文档介绍：基于载荷叠加法的LPG船结构强度分析
张荣鑫李德祥
摘要:本文根据LPG船鞍座和液罐间的受力形式,结合《IGC》S《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》,提出了一种载荷叠加的计算方法;在此基础上,运用三维有限元建模技术,解决了该类船舶的舱段/鞍座结构分析问题。实例证明了该方法的有效性和可行性。
关键词:LPG船、强度、有限元、载荷叠加法
前言
液化石油气体(Liquefied Petroleum Gas,LPG)船是一种高技术高附加值船[1],具有广阔的市场发展前景。LPG船与常规散货船、油船结构上有所不同,结构更加复杂且安全性能要求更高。现有的《IGC》S《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》[2](以下统称规则)在船体结构方面无详细设计标准且载荷计算复杂,使得结构设计方面存在很多不定因素,增加了设计难度,故有必要对舱段结构进行有限元强度分析,提高结构安全性,为结构设计提供指导。
本文首先对液化气船的船体结构及应用前景进行了分析,得出了结构有限元分析的必要性;其次根据规则的相关载荷要求,对计算载荷进行叠加,得到与事实相符合的计算载荷,并给出了相应的边界条件;然后建立了船体舱段三维有限元模型,对满载和压载两种工况进行了强度分析并得出了结论。
LPG船设计载荷
船舶在航行中运动状态比较复杂,主要承受以下载荷:内部压力、外部压力、船舶运动引起的动载荷、晃荡载荷、船舶变形引起的载荷、液货舱和货物重量在支持构件部位的相应的反作用力等[2]。
内部压力
船体结构的内部压力主要是压载水压力,计算公式见文献[3]:
外部压力
船体结构的外部压力主要有静水压力和波浪水动压力,计算公式见文献[2]:

以船舶在北大西洋中相当概率水平10-8的运动而产生的加速度分量为指导公式,加速度计算公式如下[1]:
(1)
垂向加速度:
(2)
横向加速度:
(3)
纵向加速度:
(4)
其中:
式中:为船长,m;为方形系数;B为最大型宽,m;X为船中到装货的液货舱重心之间的纵向距离,m(船中前,X为正值,船中后,X为负值);Z为船舶的实际水线到装货的液货舱重心之间的垂向距离,m(水线上,Z为正值,水线下,Z为负值);V为营运速度;K通常取1。
为相应方向上的最大无因次加速度(相对于重力加速度)。计算时,可以认为它们是分别作用的,不包括静重力分量,包括横摇在横方向上引起的静重力分量,包括纵摇在纵方向上引起的静重力分量。
载荷叠加
由于液货舱和船体结构是独立的,因此在考虑货物载荷以及液货舱和货物重量在支持构件部位的相应的反作用力时,要同时考虑到船舶运动引起的动载荷。液货舱通过鞍座与船体相作用,因此,鞍座上的力要包含:1)液货舱自身重量;2)液货重量;3)液货舱和液货由于船舶运动引起的动载荷;
按照规则要求,可以正弦/余弦函数的分布形式模拟液货舱向鞍座的施载方式,具体见下图1,其中和分别为液货舱的垂向和横向力分量。

图1 鞍座载荷施加方式
设为最大垂向力,其与垂向间夹角,则Pz可以定义为,为力作用点所在径向力与垂向间夹角,弧度;鞍座宽度为b,个数为n,则垂向合力:
(5)
同理可得横向合力
(6)
则即可求得。
实际上鞍座受到径向力作用,如图2所示: