基于晃荡动载荷的薄膜型LNG船泵塔结构分析

论文摘要

液化天然气（LNG）船是为运输LNG而设计建造的专用船舶。其所运输的货物为-163℃的液化天然气。在目前所有货运船舶中,LNG船技术最复杂,难度最高,被称为世界造船“皇冠上的明珠”。中国造船业对LNG的设计正处于探索研究阶段。中船集团沪东中华船厂已承接国内广东和福建项目的实船工程,与法国大西洋船厂展开技术合作引进了14.7万立方米蒸汽驱动的船型设计,并完成了实船建造需要的条件建设,拉开了国内设计建造大型LNG船的序幕。基于LNG的特点,该类船舶具有高技术、高危险、高附加值的特点。其中高危性倍受关注,尽管在LNG的运输史中发生的事故很少,由于其运载货物的特殊性,若一旦有事故发生,将会给人类生命财产带来巨大的损失。超大型LNG船的泵塔处于液舱的全尺度范围内,是货物和人员进出液舱的通道。在船舶营运中,泵塔要承受液舱液体晃荡运动所引起的各种动载荷、舱内货物的温度载荷以及船舶运动产生的惯性载荷。作为LNG船上的重要关键部件,其结构要有很高的可靠性,因此对于泵塔结构的分析和载荷的计算是泵塔自主设计的基础性工作,也是LNG船舶设计的关键技术之一,需要针对设计船舶尺度以及营运环境分析船舶生命周期的运动情况,进而对舱内液体进行晃荡分析,求得泵塔载荷,进行结构强度校核。本文结合ABS规范对泵塔结构设计的流程要求,利用瞬态动力学软件Dytran,建立液舱和泵塔的流体力学模型,在给定的船舶运动下进行液舱不同装载情况的晃荡分析。最后建立泵塔的结构有限元模型,进行结构强度有限元分析。通过这些分析研究,得出不同装载率下液舱的晃荡规律,并计算不同装载率下晃荡载荷的大小及其对结构的影响程度。建立了合理的泵塔结构有限元模型,对不同装载率下泵塔进行有限元分析,得出不同装载率下结构的变形及应力情况,讨论了其产生的原因,提出了泵塔结构设计中该重点注意的构件。为以后的相关设计研究提供一定的帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义、应用价值以及工程背景
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 本课题研究的意义
• 1.2 船舶中的液舱晃荡问题
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究的发展
• 1.2.3 当前晃荡问题的主要解决方案
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 LNG船概况及国内外技术发展的现状及趋势
• 2.1 LNG船简介
• 2.1.1 LNG船型介绍
• 2.1.2 LNG船的货物维护系统
• 2.1.3 LNG船的推进系统
• 2.1.4 泵塔
• 2.2 LNG船技术发展现状及趋势
• 2.2.1 LNG船国际技术发展现状及趋势
• 2.2.2 LNG船国内技术发展现状
• 2.3 本章小结
• 3 泵塔结构强度分析流程
• 3.1 耐波性分析
• 3.1.1 船舶营运海况
• 3.1.2 船舶装载工况
• 3.2 危险晃荡区域确定
• 3.3 液舱晃荡仿真模拟
• 3.4 泵塔上的载荷计算
• 3.5 泵塔有限元模型的建立及分析
• 3.6 本章小结
• 4 LNG船的晃荡问题分析
• 4.1 基本定义
• 4.1.1 LNG船液舱结构定义和舱室几何参数的基本定义
• 4.1.2 坐标系
• 4.2 晃荡性质及晃荡模型简化
• 4.2.1 晃荡性质
• 4.2.2 晃荡分析模型
• 4.3 论文采用的晃荡解决方案
• 4.3.1 瞬态动力学软件—MSC.Dytran
• 4.3.2 LNG液舱的DYTRAN模型建立
• 4.3.3 LNG液舱运动激励函数的确定
• 4.4 本章小结
• 5 泵塔载荷计算与结构有限元模型建立分析
• 5.1 泵塔载荷计算
• 5.1.1 晃荡载荷计算
• 5.1.2 温度载荷计算
• 5.1.3 惯性载荷计算
• 5.2 泵塔有限元模型建立
• 5.2.1 结构与材料
• 5.2.2 基本模型
• 5.2.3 边界条件
• 5.3 本章小结
• 6 实例分析
• 6.1 不同载况的液舱晃荡仿真
• 6.1.1 模型建立与参数设置
• 6.1.2 结果验证
• 6.2 泵塔各种作用载荷的求取
• 6.2.1 晃荡载荷求解
• 6.2.2 温度载荷及惯性载荷的求解及施加
• 6.3 泵塔结构的有限元分析
• 6.4 算例校核
• 6.5 本章小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 附录A 液舱晃荡载荷数据处理源程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文和参加的科研项目
• 致谢