薄膜型LNG船NO96围护系统强度分析的建模方法

徐家晨，黄隽，薛鸿祥，唐文勇，罗秋明

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.广州广船国际有限公司，广州 510382；3.中国船级社 上海规范研究所，上海 200135)

围护系统是薄膜型LNG船的保温结构，位于液货舱内壁处，隔绝液体与舱壁，使舱室维持-163 ℃的低温状态。围护系统易受到晃荡液体的直接冲击，造成结构损伤。国际上部分船级社对薄膜型LNG船在晃荡载荷下的结构强度提出了详细的评估办法，对舱段船舶构件、围护系统和泵塔结构3个方面提出了具体要求。国内对于LNG船晃荡强度评估内容的研究主要集中于船体结构和泵塔结构，对于围护系统结构强度评估规范中暂未给出明确要求。目前围护系统的建模方法没有统一的标准，有研究者在构建有限元模型时，参考了ABS等船级社提供的建模方法，但不同船级社提出的方法存在差异，未见对这些差异所造成的影响的研究报道。

为此，结合薄膜型LNG船N096围护系统，收集各主要船级社对围护系统晃荡强度评估的相关指南或指导性文件，整理各船级社围护系统结构模型化方法，包括围护系统的几何实体、连接关系、边界条件和材料特性的简化内容，运用有限元方法得到每个模型的结构强度，分析结构模型化方法对模型强度计算结果的影响，探讨建立围护系统有限元模型的方法。

1 NO96围护系统的结构特点

NO96型是薄膜型LNG船围护系统结构的一种主要类型，其结构见图1，沿舱室内边界向舱室内方向排列的结构依次为次绝缘箱、次绝缘屏、主绝缘箱、主绝缘屏。主绝缘箱和次绝缘箱由木质层合板通过订装方式组合为箱型，箱内安装相同材料的横、纵向隔板起到承载和传递力的作用，隔板与隔板之间用珍珠岩或玻璃棉填充起到保温效果。紧固螺栓安装在绝缘箱四角起到固定位置作用，树脂绳铺设在次绝缘箱与船体内板之间维持主绝缘层面板平整。

图1 NO96围护系统结构示意

薄膜型LNG船液舱围护系统研发公司GTT提出了NO96绝缘箱的标准结构和加强结构，可以通过增加隔板的厚度和增加主绝缘箱盖板数量的方式达到增强结构强度的目的，两种结构形式见图2，图2a)为NO96主、次绝缘箱标准结构，图2b)表示增加了主绝缘箱顶部盖板数量和隔板厚度的主、次绝缘箱加强结构。组成NO96围护系统的层合板厚度要求以及板的个数安排见表1。

表1 围护系统标准结构与加强结构中层合板厚度(mm)与数量要求

图2 NO96围护系统标准结构和加强结构示意

2 相关规范对围护系统建模的要求

目前各主要船级社对NO96围护系统强度评估制定了相关指南或指导性文件，但不同船级社规范有限元简化和建模要求不同。ABS等船级社对NO96围护系统建模要求见表2，对比内容包括围护系统模型在几何实体、连接关系、材料特性等方面的差异。

表2 NO96围护系统建模要求统计表

针对紧固螺栓的模拟，BV和DNV采用弹簧单元模拟，采用主、次绝缘箱对应的四角依次相连的方法实现紧固螺栓对主绝缘箱与次绝缘箱位置的限制。LR建议使用对梁单元施加预紧力的方式模拟螺栓，实现螺栓对箱型结构水平位移的限制。

ABS和船级社分别对待层合板的本构关系，前者为各向同性理想弹塑性模型，详见表3；后者为正交各向异性理想弹塑性模型，见表4。LR和BV提出通过试样试验等方法获得层合板的材料参数，参数包括密度、弹性模量、剪切模量、泊松比及屈服强度。

表3 ABS规范中材料参数表

表4 DNV规范中层合板材料参数表

ABS对NO96围护系统建模原则要求最简洁，忽略主、次绝缘箱之间的相互接触和紧固螺栓的作用，简化层合板的材料属性。其他船级社的建模原则要求各具特点：对构件相互作用的模拟上，BV规定连接层合板的模拟方式，LR采用弹簧实现箱型结构间的接触；对紧固螺栓的模拟上，BV和DNV将螺栓简化为弹簧，LR将其简化成梁单元和加在梁单元上的预紧力；针对材料参数，BV、DNV和LR要求考虑层合板的各向异性特征。

3 不同建模方式对结构强度评估结果的影响

取1个绝缘箱范围建立模型，单元大小为25 mm×25 mm满足4种建模方式对单元尺寸的要求，所有模型单元大小一致，结构的网络模型见图3，其他模型参数设置参考表1。

图3 NO96围护系统网络模型

3.1 结构弹性响应结果分析

在模型上加载0.1 MPa均匀载荷，4种建模方法下，标准结构模型和加强结构模型中主绝缘箱顶部盖板的应力分布见图4。

图4 主绝缘箱盖板的应力分布图(深色应力大)

主绝缘箱的顶部盖板被隔板分为多个条形区域，为方便描述，称相邻隔板间距内的盖板为板条，盖板与纵、横隔板相接处即为板条的四边。图4应力分布表明，不同建模方法下的盖板最外侧板条的边缘应力大于中心板条的边缘应力，说明外侧隔板对盖板的刚性支撑作用比内侧隔板强，则外侧隔板更易受到破坏。由BV与ABS、DNV和LR模型盖板应力分布相同，由此认为BV模拟盖板与隔板订装连接的要求不会显著影响主绝缘箱盖板应力的大小和分布特点。

