大型沥青船独立液舱强度分析

李刚

摘要：根据沥青船所用货舱的形状，将沥青船划分为一体式沥青船和独立式沥青船。分体型液体集装箱由于具有低热损耗，低腐蚀，易于施工等优点而日益被石油企业所重视。在单独的液货舱沥青船上，舱底部的支撑垫的分布将会对货物的质量转移到船体底部和在行驶过程中的运动对船体的作用产生直接的作用，然而，当前世界上的几大船级社对于这种具有特定构造的船舶并没有明确的要求，如果采用传统的平均受力的计算方式来决定其数目和分布，则无法精确地获得不同部位的支撑垫的受力。所以，必须利用有限单元法，对每一个支座进行直接分析，以求出支座的应力。

关键词：接触非线性；沥青船；独立液货舱；有限元分析

引言

分体型液体集装箱以其低热损耗，低腐蚀，易于施工等优点，日益受到石油企业的重视。在具有独立液货舱室的沥青船中，在其底部安装支承垫块，并在其上安装纵、横、浮限位块，可降低载重到底部的传力，并降低其在行驶过程中的动力作用。当前，针对这种单座式船体，采用常规的以平均载荷为基础，外加一些因子的方法，无法精确地得到船体底部每一支撑垫块的真实载荷。在此基础上，利用 FEMAP及法国船舶 VERISTAR等先进的数值分析工具，以实现对船舶动力响应的精确、快捷、可靠的分析，从而对船舶动力响应进行较为完整的评价。

1舰船构造概况

1.1船舶构造

本文通过一条37000吨原油沥青沥青船（下文简称：该轮）来阐述一种可分离的液体集装箱沥青船的结构设计的特征。并对货油舱区船舶结构三维舱段建模特征、独立液货舱三维建模特征、支撑垫块建模特征、由垫块支撑独立液货舱后，船舶结构的温度场与结构强度等进行了有限元分析的思想与方法。37000吨沥青船是一种具有代表性的单甲板、双壳单底的沥青船。在三个档位的肋骨位置安装加固支架，在肋骨板面上安装各种规格的支承垫。船舶的泵舱区是双层底，双层壳，有多层平台和纵向隔板。

1.2独立货舱结构

整个船舶的货物舱室分成4个单独的舱室，其中泵舱位于船体中部。前、后两个大舱各有两个单独的货舱，分别是第一个，第二个，第三个，第四个。各单独货舱都是纵向骨架，并使用了平直舱壁进行舱室分隔，既利于构造，又利于疲劳。舱内底部由保温垫支承，保温垫的大小由 GAP元件的弹力系数决定。为了确保在船体发生侧翻时，确保船体的稳定性，在船体底部及船体顶部都设置了侧向限位装置。为了确保液体货物舱的垂直位置和承受由垂直撞击而产生的惯性力，在两个刚性骨架间设置一系列的纵向限位块。所述的限位块上部分别由绝缘垫片分隔。由于加热管道系统的扩展，在接近泵舱的独立罐体的一端设置了纵向限制器。为了确保独立罐体在受热后仍能与货舱刚性骨架对齐，可将各档独立罐体刚性骨架间的施工间距相应缩小。钢的热膨胀系数是1.2×10-5 K，罐体的强架间距是2400 mm，当温度从正常的30℃升高到170℃时，强架间距缩减值为4 mm。

1.3货舱垫块

本船舶的油舱区的船身构造是一个单底双壳单甲板（上部甲板加梁拱）；船舶泵舱为双层底，双层壳，双层甲板；从船首到船尾，四道水密的横向舱壁把船体分成4个货舱，一个泵舱。在4个档位的肋部位置上，分别安装一个加固的肋部（包括实肋板、舷侧隔板和甲板加固横梁），在船首的平面上，再安装一个中部的肋板，在独立罐体的下面，再安装一个强横梁；将横向防倾限位块和长、宽度为250毫米×300毫米、350毫米×400毫米、350毫米×500毫米的支承垫置于所述强横梁面板上。在货油舱区域内，一共有四个单独的液货舱，在每一个单独的液货舱上，都会有一个中纵舱壁和一个横舱壁，将货油舱分成了前左、前右、后左、后右四个单独的货油舱，而独立的液货舱的舱底、侧壁、舱顶和中纵舱壁都是纵骨架式的。独立的液货甲板上装有一个纵向限位装置和一个定位装置，它可以确保液货甲板的垂直位置，并且在两个船舶碰撞时阻止液货甲板向前或者后移。在舱体的底面和顶面上，分别安装了一套横向的防倾限位块，并在每一个液货舱中都安装了一套限位块，这样可以确保船只在横倾到30度的时候，对液货舱的安全性进行了保障，在液货舱的顶端，在接近舷侧处的位置安装了防浮止推块，当主甲板的力量足够强大时，它可以抵抗住在货舱区破舱进水时，液货的空舱浮力造成对船舶的影响（如图1所示）。

