１５７１５４天然气消耗量/(ｔ ｄ－１)①２１.１１４.４１４.２天然气蒸发量/(ｔ ｄ－１)１３.８１３.８１３.９服务航速/ｋｎ③１３.５１１.２１１.５总耗气量/ｔ①１９５.４１６０.７１５１.６㊀注:①辅机暂按１０００ｋＷ计算ꎬ续航力按３０００ｎｍｉｌｅ计算ꎻ②计算工况为８５％ＭＣＲꎬ１５％ＳＭꎻ③方案３为推进电机直接推进ꎬ采用三台发电机组８Ｌ２０ＤＦˑ３ꎬ在航行中为推进电机供电并提供全船日常用电ꎮ１)方案１采用中速机ꎬ由于转速不受限制ꎬ螺旋桨桨径较大ꎬ推进效率较高ꎬ航速较高ꎬ但是主机功率较大ꎬ单次航程主机总的耗气量远大于天然气蒸发量ꎬ且总量最多ꎬ即ＬＮＧ货损最多ꎮ２)方案２和方案３航速较低ꎬ但耗气量与其自然蒸发量基本平衡ꎬ基本不需额外强制蒸发ꎬ单个航程耗气量较少ꎬ即ＬＮＧ货损较少ꎮ３)由于方案２为高速机直接推进ꎬ螺旋桨转速高ꎬ桨径受限ꎬ故其推进效率较方案３低ꎻ方案３为推进电机直接推进ꎬ螺旋桨转速不受限制ꎬ推进效率较高ꎬ但其整个动力系统比方案２稍复杂ꎮ初步确定本船推进系统采用方案１ꎬ采用双机双桨直接推进方案ꎮ其推进系统原理图见图５ꎮ图５㊀推进系统原理２.３㊀总布置设计ＬＮＧ船被用于海上远程运输液态天然气ꎬ其０３具有货品单一㊁航线固定㊁建造成本大㊁运输风险高等特点ꎬ故在ＬＮＧ船布置过程中ꎬ保证船舶及人员安全是首要任务ꎮ本船为双桨双舵㊁双燃料主机直接推进㊁无限航区的ＬＮＧ船舶ꎮ设倾斜首柱带球鼻㊁内旋鳍尾㊁半悬挂舵ꎻ中部为ＬＮＧ液货舱ꎻ机舱㊁起居处所和驾驶室布置在艉部[６]ꎮ主船体被水密横舱壁划分为艏尖舱㊁艏部燃油舱㊁液货舱㊁机舱和艉尖舱ꎮ艏尖舱为压载水舱ꎮ除此之外ꎬ在艏部另设有一对艏压载深舱和一对艏部燃油深舱ꎮ货舱区分为２个液货舱ꎬ货舱之间以及货舱与艏部燃油舱和机舱之间都设有隔离空舱ꎬ为了确保舱壁温度不低于５ħ以及便于设备布置和人员进出ꎬ隔离空舱内设有加热系统ꎮ货舱区双底双壳作为压载水舱ꎮ专用电机室和货物压缩机室布置在货舱区露天甲板的后部ꎮ生活楼布置在尾部的机舱之上ꎬ由于干舷大㊁带有凸形甲板㊁浅吃水等特点ꎬ本船设有４层甲板ꎬ以满足舱室布置需要ꎬ并兼顾驾驶室视线要求和船舶过桥时净空高的要求ꎮ２.４㊀船舶稳性校核ＬＮＧ运输船完整稳性和破舱稳性需满足«ＩＧＣ规则»的要求ꎮ根据规范要求ꎬ对以下典型运营工况进行了完整稳性校核ꎮ典型计算工况如下ꎮ１)空船工况ꎮ２)进坞工况ꎮ３)常用压载工况ꎬ出港和到港ꎮ４)设计吃水工况ꎬ货舱满载状态(ＬＮＧ密度取０.４６ｔ/ｍ３)ꎬ出港和到港(部分引燃油)ꎮ５)结构吃水工况ꎬ货舱满载状态(ＬＮＧ密度取０.５０ｔ/ｍ３)ꎬ最大油㊁水装载ꎬ出港和到港ꎮ６)任一货舱空舱工况ꎬ出港和到港ꎮ对于船舶破舱稳性ꎬ按照ＩＧＣ规则要求假定在其船长范围内的任何部位任一舱壁均能经受破损ꎬ但不包括邻接于尾机型机舱边界壁ꎻ结合典型运营工况ꎬ计算其破损生存能力ꎻ计算结果均满足规范要求ꎮ３㊀结论ＬＮＧ液货舱是船舶设计的关键点ꎬ在设计中既要满足«ＩＧＣ规则»对货舱位置的要求ꎬ又要符合ＧＴＴ许可文件的限制条件ꎮ同时还要结合船舶快速性㊁耐波性㊁分舱及稳性要求等综合考虑设计对船舶主尺度的决定性影响ꎮ小型薄膜ＬＮＧ运输船推进方案的选择要综合评估ꎬ除了要满足主机功率㊁航速与天然气蒸发量之间的平衡外ꎬ还要结合船东对货损㊁航速㊁初始投资㊁推进系统维护等的要求综合考虑ꎮ参考文献[１]李波ꎬ姜得志ꎬ田天ꎬ等.