4种建模方式下模型的最大应力所在位置不同。ABS和DNV建模方法中，标准结构模型的最大应力出现在主绝缘箱顶部盖板边缘，加强结构模型的最大应力出现在主绝缘箱隔板和次绝缘箱隔板交叉处。BV建模方法中，标准结构模型和加强结构模型的最大应力出现在次绝缘箱的底部盖板处。LR建模方法中，标准结构模型和加强结构模型的最大应力出现在绝缘箱的四角区域。

BV采用转角有限传递的方法模拟箱型结构中盖板与隔板的订装连接，这种模拟对顶部盖板应力分布影响不明显，但使顶部盖板变形传递到隔板后，隔板的垂向位移大而变形小，导致与隔板相接的底部盖板应力变大，这种模拟引起的底部盖板应力增大在主绝缘箱和次绝缘箱分别出现，且增大效果叠加，最终次绝缘箱底部盖板的应力出现明显增大，导致模型最底部水平板的应力最大。

LR建模原则要求对紧固螺栓进行了模拟，紧固螺栓的预紧力影响了箱型结构四角区域的应力分布。

分析模型在0.1 MPa均匀载荷作用下的结构响应，得到1个危险区域和2个应力影响因素：①绝缘箱外部隔板比内部隔板更易受损；②BV建模方式中模拟订装连接的要求对主绝缘箱顶部盖板的应力分布无明显影响，但会改变隔板变形和次绝缘箱底部盖板应力大小；③LR建模方式中模拟紧固螺栓的要求对模型局部应力分布有影响。

3.2 结构极限强度结果分析

根据Hirotsugu Dobashi等的静态模型试验结果，次绝缘箱隔板折断是NO96围护系统的关键失效模式(见图5)，弹性响应结果与此判断相同。结合次绝缘箱内隔板的变形和应力结果对结构的极限强度进行分析。

图5 绝缘箱静态加载试验

ABS、BV、DNV和LR建模原则下的标准结构(左)与加强结构(右)极限状态下的屈服单元分布情况及次绝缘箱隔板的承载力-位移见图6～9。图中曲线1、2、3、4分别对应次绝缘箱中从外到内4块隔板的承载力。

图6 ABS建模原则下标准结构和加强结构的次绝缘箱隔板的承载力-位移

图7 BV建模原则下标准结构和加强结构次绝缘箱隔板的承载力-位移

图8 DNV建模原则下标准结构和加强结构次绝缘箱隔板的承载力-位移曲线图

图9 LR建模原则下标准结构和加强结构次绝缘箱隔板的承载力-位移

ABS建模原则的标准结构模型与加强结构模型在极限状态下部分主绝缘箱隔板与次绝缘箱隔板交叉的区域、次绝缘箱底部盖板、树脂和大面积次绝缘箱隔板均出现屈服现象。

在极限状态下，BV建模原则的标准结构与加强结构模型的次绝缘箱底部盖板单元失效面积最大，其次是次绝缘箱隔板。

在极限状态下DNV建模原则的标准结构和加强结构的次绝缘箱隔板全部进入塑性变形阶段，最外侧隔板的塑性变形最明显。

极限状态下LR建模原则的标准结构和加强结构的次绝缘箱隔板全部损坏，同时次绝缘箱底部盖板部分出现屈服失效。加强结构在极限载荷下的次绝缘箱底部盖板失效面积大于标准结构。

4个标准结构和4个加强结构的极限强度见表5，标准结构与加强结构的极限强度大小对比见图10。ABS建模方式下模型的极限强度最小，BV建模要求下模型极限强度最大。Hirotsugu Dobashi等NO96的静态试验给出标准结构的极限强度约为1.2 MPa。

图10 标准结构与加强结构的极限强度对比图

表5 标准结构和加强结构的模型极限强度 MPa

ABS建模方法下隔板响应与其他建模方法下的隔板响应存在差异，分析认为与树脂单元的存在和隔板材料属性有关。树脂单元的变形和失效会加快隔板失稳，在承载力-位移曲线中树脂单元的失效后承载力增速变缓。同时ABS建模方法中简化了层合板的材料属性，导致模型极限强度的计算值偏小，最终模型计算的极限强度远小于试验值。

与DNV、LR建模方法结果对比，BV建模方法模型的刚度和极限强度最大，极限状态下的次绝缘箱底部盖板应力最大。极限强度计算结果与弹性响应结果的分析吻合，说明隔板和盖板间的订装模拟导致载荷增大时隔板变形增速小，应力增速小，隔板不易失效，最终表现为BV模型的刚度和极限强度最大。

LR和DNV建模方法的计算结果相近，绝缘箱与次绝缘箱之间的接触模拟方式对模型的刚度和极限强度的影响不明显。

分析极限强度发现，影响计算结果的3个建模因素为树脂单元、层合板材料属性、订装连接模拟；不影响计算结果的因素为箱型结构接触的模拟方式和紧固螺栓模拟。

4 结论

1)树脂虽然会对NO96围护系统承载力的计算值造成影响，但从树脂在实际结构中的作用和树脂单元对结构应力的影响方面考虑，认为计算结构极限强度时应忽略树脂的影响。

2)层合板的材料属性是NO96围护系统有限元计算结果的主要影响因素，在建模时应采用各向异性本构关系反映层合板的材料特性。

3)采用箱型结构盖板转角与隔板转角间的有限传递方式来模拟层合板的订装连接，模型的计算结果更贴近试验值，在建立模型可以考虑采用该方法模拟订装连接。

4)主、次绝缘箱之间的接触采用弹簧方式或者无摩擦硬接触方式不会对模型的极限强度计算结果产生明显影响，可以根据实际情况进行选择。

5)模型中的紧固螺栓仅对模型的局部应力分布有影响，在模型强度计算过程中可以考虑忽略该结构。