lng船舷側碰撞損傷場景下極限強度研究

1、<p>　　LNG船舷側碰撞損傷場景下的極限強度研究</p><p>　　王澤平1,2，胡志強3，陳 剛1,4</p><p>　?。?．上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2．高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3．英國紐卡斯爾大學 船舶科學與技術學院，紐卡斯爾，英國 NE1 7RU；4．中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 2

2、00011）</p><p>　　摘 要：利用有限元數(shù)值仿真技術和ABAQUS軟件，建立LNG船液艙圍護系統(tǒng)以及艙段的有限元模型，模擬LNG船舷側受撞擊場景。在碰撞損傷基礎上，對含有液艙圍護系統(tǒng)的LNG船艙段開展極限強度研究，獲取LNG船艙段結構的極限承載能力。研究發(fā)現(xiàn)，在船體達到極限強度狀態(tài)之前，液艙圍護系統(tǒng)不會失效。</p><p>　　關鍵詞：LNG船；船舶碰撞；剩余極限強度；數(shù)值

3、仿真；損傷分析</p><p>　　中圖分類號：U661.43 文獻標志碼：A 【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2017.07.001</p><p>　　Ultimate Strength Study of LNG Carrier in</p><p>　　Side Collision Damage Scenarios</p&

4、gt;<p>　　WANG Zeping1,2, HU Zhiqiang3, CHEN Gang1,4</p><p>　　(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center fo

5、r Advanced Ship and Deep-Sea Exploration(CISSE), Shanghai 200240, China; 3. School of Marine Science & Technology, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, UK, NE1 7RU; 4. Marine Design & Research Institute of

6、China, Shanghai 200011, China)</p><p>　　Abstract: By using numerical simulation methodology and ABAQUS software, the cargo containment system and the LNG carrier structure model were established; then the c

7、ollisions scenarios between striking ship and LNG side structure are simulated. Based on the simulation results and the collision damage, the ultimate strength of the LNG carrier containing the cargo containment system w

8、as investigated, on purpose of obtaining the ultimate strength of the LNG carrier. It is concluded that the conta</p><p>　　Key words: LNG carrier; ship collision; residual ultimate strength; numerical simul

9、ation; damage analysis</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　隨著市場對于液化天然氣（LNG）的需求量不斷增加，海上液化天然氣的運輸量也顯著提高。LNG船屬于危險品運輸船，在航行時若與其他船舶發(fā)生碰撞，會發(fā)生十分嚴重的事故。LNG船內部裝載的是?163 ℃左右的液化天然氣，當發(fā)生碰撞后，不僅易使船體結構發(fā)生破壞，還有

10、可能導致液艙圍護系統(tǒng)損壞進而引發(fā)LNG泄漏，泄漏的氣體如果遇到明火甚至會發(fā)生爆炸。2017年2月23日，一艘卡塔爾Nakilat公司擁有并由殼牌航運公司（Shell）負責管理的21萬方LNG船Al Khattiya在波斯灣南岸與一艘油輪相撞后，右舷受到嚴重損壞，導致壓載水漏出，所幸沒有LNG從液艙泄露。為防止類似事故發(fā)生后產(chǎn)生嚴重的后果，準確評估碰撞后LNG船的剩余極限強度對于LNG船的安全性具有十分重要的意義。</p>

11、<p>　　船舶碰撞屬于強動態(tài)非線性過程，碰撞過程中會發(fā)生結構塑性變形，甚至撕裂等行為。船舶碰撞研究的主要方法有經(jīng)驗公式法、簡化解析法、試驗法和有限元數(shù)值仿真法[1]。經(jīng)驗公式法主要是MINORSKY[2]在1959年通過船舶碰撞試驗得出的數(shù)據(jù)，提出了船舶碰撞的經(jīng)驗公式，但其準確性不高，所以被后來的研究者不斷改進。簡化解析法是先進行一些假設，然后通過建立船舶碰撞或擱淺的數(shù)學模型，從而得到船舶碰撞或擱淺過程中相關的計算公式；SI

