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1、C A E 技术在 L N G船结构设计中的应用 王小宁 楼丹平 提 要 本文以 1 4 7。 0 0 0 m L N G船为对象 ， 介绍 了应用 A B S船级社的 S A F E H U L L计算软件 以及 A N S Y S计算软件 ， 进行舱段有限元和全船有限元强度计算的过程， 以及对该船进行 4 0年疲 劳寿命 的疲劳强度校核的过程。根据计算结果 ， 得出船体结构的应力分布和变形， 对船体结构进行 优化和加强， 保证船体结构和货物 围护 系统( 薄膜) 的应力水平满足规范要求和专利公司( G T T ) 的 相关 规定 。 关键词 L N G船 舱段有限元 全船有 限元 疲劳强度
2、 加强措施 1 前 言 L N G船是国际公认的高技术 、高附加值船型。 鉴 于 L N G船 的高可靠性特点 ，该船的船体结 构设 计 除了满足船级社的规范要求以及相关的规则条 款外 还应 当进行船体结构强度的直接计算 以及疲 劳强度计算 ，使船体结构的应力水平和疲劳寿命满 足要求 。 随着计算机软硬件技术的发展 ，应用有限元方 法来进行船体结构强度的计算变得越来越普遍 。在 有 限元计算 中，船体各主要构件按其受力状况分别 以膜 、 壳、 梁 、 桁条等有限元单元来表达 ， 以详尽地描 述船体结构 的各个细节 ， 通过计算求解 ， 最终得 出各 主要构件的实际变形与应力 。 本文 以 沪东
3、 中华 造船( 集 团 )有 限公 司承造 的 1 4 7 ， O 0 0 m 3 L N G船为实例 。 介绍 了对该船进行舱段有 限元和全船有限元强度计算 ， 以及 4 0年疲劳寿命的 疲劳强度校核 的过程。 本船主尺度及主要参数如下： 总 长 2 9 2 0 0 0 m 垂线 间 长 2 7 4 1 0 0 m 结构船长 2 6 5 5 8 6 m 型 宽4 3 3 5 0 m 型 深 2 6 2 5 0 m 设计 吃水 1 1 4 5 0 m 结 构吃水 1 2 3 3 0 m 航 速 2 0 7 节 2 货舱 区舱段有 限元计算 在规范校核的基础上完成货舱区中横剖面图和 典型横舱壁图
4、之后 ， 按照 A B S规范的规定选择 了相 应的设计载荷工况 ， 应用 S A F E H U L L计算程序进行 了货舱区舱段结构有限元分析 对货舱 区主要构件 进行了屈 曲强度和屈服强度 的校核。 2 1 三舱段 粗 网格 有 限元模 型 建立三舱段粗 网格有 限元模型 的主要 目的在 于 ： 检验货舱 区主要构件 的应力 、 应变分布情况 ； 得 到相应节点的应变作为细网格结构有限元分析的边 界条件 。 在粗网格有限元模型中，有限元 网格的大小按 主要纵 向桁材和横框架间距来设置。对局部的支撑 构件如肘板等不计入模型中， 桁材、 肘板的开孔忽略 不计。船体 的各类板、 壳结构 ， 强
5、框架 、 纵桁 、 平面舱 壁的桁材等用 4节点板壳单元模拟 。尽量少用三角 形单元。纵骨和加强筋用梁单元模拟。 货舱 区三舱 段 粗 网格有 限元模 型如 图 1 所示 。 构 件厚 度 均按 实 际 尺 寸扣 除 了 A B S规 范 中规 定的腐蚀余量 ， 如图 2所示 ， 获得的净尺寸为计算厚 度 。 2 2载荷 工况 根 据 A B S规 范 ， 薄膜 型 液化 天然 气船 的计 算 工 况如表 1 及图 3 所示。 2 - 3 三舱段 粗 网格 有 限元计 算结 果 根据各计算工况 ， 得到船体结构的应力和变形 。 图 4显示 了在第一种工况下的应力和变形情况。 2 4货舱 区细