大型薄膜型ＬＮＧ船总体设计研究[Ｊ].中国造船ꎬ２０１５(１):１６１￣１６５. [２]中国船级社.散装运输液化气体船舶构造和设备规范[Ｓ].北京:人民交通出版社ꎬ２０１６. [３]宋吉卫.大型ＬＮＧ船船型设计研究[Ｊ].中国造船ꎬ２０１２(４):１６４￣１７０.[４]宋吉卫ꎬ陈红梅.２２万ｍ３ＬＮＧ船双尾鳍线型设计研究[Ｊ].船舶ꎬ２０１１(６):９￣１３.[５]何金平.中小型ＬＮＧ运输船推进系统选型分析[Ｊ].船海工程ꎬ２０１４(５):１４２￣１４４.[６]时光志ꎬ张志军.某液化天然气运输船总布置优化研究[Ｊ].船海工程ꎬ２０１４(５):１５５￣１６０.ＧｅｎｅｒａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＳｍａｌｌＭｅｍｂｒａｎｅＬＮＧＣａｒｒｉｅｒｓＺＨＯＵＣｈｕｎ￣ｆｅｎｇꎬＬＩＵＢｏꎬＺＨＡＯＨｕａ￣ｒｏｎｇ(ＣｈｉｎｅｓｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｒｉｎｅ＆ＯｆｆｓｈｏｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＨｕｂｅｉＣｏ.Ｌｔｄ.ꎬＷｕｈａｎ４３００６３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅ１６５００ｍ３ＬＮＧｃａｒｒｉｅｒｗａｓｔａｋｅｎａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｔｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓｉｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｍｅｍｂｒａｎｅＬＮＧｃａｒｒｉｅｒｓ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｍａｌｌＬＮＧｃａｒｒｉｅｒｄｅｍａｎｄａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎬｍａｉｎｐａｒｔｉｃｕ￣ｌａｒｓｄｅｃｉｓｉｏｎꎬｌｉｎｅｄｅｓｉｇｎꎬｄｅｓｉｇｎｏｆｃａｒｇｏｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎬｇｅｎｅｒａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｆｏｒ１６ꎬ５００ｍ３ｍｅｍｂｒａｎｅＬＮＧｃａｒｒｉｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＬＮＧｃａｒｒｉｅｒꎻｍｅｍｂｒａｎｅꎻｍａｉｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎꎻｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ１３。