12、MONSEN等[3]通過LS_DYNA軟件將其提出的船舶擱淺簡化解析計算模型進行了驗證。試驗方法主要是進行實船試驗或模型試驗，得到所需試驗數(shù)據(jù)，TABRI等[4]通過碰撞試驗驗證了他提出的計算模型。有限元數(shù)值仿真法可以得到碰撞力和損傷情況，能夠將碰撞過程真實模擬出來，姚琪等[5]提出一套基于雙層底油輪擱淺于臺型礁石場景下的結構損傷變形非線性機理模型和解析計算方法，并通過數(shù)值仿真計算驗證該機理模型和解析方法的準確性。</p>

13、<p>　　對于船舶碰撞或擱淺后剩余極限強度研究的主要方法有直接計算法[6]和逐步破壞法[7]。如今，非線性有限元法也被越來越多地應用到船體剩余極限強度的分析中。在這一領域，已經(jīng)有很多國內外學者開展許多卓有成效的工作。國外的學者PAIK等[6]利用提出的估算完整船體極限強度的公式，對散貨船進行了碰撞擱淺損傷后剩余極限強度的估算；BENSON[8]運用逐步破壞法分析了輕型船舶的極限強度。國內的裴志勇等[9]對進水時受損船底板的

14、極限強度進行了研究，包括進水時損傷發(fā)生的原因、損傷變形大小及損傷殘余應力對極限強度的影響等進行了分析；孫斌等[10]運用逐步破壞法對油輪側撞損傷后的剩余極限強度進行了快速預報。</p><p>　　目前，關于LNG船結構強度方面的研究主要是對LNG船的船體極限強度進行分析。賀雙元等[11]運用通用軟件MSC/Marc對LNG船的極限強度進行了分析；田文靜[12]用非線性有限元法分析了LNG船的總縱極限強度；李繼中

15、等[13]分析了材料低溫脆性對LNG船剩余極限強度的影響；EHLERS等[14]分析了低溫對完整和損傷LNG船極限強度的影響。雖然關于LNG船結構強度的一些研究工作取得了一定成果，但是關于LNG船液艙圍護系統(tǒng)及其舷側結構在碰撞后船體的剩余極限強度方面卻少有人進行研究。而LNG船的液艙圍護系統(tǒng)在受到碰撞后很可能會損壞，由此造成的液化天然氣泄漏事故將會對生命和財產(chǎn)安全帶來極大威脅。所以，對LNG船液艙圍護系統(tǒng)及其舷側結構在碰撞后船體的剩余極

16、限強度方面的研究具有重要的學術和工程意義。</p><p>　　本文利用有限元數(shù)值仿真技術和ABAQUS軟件，以某LNG船為研究對象，建立了1/2+1+1/2的LNG船艙段有限元模型，并在液艙左艙壁上建立液艙圍護系統(tǒng)，模擬了5 000 t油船在典型碰撞速度下撞擊LNG船舷側的典型碰撞場景。針對數(shù)值仿真結果，對液艙圍護系統(tǒng)和船體結構的響應以及碰撞力、能量-撞深曲線、彎矩-轉角曲線等進行了重點分析，確定LNG船在舷側

17、碰撞場景下的剩余極限強度。由于圍護系統(tǒng)中的絕緣箱不承受船體總縱彎矩，所以通過研究發(fā)現(xiàn)，只要碰撞沒有使絕緣箱達到應力極限，在船體達到極限強度狀態(tài)之前，液艙圍護系統(tǒng)不會失效。</p><p>　　1 LNG船艙段有限元模型介紹</p><p>　　本文所用到的某LNG船的主要參數(shù)如表1所示。</p><p>　　表1 LNG船主要參數(shù)</p><

18、p>　　船舶碰撞的數(shù)值仿真模型包括撞擊船和被撞船。根據(jù)碰撞仿真的特點，通常將撞擊船視為剛體，不考慮其損傷情況和能量吸收狀況。本文選取5 000 t油船作為撞擊船，油船的艏部形狀是傾斜船首。建立撞擊船船首和1/2+1+1/2的LNG船艙段和液艙圍護系統(tǒng)的有限元模型，網(wǎng)格大小為300 mm，如圖1所示。船體艙段采用Q235鋼材，彈性模量為210 GPa，屈服強度為235 MPa，泊松比為0.3，撞擊船與被撞船之間存在摩擦的影響，摩擦系