6、网格 有 限元模 型 细网格结构有 限元模型取 自三舱段粗网格模型 的中部 ， 用于进行结构的屈服强度、 屈曲强度的校核 以及确定需要进行疲劳分析的高应力区域。 a d 图 1 中部货舱区三舱段粗 网格 有限元模 型 0 一 一量 1 2 01 1 1 1 1 1 Ta l l k 1 5Il l l I 1 Pi p eDu c t O lVo i d Sp a c e ba l l a s t l 8 uk w h e r e n s pa c e b t 、 V e e n il , ll l l S V C u s i I bu l kh e n d s i s v oi d s p
7、a c e ： Ve r c a l W e b： 1 0 1 1 11 11 HOIi z o n t a l W e b：1 51 11 1 1 1 图 2船体构件 的设计腐蚀余量 3 表 1 规范要求 的计算工况 L C 1 l L C 2 I L C 3 I L 。 C 4 i L C 5 I L C 6 I L C 7 l LC 8 A 船体梁载荷 垂 向弯距 中垂( 一 ) 中拱( + ) 中垂( 一 ) 中拱( + ) 中垂( 一 ) 中拱( + ) 中垂( 一 ) 中拱( + ) k 。 1 0 1 O 0 7 O 7 O- 3 0- 3 0 4 0 4 垂向剪力 ( + )
8、( 一 ) ( + ) ( 一 ) ( + ) ( 一 ) ( + ) ( 一 ) k 。 O 5 O 5 1 0 1 0 0 _ 3 O 3 0 0 4 水平弯距 ( 一 ) ( + ) ( 一 ) ( + ) l 【 c 0 O 0 0 O O 0 0 0 - 3 0 _ 3 1 0 1 0 水平剪 力 ( + ) ( 一 ) ( + ) ( 一 ) k 。 0 0 0 O 0 O O O O 3 O 3 0 5 O 5 B 外部载荷 k 0 5 O 5 0 5 1 O 0 5 1 O 0 5 10 一1 0 1 0 1 0 1 O 10 1 0 1 O 1 0 C 内部载荷 k 。 O
9、- 4 0 4 1 0 0 5 1 0 O 5 1 0 0 5 W O 7 5 - 0 7 5 0 7 5 - 0 75 0 2 5 -0 25 0 4 - 0 4 前端舱壁 前端舱壁 前端舱壁 前端舱壁 前端舱壁 前端舱壁 w l 0 25 - 0 2 5 0 2 5 -0 2 5 02 -0 2 后端舱壁 后端舱壁 后端舱壁 后端舱壁 后端舱壁 后端舱壁 -0 2 5 0 2 5 - 0 2 5 0 2 5 - 0 2 0 。 2 左舷 舱壁 左舷 舱壁 左 舷舱壁 左 舷舱壁 w t -0 7 5 0 7 5 -0 4 0 4 右 舷舱壁 右 舷舱壁 右 舷舱 壁 右舷舱壁 O 75 -
10、 0 7 5 0 4 - 0 4 C ， p i t c h 一1 O 1 0 一1 0 1 0 O 0 O O 一 0 7 0 7 C ， r o l l 00 O 0 OO 0 O 1 O 一1 O 0 7 0 7 D 涉及的浪向和船舶的运动 浪向角度 0 0 O 0 9 0 9 0 6 0 6 0 垂向移动 向下 向上 向下 向上 向下 向上 向下 向上 纵 摇 首 向下 首 向上 首 向下 首 向上 横摇 右舷向下 右舷向上 右舷向下 右舷向上 4 - l 3 4 F u l Dr a f t I 2& l Df a 赣 L oa di ng Pa t t e r n l ( 5 3