船舶结构强度与疲劳强度的计算技术研究作者：周启学任晋宇来源：《山东工业技术》2019年第23期摘要：船舶在水上行进的过程中，所受到的力是非常复杂的，由于水流的冲击和船体的重力以及所受的浮力之间的作用，想要计算船舶的结构强度和疲劳强度是非常困难的，所以在船舶的结构强度计算中，一般是采取極限强度计算法和总纵强度计算法。

船舶的疲劳强度的计算所面对的因素更多，所以，采取船舶疲劳强度的校核，以及对疲劳强度的寿命评估，是比较系统的计算方式。

本文浅谈船舶结构强度与疲劳强度的计算技术。

关键词：船舶结构强度;疲劳强度;计算技术DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.23.033随着人们社会的进步，对海洋的探索近乎无止境，所以各类船舶公司的规模不断扩大，相对应的传播修理公司也随之增加，所面临的船舶修理任务也越来越多。

在这种情况下，由于出现的各类问题中，如果采取不当的修理方式，反而会进一步降低船舶抵抗风险的能力，甚至适得其反。

因此，研究船舶结构的结构强度和疲劳强度，并进行计算分析，然后和船舶的修理工程相结合，从而提高船舶的修理质量，保证船舶结构的安全性。

1 船舶结构强度船舶的结构力学从本质上来说，就是船体在水中航行的受力甚至变形的情况，而这些在船体的设计过程中，就会对船舶的强度进行计算，通过在对船体结构已经确定的情况下，给定外界传输的荷载，然后进行计算船体的结构强度。

为了能够便于计算，需要将船舶的结构简化，并且控制船舶外界所受到的荷载力，从而利用船舶的理论知识来计算船体在水流行进中应力、变形的强度计算。

2 船舶的结构强度分析与计算船舶的结构强度计算和设计建造时的强度计算是一致的，而在船舶的修理中，这些结构仍然是不变的，哪怕是立法和能量法，位移法和矩阵法，都是不曾改变的。

所以在这和过程中可以采取一种结构来进行计算。

2.1 力学求解这是船舶结构中比较基础，也是比较常用的方法之一，原理就是将不能够将控制的因素去除，形成稳定性的静定结构，如此一来，就能够得到想要的方程式，由于去掉不确定因素后，多出现的变形方程式和元老结构的方程式基本相同。

LNG船液舱围护系统安装平台结构强度计算分析一、引言LNG船是一种专门用于运输液化天然气（LNG）的船舶，其设计和建造需要考虑各种因素，特别是液舱围护系统的安装平台结构强度。

液舱围护系统是保护LNG储罐不受外部影响破损的重要组成部分，因此其安装平台结构的强度计算分析至关重要。

本文将对LNG船液舱围护系统安装平台结构的强度进行详细的计算分析，以确保其能够满足航行和运输操作的需求。

二、安装平台结构的设计要求在设计LNG船液舱围护系统安装平台结构时，需要考虑以下几个主要因素：1.承载能力：安装平台结构需要具有足够的承载能力，以承受液舱围护系统的重量和受力。

同时，还需要考虑船舶在航行中的各种载荷，如波浪、风力等。

2.抗震性能：安装平台结构需要具有足够的抗震性能，以应对地震等外部振动力的作用。

3.稳定性：安装平台结构需要具有良好的稳定性，以确保在海上航行中不会产生倾覆或位移的情况。

4.耐久性：考虑到LNG船的使用寿命较长，安装平台结构需要具有足够的耐久性，以确保其长时间的使用。

基于以上设计要求，我们将对LNG船液舱围护系统安装平台结构的强度进行详细的计算和分析。

1.承载能力计算首先，我们需要计算安装平台结构的承载能力。

承载能力通常通过几何尺寸和材料强度来确定。

我们可以使用有限元分析软件对安装平台进行建模，并进行荷载施加和弯矩计算，以确定其最大承载能力。

2.抗震性能计算在考虑抗震性能时，我们需要进行地震荷载计算，并对安装平台结构进行强度和刚度分析。

通过计算结构的动力响应和变形情况，我们可以评估其抗震性能，并对设计进行调整。

3.稳定性计算稳定性是安装平台结构设计中的重要考虑因素。

我们可以通过对结构的倾覆和位移情况进行分析，评估其稳定性，并进行必要的改进。

4.耐久性分析最后，我们需要考虑安装平台结构的耐久性。

这包括考虑结构材料的腐蚀、疲劳等因素，并采取相应的防护措施，以延长结构的使用寿命。

四、结论通过以上的强度计算分析，我们可以得出结论：LNG船液舱围护系统安装平台结构满足设计要求，具有足够的承载能力、抗震性能、稳定性和耐久性，能够满足航行和运输操作的需求。