19、數(shù)定義為0.3，有限元模型中LNG船艙段采用S4R單元模擬。</p><p>　　圖1 撞擊船船首與被撞LNG船有限元模型</p><p>　　薄膜型LNG船圍護系統(tǒng)中的絕緣箱可以阻止液艙與外界進行熱量交換，液艙示意圖如圖2所示[15]。該圍護系統(tǒng)采用的是法國Gaz Transport/Technigaz（GTT）公司設計的NO.96薄膜型液艙圍護系統(tǒng)，如圖3所示[15]。NO.96型液

20、艙圍護系統(tǒng)主要由絕緣箱、樹脂繩和殷瓦鋼薄膜等構成，每個絕緣箱都由特制的層合板拼接而成，如圖4所示[16]。在絕緣箱的底部鋪有樹脂繩，其主要作用是防止因船體內板不平整對絕緣箱產(chǎn)生影響。絕緣箱內部填充絕熱材料，以滿足相關絕熱性能的要求。在主層絕緣箱表面鋪有殷瓦鋼薄膜，其具有熱膨脹系數(shù)低及抗低溫沖擊韌性好等特點。根據(jù)ABS[17]和LR[18]關于LNG船的規(guī)范，絕緣箱的層合板以及殷瓦鋼薄膜采用殼單元模擬，并將絕緣箱的層合板定義為各向同性的彈

21、性材料，其極限應力為40 MPa。當絕緣箱層合板的應力達到40 MPa時即認為其達到強度極限，絕緣箱便會失效。殷瓦鋼薄膜很薄，厚度僅0.7 mm，通常認為其不承受剪切載荷。由于絕緣箱與船體艙壁之間通過樹脂繩連接，所以圍護系統(tǒng)與船體結構之間滿足相對位移的要求。</p><p>　　圖2 薄膜型LNG船液艙示意圖</p><p>　　圖3 GTT公司NO.96型液艙圍護系統(tǒng)</p&g

22、t;<p>　　圖4 NO.96型絕緣箱</p><p>　　2 碰撞場景的確定</p><p>　　確定碰撞場景時需要確定撞擊船的碰撞速度和碰撞位置。如果撞擊船的碰撞速度過大，會使LNG船的絕緣箱達到應力極限，則液化天然氣發(fā)生泄漏，此時LNG船已經(jīng)不安全。通過試算以及查閱相關資料，確定油船的典型碰撞速度為2 m/s，應確保在碰撞過程中絕緣箱層合板的應力不會達到其極限應力

23、40 MPa。選取3個有代表性的撞擊位置：1）撞擊點位于舷側縱桁與橫艙壁交叉處；2）撞擊點位于相鄰橫艙壁中間處的舷側縱桁上；3）撞擊點位于兩相鄰舷側縱桁與橫艙壁圍成的矩形框的中間處。具體碰撞位置如圖5所示。</p><p>　　a) 撞擊位置 b) 撞擊場景1</p><p>　　c) 撞擊場景2 d) 撞擊場景3</p><p>

24、;　　圖5 撞擊位置示意圖</p><p><b>　　3 結果及分析</b></p><p>　　利用有限元軟件ABAQUS完成碰撞過程并進行碰撞分析，得到在3個不同撞擊場景下的結構變形能-撞深曲線和碰撞力-撞深曲線，分別如圖6和圖7所示。</p><p>　　a) 撞擊場景1 b) 撞擊場景2

25、 c) 撞擊場景3</p><p>　　圖6 結構變形能-撞深曲線</p><p>　　a) 撞擊場景1 b) 撞擊場景2 c) 撞擊場景3</p><p>　　圖7 碰撞力-撞深曲線</p><p>　　3.1 能量吸收和碰撞力</p><p>　　從圖6

26、的結構變形能-撞深曲線可以看出：撞擊場景1和撞擊場景2中，隨著撞深增加，LNG船的能量吸收值也迅速增加；而對于撞擊場景3，在開始階段LNG船的能量吸收值相比于撞擊場景1和撞擊場景2要緩慢，原因是撞擊場景1和撞擊場景2中的撞擊位置位于強構件的交叉處，橫艙壁和舷側縱桁可以迅速吸收撞擊船的動能，而撞擊場景3中的撞擊位置在舷側縱桁和橫艙壁圍成的矩形框中間，此處并沒有強構件可以快速吸收撞擊船的動能，所以在撞擊開始階段撞擊場景3中LNG船能量吸收值

27、增加緩慢，之后隨著撞深的增加，LNG船吸收的能量都呈現(xiàn)平穩(wěn)增加的趨勢。</p><p>　　從圖7的碰撞力-撞深曲線可以看出：3種撞擊場景下的碰撞力-撞深曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，在碰撞過程中會有多次的上升和下降，但總體呈現(xiàn)上升趨勢。碰撞力的每一次下降都與LNG船舷側構件的屈曲相關，尤其是強肋板和舷側縱桁的屈曲。此外，兩船之間的接觸面積大小也會對碰撞力產(chǎn)生影響，接觸的面積越大，參與碰撞的構件數(shù)量就會越多，那么碰

28、撞力也就越大。在船舶碰撞過程中，兩船之間的接觸面積是逐漸增大的，所以碰撞力在總體上呈現(xiàn)上升趨勢。</p><p>　　3.2 液艙圍護系統(tǒng)的結構響應</p><p>　　在碰撞速度為2 m/s的情況下，3種撞擊場景中絕緣箱的最大應力響應時歷曲線如圖8所示。從圖中可以看出，3種撞擊場景中絕緣箱的最大應力值小于絕緣箱層合板的極限應力40 MPa，即絕緣箱沒有失效，所以可在此基礎上進一步分析L

29、NG船的剩余極限強度。在碰撞損傷的基礎上，繼續(xù)利用有限元軟件ABAQUS進行碰撞后LNG船的剩余極限強度分析，求解時通過參考點對兩個端面進行耦合約束，其中在艙段的一端放松橫向角位移，艙段的另一端放松橫向角位移和垂向線位移。通過多次試算，在加載時將加載速率設為0.01 rad/s，這樣在節(jié)省計算時間的同時也能使計算精度有所保證。</p><p>　　a) 撞擊場景1 b) 撞

30、擊場景2 c) 撞擊場景3</p><p>　　圖8 碰撞過程中絕緣箱最大應力響應時歷曲線</p><p>　　3.3 LNG船剩余極限強度</p><p>　　通過有限元軟件ABAQUS進行碰撞后LNG船的剩余極限強度分析，得到碰撞后LNG船的極限彎矩與絕緣箱應力曲線，如圖9所示。</p><p>　

31、　a) 撞擊場景1 b) 撞擊場景2 c) 撞擊場景3</p><p>　　圖9 碰撞后LNG船彎矩與絕緣箱應力曲線</p><p>　　LNG船在碰撞后是否安全，不僅取決于船體結構的剩余極限強度，還取決于其圍護系統(tǒng)中的絕緣箱能否在船體損傷狀態(tài)下承受結構變形所引起的應力載荷，所以在進行剩余極限強度分析時，

32、要考慮加載彎矩的過程中是船體結構先達到強度極限還是絕緣箱先達到應力極限。如果船體結構達到強度極限時絕緣箱還沒有達到應力極限，那么這個極限強度數(shù)值便是船體的剩余極限強度；如果船體達到極限強度之前絕緣箱已經(jīng)達到了應力極限，那么液化天然氣會發(fā)生泄漏，此時的LNG船已不再安全。從圖9可以看出：在3種碰撞場景中，隨著彎矩加載不斷進行，均是船體結構先達到強度極限，緊接著絕緣箱的應力值迅速上升，但3種碰撞場景中絕緣箱的應力值都沒有超過40 MPa，主

33、要原因包括：1）絕緣箱不承受船體總縱彎矩，因為在LNG船中，絕緣箱的材料是層合板，主要作用是填充泡沫絕熱材料進行隔熱保溫；2）選取的典型碰撞速度為2 m/s，在這個速度下的碰撞沒有使LNG船的舷側部位受損嚴重，LNG船在碰撞后仍具有足夠的剩余極限強度，所以在此種情況下船體結構的極限強度值便為LNG船的剩余極限強度。</p><p>　　表2為3種撞擊場景下的極限彎矩數(shù)值可以看出：撞擊場景3的極限強度值最小，撞擊場

