孙险峰 唐 淼

（1.中海油能源发展有限公司管道工程分公司，天津 300452；2.上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

目前，随着天然气的广泛应用，为适应新型的运输要求及市场需求，小型LNG船这一概念应运而生。小型LNG运输船具有营运周期短、中转频繁、装载灵活等特点。其吃水浅，排水量较小，能够适应内河航道水位、桥梁和码头限制，与大型LNG船有着较大的区别［1］。

上海船舶研究设计院为适应中国LNG市场，提供便捷的LNG运输而自主研发设计了16000 m3LNG船型。如果该船型投入生产运营，将把我国沿海、沿江各重要城市与天然气输送终端紧密联系起来，为缓解经济发展所需的能源缺口提供有力支持。

1 结构特点

1.1 船舶主尺度

1.2 布置特点

该船总布置图如图1所示。

1）该船为适应货舱区域独立罐体的存放空间，使得船体货舱区域空间利用率达到最佳效果，采用了凸形甲板结构，如图2所示。凸形甲板的使用，有利于减轻船体重量。更为重要的是，在实船建造时，凸形甲板将有利于货舱区域罐体的吊入。

2）凸形甲板参与总纵强度，但由于液罐气室及管路布置的特点要求，需要在凸形甲板的中纵剖面处进行开口处理，因而开口处的结构需要加强。同时，对于凸形开口处的强度校核也是有限元分析的主要关注点之一。

3）全船布置两个货舱。由于LNG液罐通过鞍座与船体结构联系在一起，船体受到的货物载荷就是通过鞍座传递来的，因而鞍座本身以及鞍座周围的船体结构都是货舱区域结构设计的重点内容之一，同时也是有限元分析的核心内容。

2 舱段有限元分析

本文有限元建模与计算过程均是根据中国船级社 （以下简称CCS）《散装运输液化气体船舶构造与设备规范（2005）》与《油船结构直接计算分析》的要求进行的。

2.1 建模简介

计算模型沿船长纵向从35号肋位 （FR35）到169号肋位（FR169），沿船宽方向从左舷到右舷，沿船垂向从船底向上至凸形甲板。

有限元模型包括了船体货舱区域的主要构件，如甲板结构、底板结构、外板结构、内壳板结构、横向强框结构、纵向桁材结构和舱壁结构等。计算模型的甲板板、船底板、内外壳板、舱壁板、桁材腹板及强框腹板等构件模拟为4节点或3节点板单元，而甲板纵骨、底板纵骨、内外壳板纵骨、舱壁扶强材、桁材面板以及横梁面板等次要构件均模拟为2节点梁单元。

有限元模型建立在XYZ右手坐标系统，坐标原点位于船底35号肋位的中纵剖面处，X轴指向船首，Y轴沿船宽方向指向左舷，Z轴由船底垂直指向凸形甲板。有限元网格按照肋距和纵骨间距尺度划分。有限元模型如图3所示。

舱段模型边界分别为FR35与FR169，在这两处横剖面内，取剖面形心为独立点，关联剖面内各点建立MPC约束，并且将FR35剖面内的独立点约束［δx，δy，δz，θx，θz］五个方向的自由度，将 FR169 剖面内的独立点约束［δy，δz，θx，θz］四个方向的自由度。

2.2 计算载荷

舱段计算载荷主要由舷侧水压力、端部受力、压载水压力和货物压力四部分组成。舷侧水压力可参考《油船结构直接计算分析》，此处不再赘述。压载水压力可根据装载手册施加到边压载舱，而端部受力与货物压力则需根据该船特点予以确定。

端部受力主要分为两部分：剪力与端面弯矩。剪力分为静水剪力Ns和波浪剪力Nw；弯矩则分为静水弯矩Ms、波浪弯矩Mw和附加弯矩Mr三部分。该船只设2个货舱，因而不具备三舱段分析的条件。因而对于附加弯矩的计算，需要根据船体梁理论，配合装载工况及其弯矩分配情况进行。

根据CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》的要求，在进行舱段分析计算时，需要将液罐以及液货的载荷按照正弦（余弦）函数的分布形式（如图 4 所示）加载到鞍座上［2］。

根据液罐设计，该船鞍座对液罐的包角为150°。

式中：M——液罐及液货质量，kg；

ax，ay，az——船体运动沿x，y，z方向的加速度，m/s2

2.3 计算工况

本文选择两种工况进行计算：

1）压载工况（LC01）。根据装载手册，在此工况下，船体吃水5.188 m，压载水重量4940 t，分布如图5所示：

同时，液罐载荷如表1所示。

表1 LC01液罐载荷

2）满载离港工况（LC03）。根据装载手册，在此工况下，船体吃水5.945 m，压载水重量73 t，分布如图6所示。同时，液罐与液货载荷如表2所示。

2.4 计算结果

LC01工况下，船体结构计算结果如表3和表4所示。

LC03工况下，船体结构计算结果如表5、表6所示。

根据CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》以及《油船结构直接计算分析》等有关规定，货舱区域主要结构的许用正应力σ、许用剪切应力τ和许用相当应力σe如下：

表2 LC03液罐与液货载荷

表3 LC01甲板、舷侧外板以及船底板结构板单元受力情况

表4 LC01内壳板、强框及纵桁结构板单元受力情况

表5 LC03甲板、舷侧外板以及船底板结构板单元受力情况

表6 LC03内壳板、强框及纵桁结构板单元受力情况

从计算结果看，除去应力集中部分以及液货舱端部区域，主要考察区域结构的应力值均不超过许用应力范围，结构强度满足相关规范要求。对于凸形甲板开口以及鞍座区域的应力分析结果，可参见图7与图8。

3 结语

本文按照16000 m3LNG船两个液货舱的布置特点，根据正余弦函数分布形式模拟液罐载荷对液货舱区域进行强度分析。计算结果表明，用这种方法来评估小型LNG船液货舱区域强度是可行并且可靠的。本文分析计算的结果，对于小型LNG船液舱区域的结构设计，特别是对于凸形甲板和鞍座处的结构设计，具有一定的参考价值。

［1］丁玲.中小型LNG船C型独立液罐设计关键技术研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

［2］肖文勇.3200 m3LPG运输船鞍座结构强度计算与分析［J］.船舶工程，2008（4）：20-23.