11、F u ! l Df a 蠹 LC 6 3 Fu l l D 勰 f ( 、 7 3 4 F u l i Dr 矗 R 1 C 8 d Da f t 图 3 规范要求的计算工况 图 4三舱段粗网格结构有限元模型的应力和变形示意 图( L C1 ) 5 对 于细 网格 结 构有 限元 模 型 有 限 元 网格 的大 小 至少 按纵 骨 间距 和 肋骨 间距 来 设 置 。通 常 ， 网格 单元 的长宽 比不 大于 5 ，在高应力 区域则不 大于 3 5 。模型中的构件应根据 A B S规范的要求扣除腐 蚀 余量 。 货舱 区细网格结构有限元模型如图 5所示。 近底 边舱 处 的剪应力 和 屈曲应
12、力 较大 。因此 将该 区 域( 距 中 4 5 0 0 ram 9 9 0 0 mm) 的 板 厚 由 原 来 的 1 2 0 ra m增大为 】 3 5 ra m并且在局部 区域增加了水 平扶强材以满足屈曲强度的要求。 ( 2 ) 货舱 区双层 底纵桁在靠近底边舱处 ( 距中 1 3 7 3 4 m m) 的屈曲应力较大， 在该纵桁增加了一道两 图 5货 舱 区 细 网格 结 构 有 限 元 模 型 2 5货舱 区细 网格 有 限元计 算结 果 根据规范的要求 。 对于细 网格有限元 ， 其等效 应力和剪应力许用值分别为 ： c c r e 】 ：2 1 9 k N m m 【 T e 】
13、 =l 1 0 k N ra m 式 中， k为 材料 系数 ， 对 于普 碳 钢 k = l ， 本船货舱区结构采用普碳钢 ， 所 以 ， 实 际许用 应力为： 【 叮 e 】 =2 1 9 N mm 【 e 】 =1 1 0 N mm 根据各计算工况 得到船体结构应力和变形。 图 6显示了在第一种工况下 的应力和变形情况。 2 6加 强措 施 ( 1 ) 在工况 3和工 况 4时 ， 双层底 实肋 板在靠 6 端 削斜 的水 平扶 强材 以满 足屈 曲强度 的要 求 。 ( 3 ) 货舱 区舷侧水平纵桁在靠近底边舱处( 距基 线高 8 3 2 8 mm) 的屈 曲应力较大 ， 在该纵桁增加
14、了一 道两端 削斜的水平扶强材以满足屉曲强度的要求。 ( 4 ) 货舱 区双层围阱甲板纵桁 ( 距 中 1 0 7 5 2 mm) 的屈 曲应 力较大 ，在该 纵 桁增加 了两 道水平 扶强 材 以满足屈曲强度 的要求 。 2 7 结 论 通过以上的舱段有限元结构分析 使我们得到 了中部货舱 区域 的船体主要结构应力分布的总体情 况。 从计算结果中可以看出： 在几个局部区域做 了针 对性的加强后 ，货舱区域主要船体结构的应力水平 都没有超出许用范围。 3 疲劳强度计算 图 6货舱区细网格 结构有 限元模型 的应 力和变形示意图 ( L C1 ) 疲劳强度计算根据 A B S 薄膜 型液 化天然 气 船一 疲劳强度评估指南 ，应用 S A F E H U L L计算 软 件 对本船船体结构的重要节点进行了 4 0年疲劳寿 命的疲劳强度计算与评估。疲劳计算中的结构尺寸 取设计尺寸， 并按照指南的要求扣除腐蚀余量。 通过疲劳强度的计算与评估 ，可以避免本船的 船体结构 由于受交变动载荷作用而导致 的结构疲 劳 损 伤 ， 保 证 了船体 结构 有 足够 的疲劳 寿命 。 3 1 疲 劳强度评 估 区域 根掘 A B S ( 疲 劳强度评估指南 ， 本船选取了以 下一些 区域进 行结 构 的疲 劳强