34、景1的值最大，所以在相同速度下撞擊LNG船舷側，最危險的是撞擊場景3。通過圖9可以看出：在計算極限強度的加載過程中，由于絕緣箱不參與承受船體總縱彎矩，所以當船體達到極限彎矩之前絕緣箱的應力值上升很小，當船體達到限彎矩后緊接著絕緣箱的應力值才迅速上升，并且在這3種碰撞場景的加載過程中絕緣箱的應力值都沒有達到其極限應力40 MPa。所以在3種碰撞場景下，剩余極限強度值不同的原因與絕緣箱的應力響應關系不大，而應該與撞擊船的撞擊點位置距離LNG

35、船剖面中和軸的遠近有關。</p><p>　　表2 碰撞后LNG船剩余極限強度計算結果</p><p>　　從表3可以看出：增大油船的撞擊速度至3 m/s，碰撞過程中圍護系統(tǒng)的絕緣箱不會達到應力極限失效，在碰撞損傷的基礎上利用有限元軟件ABAQUS進行碰撞后LNG船的剩余極限強度分析。計算中發(fā)現(xiàn)：3種碰撞場景下，隨著加載的不斷進行，也是船體結構先達到強度極限，緊接著絕緣箱的應力值迅速上升

36、，與撞擊速度為2 m/s的油船進行碰撞后極限強度分析的響應特點一致。這進一步驗證了，只要在碰撞過程中圍護系統(tǒng)中的絕緣箱沒有達到應力極限發(fā)生損壞，則之后在不斷加載計算極限強度的過程中，都是船體結構先達到極限狀態(tài)，而圍護系統(tǒng)不會先于船體結構達到極限狀態(tài)失效。</p><p>　　從撞擊速度為4 m/s和5 m/s的情景下可以看出：5 000 t油船以4 m/s的速度撞擊此LNG船相鄰橫艙壁中間處的舷側縱桁以及相鄰舷側

37、縱桁與橫艙壁圍成的矩形框的中間處時，圍護系統(tǒng)會失效；油船以5 m/s的速度撞擊此LNG船的3個典型位置時，圍護系統(tǒng)都會失效。所以，5 000 t油船以4 m/s的速度撞擊此LNG船舷側縱桁與橫艙壁交叉處可以認為是此LNG船能夠承受的極限撞擊力。</p><p>　　表3 不同碰撞速度、撞擊場景下圍護系統(tǒng)中絕緣箱是否失效</p><p><b>　　4 結論</b>

38、</p><p>　　本文利用有限元軟件ABAQUS分析了LNG船受到碰撞后圍護系統(tǒng)中絕緣箱的最大應力情況，并在此基礎上分析了碰撞后LNG船的剩余極限強度，得到以下結論：</p><p>　　1）LNG船在受到撞擊后是否安全，首先要考慮圍護系統(tǒng)中的絕緣箱能否承受船體損傷狀態(tài)下結構變形引起的應力載荷。如果在船體結構達到剩余極限強度之前，絕緣箱已經(jīng)達到應力極限，那么液化天然氣會發(fā)生泄漏，LNG

39、船已不再安全。</p><p>　　2）當兩船發(fā)生碰撞時，若撞擊位置位于強構件的交叉處，則LNG船可以迅速吸收撞擊時的能量，隨著撞深的增加，LNG船的能量吸收總體呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢。</p><p>　　3）兩船碰撞時的碰撞力曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，曲線的波動與LNG船舷側構件的屈曲、兩船之間的接觸面積大小等有關。</p><p>　　4）如果撞擊船的撞擊位置距

40、離LNG船橫剖面中和軸越遠，那么LNG船損失的極限強度值會越大，情況越危險。</p><p>　　5）LNG船在受到撞擊后，只要液艙圍護系統(tǒng)中的絕緣箱沒有達到應力極限發(fā)生損壞，那么在加載分析極限強度的過程中，都是船體結構先達到極限狀態(tài)，而液艙圍護系統(tǒng)不會在船體結構達到極限狀態(tài)之前失效。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p&

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