图1  货舱舱顶防横摇装置 

1.4 NORDEN B328 型船舱垫块

在独立的液货舱单底部间设有一高分子垫块，垫块使用NORDEN B328 型支承垫块，它可以吸收因货舱与海洋的温差而引起的传热，它可以控制货舱的传热，同时也可以吸收因船舶移动而引起的内力，垫块的尺寸有250毫米×300毫米，最大承载力为2000 kN；350毫米×400毫米，最大承载力为3025 kN；350毫米×500毫米，最大承载力为4800 kN；。支撑包括了垫块基座和三层板块，从下到上依次为25 mm厚的调节钢板、20 mm厚的环氧、35mm厚的高分子垫块和15~30 mm厚的调节钢板。通过对轮船横、纵倾的分析，来决定轮船在轮船上的安装位置及尺寸

，如图2所示。

图2  货舱立体图

2计算模型与荷载

2.1结构有限元建模

利用 FEMAP对沥青船的舱室进行了建模，主要包括：1、船舶三个并联体上装有货泵的舱室，对2号和3号货室进行了检验；2、沥青船头和第一和第二货舱，用于检验第一和第二货舱。3、尾部，第三，第四货舱和发动机舱，用于对尾部第四货舱进行检验。单层货舱的杨氏系数应该根据建模进行选择。

2.2垫块模式

针对垫块和典型基础，利用 PATRAN软件分别构建精细模型，并与通过舱内模型获得的垫块的受力数据相结合，保证了垫块的局部强度，以及垫块模型和受力情况。

2.3精细模式

针对高应力区，如独立罐体内部刚性框架，独立舱端壁水平桁架和垂直桁架的弯矩，和船舶实肋板与舷侧内壳层的交叉部位，分别构建了部分子模。另外，还将针对纵向和横向限位接头等重要部位，分别构建50毫米X50毫米的细观模型。

2.4荷载条件

在计算过程中，需要同时考虑传统的迎波型和侧波型。按照装载手册中的满载、压载两种载荷状态分别加载。另外，在单舱船中，要验证单舱船的构造与船壳的干涉，还需要将3种载荷条件下30°的横翻、0.5倍的重力加速度的纵翻和货舱的入水条件都纳入考量。

3数值模拟与分析

3.1应力平衡

这类船只的受力必须参照沥青船及单舱船的受力规范。按照 BV标准，对一个粗糙的模具，其应力平衡应该用（2）公式来计算。

[sigma]= ReH01.04- theta 0/k （2）

如果是50毫米乘50毫米的精细模型，则采用（3）式进行应力平衡。

[sigma fine]=1.5 ReH.01.04- theta 0/k3

公式中： ReH为一般钢材的最低屈服强度，单位为 N/mm2; k为物质因数

结语

本项目拟利用三维数值模拟技术，综合考虑不同的航行条件以及复杂的海上环境（纵倾、横倾等）对支承垫的作用力，通过反复调整释放不合理的支承垫，获得各个支承垫的最大作用力，进而选择支承垫的尺寸及位置。通过与常规的“均载计数法”比较，并根据实际油路的破损形式及油路的位置，采用3D有限元计算的油路设计方案，合理可行，具有较好的应用前景。

参考文献

［1］赵彩凤.独立液货舱形式沥青运输船设计特点［J］.船海工程，2006（3）：26-28.

［2］张延辉，张少雄，曾涛.独立式液货舱沥青船支撑结构的有限元分析［J］.船海工程，2013（2）：14-16.

［3］中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船学会.船舶设计实用手册——结构分册［M］.3版.北京：国防工业出版社，2013：447-462.