[其他] 液化气船A型独立液货舱内部压力计算方法和软件 液化气船A型独立液货舱内部压力计

         胡可一 庄友榕(江南造船(集团)有限责任公司)

                钟小晶(上海交通大学)

提要 提出了进行液化气船A型独立液货舱内部压力计算时,同时考虑船舶运动所引起的三个方向上(横向、垂向和纵向)的货物质心加速所产生的压力的计算方法.介绍了据此开发的用于液化气船A型独立液货舱结构设计计算的计算机软件.

主题词 船舶设计 计算机辅助设计 液化气船 实用程序

1.引言

    液化气船的液货舱机构设计与其他船舶相比较为特殊.根据散货运输液化气体船舶结构与设备规则(IGC)[1]的要求,对于运用较广的A型独立液货舱而言,必须计算内部压力.该东载荷的确定来自一对船舶运动长期的考虑,包括船舶在其使用寿命期间在不规则海浪中所经受的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇的影响(通常为相当于10的8次方的波浪遭遇).规则[1]中给除了计算垂向、横向和纵向加速度的指导公式.以往在内部压力计算中,为方便起见,往往仅同时考虑两个方向上的加速度,即同时考虑垂想和横向,或垂祥和纵向.这样做计算模型简单,计算工作量较小,可以考虑用电子表格辅之以简单程序来进行,但计算结果实际是偏于危险的.因此,目前船东一般要求同时考虑三个方向上的加速度进行计算.鉴于此,本文提出了同时考虑三个方向上的加速度的计算方法,介绍了所开发的计算机软件,并对计算结果进行了比较分析.

2.规则规定

    根据规则[1],当液舱满载时,内部压力是由于船舶运动所引起的货物质心加速度所产生的压力.内部压力Ped是由设计蒸汽压力P0和内部液体压力Pgd合成的结果,但不包括液体晃动的影响,即

          ed= P0+( Pgd)max                           (1)    

对于由重力和动力加速度的联合作用所引起的内部液体压力Pgd,按下式计算:

          gd= αβZβρ/(1.20*10**5)MPa           (2)  注:10**5表示10的5次幂,下同.

式中    αβ ------ 在任意方向上由重力和动载荷引起的无因次加速度;

       ρ    ------设计温度时的货物最大密度,kg/M3;

       Zβ     -----所计算的压力点沿方向向上量至液货舱壳板的最大液柱高度.

当同时考虑垂向加速度和横向加速度时,可根据图1确定.将换成,则为同时考虑垂向和纵向加速度的情形.进一步,如果同时考虑三个方向上的加速度,图1种的椭圆为椭球所替代.式2亦应有如下形式:

          gd= αβ1,β2Zβ1,β2ρ/(1.20*10**5)MPa      (3)

式中分别为横倾角和纵倾角. 三个方向上的加速度分量指导公式可见文献[1]. 

3.计算方法

3.1 αβ1β2的计算

    以椭球中心为原点，x为纵向，y为横向，z为垂向，则加速度椭球方程为

         x**2/ax**2 + y**2/ay**2 +z**2/az**2 = 1 (4)注:ax**2表示ax的2次幂

记横倾角为β1和纵倾角为β2,直线方程

            x/tanβ2=y/tanβ1=z-1                      (5)

与上述椭球的交点（下方的交点）为（xc,yc,zc）,则可求得

         αβ1.β2 =sqrt(x**2c+y**2c+(zc-1)2)      (6)

3.2 zβ1.β2的计算

    在任意横倾角β1和纵倾角β2下，液货舱壳板上的某一计算点（xp,yp,zp）,向上量至 液货舱壳板上的任意点（xv,yv,zv）的距离d 为

d=(zv-zp-(xv-xp)tanβ2-(yv-yp)tanβ1 )/sqrt(1+(tanβ2)**2+(tanβ1)**2) (7)

根据定义，zβ1β2为上述距离的最大值。

     A型独立液货舱在忽略局部的结构细节（如小圆角）后，可表示为表面为若干平面的任意多面体。对多面体的所有顶点根据（7）进行计算，即可求得zβ1β2。

3.3 计算点的确定

     结构设计时，在液货舱的每个表面（平面）上按实际的板材尺寸确定计算点的网格，如图2中的黑点所示

3.4 计算机构件尺寸

    对所有的计算点计算出内部压力Peq，进而按规范计算所有板厚和扶强材的剖面模数等。

    例如，根据劳氏规范[2]，液货舱壳板厚度为

          t=0.01265sf *sqrt(Peqk)+1.0 mm         (8)

式中       s--扶强材间距；

            f=1.1 - s / 2500s且不超过1.0 ，s为支 承点间扶强材总长度；

           k--高强度钢系数。

t不小于7.5mm。

    而DnV规范[3]则有如下计算公式：

         t=15.8s *sqrt(Peq) / sqrt(215f1) 式中 s--扶强材间距；

          f1--材料系数。

          t≥10s mm。

4.计算软件

         根据上述计算方法开发的计算软件已开始实际使用。软件开发工具选用了Visual Basic 5.0。软件可以在Windows 95/98 和 Windows NT4.0上运行。

软件具有下列功能：

     （1） 编辑液货舱的信息，包括位置、形状、计算点设置，可通过三维图形进行校验；

     （2） 计算液货舱的容积和质心的位置；

     （3） 计算各计算点的内部压力值（可选择考虑两个或三个方向上的加速度），确定所需板厚和扶强材剖模数；

     （4） 绘制内部压力和所需板厚分布图（图3）；

     （5） 计算液货舱壳板质量和质心位置；

     （6） 生成计算报告。

5.结果比较

         使用上述软件对某液货舱（图4）进行计算。 

    每块壳板上按6m（纵向）×3m（横向）设置计算点，表中列出分别考虑两个方向和三个加速度时的壳板上的内部液体压力最大值，以及后者比前者的增大比例。

    因此由（1）式可见，当设计蒸汽压力P0较低（如0.025MPa）时，内部压力Pea中内部液体压力Pad所占比例较大，同时考虑三个方向上的加速度与考虑两个方向上的加速度相比，Pad的增大而导致Pea的相对增大的影响不能忽略。在相当多的计算点上，由式（8）或式（9）计算得到的壳板厚度需增大一档（0.5 mm）。