船舶结构设计中的强度分析船舶作为海上运输的主要工具之一，其船体结构承担着极其重要的作用。

在船舶结构设计中，强度分析是必不可少的一部分。

本文将从船舶结构设计的重要性出发，展开讨论船舶强度分析的相关内容。

一、船舶结构设计的重要性船舶是在海上环境中不断航行运输的，因此其承受的载荷和受力情况都十分复杂。

而船舶结构的不合理设计会导致结构破坏、倾覆等严重后果，从而造成不可挽回的经济和人身损失。

因此，在船舶设计的过程中，必须充分考虑强度分析，以确保船体结构的安全和稳定性。

二、船舶强度分析内容船舶强度分析的具体内容包括船舶的静态强度分析、疲劳强度分析和动态强度分析。

1、静态强度分析静态强度分析是指船舶结构在静态荷载作用下所承受的载荷和受力情况进行的强度计算和分析。

静态强度分析的关键在于确定船体的最大荷载和受力位置，以及在这些位置上船体结构的强度是否足够。

2、疲劳强度分析疲劳强度分析是指船舶结构在反复荷载作用下产生的疲劳破损情况进行的强度计算和分析。

船舶经常在海上环境中长时间航行，船体结构的材料往往会因为反复荷载而发生疲劳破损。

因此，在船舶强度分析中，进行疲劳强度分析是非常必要的。

3、动态强度分析动态强度分析是指船舶结构在动态环境中承担的载荷和受力情况进行的强度计算和分析。

船舶在海上环境中会遇到许多不同的动态载荷，例如风浪、涌浪、碰撞等。

因此，在船舶强度分析中，进行动态强度分析同样非常必要。

三、船舶强度分析方法船舶强度分析方法主要分为解析法、有限元法和实验法。

1、解析法解析法是指根据船舶各部件的形状和材料性质，通过数学方程式对船舶结构的受力情况进行计算和分析。

2、有限元法有限元法是指利用计算机程序对船舶结构进行建模，然后基于有限元分析理论对结构的受力情况进行计算和分析。

3、实验法实验法是指通过试验、模型试验或者全尺寸试验等手段，对船舶结构的强度进行测试和分析。

四、结语船舶结构的强度分析是船舶设计中不可或缺的一项内容。

舰船结构的强度疲劳分析与优化舰船作为海上交通和军事力量的重要载体，其结构的强度和耐久性是至关重要的。

在海上恶劣环境中航行，舰船往往要经受风浪、冲击和振动等复杂的载荷作用，这些载荷会对舰船结构产生疲劳损伤，严重影响舰船的安全性和使用寿命。

为了确保舰船的可靠性和航行安全，舰船结构的强度疲劳分析与优化成为当今舰船设计与制造的重要课题之一。

在舰船结构的强度疲劳分析过程中，首先需要确定船舶在运行中所受到的载荷。

这些载荷可以分为静载荷和动载荷两种。

静载荷主要是来自船体自重和载荷，而动载荷主要来自于风浪、船舶运动、内部设备的作用力等。

通过对航行航线和运营环境的分析，可以对不同载荷进行预测和计算。

确定载荷后，下一步是进行结构的有限元建模。

有限元分析（FEA）是一种基于数值计算原理的结构力学方法，它将结构离散成无数个小单元，通过对这些单元的力学性能进行分析和计算，得出整个结构的应力和变形情况。

在舰船结构的有限元建模中，要考虑到船体的复杂几何形状和多层结构，同时要考虑到不同材料的力学性能差异。

通过有限元分析得到结构的应力和变形情况后，接下来需要进行疲劳寿命的预测。

疲劳是结构在循环载荷下的破坏形式，它是由于应力集中、应力过高或应力集中与应力过高共同作用，导致结构材料发生微细裂纹、扩展、并最终导致破坏的过程。

为了预测舰船结构的疲劳寿命，需要建立合适的疲劳损伤积累模型，并根据结构的应力状态和载荷循环次数来计算结构的疲劳损伤。

在疲劳寿命预测的基础上，可以进行结构的强度疲劳优化。

优化的目标是在给定的限制条件下，通过优化结构的几何形状、材料选择和结构连接等方面来提高结构的强度和耐久性。

在强度疲劳优化中，可以使用一系列的优化算法和工具，如遗传算法、多目标优化和机器学习等，来探索最优的结构设计方案。

优化的结果可以有效降低舰船结构的疲劳损伤，并延长其使用寿命。

除了传统的强度疲劳分析与优化方法，近年来，随着计算机技术的不断发展，舰船结构的强度疲劳分析与优化也得到了快速进展。