Chinese Journal of Ship Research
LNG加注船C型舱优化方案设计
引用格式：陈兴,叶超, 奉宁琛. LNG加注船C型舱优化方案设计 [J]. 中国舰船研究, 2020, 15(2): 76–81. CHEN X, YE C, FENG N C. Optimization scheme design for type C tank of LNG bunker vessel[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(2): 76–81.
鉴于整体壁板的抗弯刚度远小于桁材的抗弯刚度，本文偏保守地忽略了整体壁板对桁材z方向的支撑作用。为了研究悬挂桁材防侧倾肘板的布置对桁材稳定性的影响，分别对每个骨材交错布置 1个肘板、间隔 1个骨材交错布置 1个肘板、间隔 4个骨材布置1个肘板这3种情况下桁材的稳定性进行分析，模型中肘板作用通过约束肘板处y方向的位移实现。为了研究桁材和骨材焊接情况下桁材稳定性的影响，模型中通过限制焊接部位y方向位移来代替焊接作用。图2所示为肘板设置及焊接位置。采用上述非线性有限元模型进行非线性分析所得结果与《高速船》和《铝合金》的计算结果列于表 3（单位： kN）。为了与有限元结果比较，表3中的规范值未除以安全因子。图3所示为3种有限元模型的轴向应力—应变无量纲化曲线，图中σ为模型的轴向应力； ε为模型的轴向应变； σ为相应的屈服应变。在应用《铝合金》规范时，本文通过大量的试鉴于铝合金整体壁板直接悬挂在 I字形梁上，其载荷将以侧向力的形式由骨材传递到桁材
从表4和图 5~图 7可以看出： 1） 对于每个骨材设置肘板的模型，其桁材将发生平面内失稳，《高速船》的极限承载力最小，偏保守，《铝合金》的平面内稳定公式值次之；对于间隔1个骨材设置肘板的模型，《高速船》的极限承载力还是最小，有限元结果与《铝合金》平面内的稳定公式值基本相同；对于间隔4个骨材设置肘板，发生平面外失稳，《高速船》的极限承载力明显偏大。2） 骨材与桁材的焊接有利于提高平面外的稳定性，尤其是当肘板设置较少时，效果明显。在桁材的上翼缘中点处施加压力，偏心受压点的位置如图8所示，耦合关系与第3节轴心受力情况相同。模型的有限元计算结果如表5和图 9~图 11 所示。
2） 对于间隔 1个骨材设置肘板的桁材，《高速船》的利用系数为 1.24，利用系数比《钢结构》和有限元结果大20%，这说明其极限承载力偏小。3） 对于间隔4个骨材设置肘板，《高速船》的利用系数为 0.75，这说明规范给出的极限承载力明显大于限元结果，即该规范不适用于肘板设置太少的情况。综合《铝合金》的平面内、外稳定公式的结果，其与有限元结果较吻合。4） 骨材与桁材的焊接有利于提高平面外的稳定性，平面外计算长度按照第3节的取值也是合适的。模型上偏心受压点位于上翼缘边上，如图12所示。模型的有限元计算结果如表6和图13~图 15所示。同样，从表6和图 13~图 15 可以看出： 1） 当间隔 4个骨材布置肘板时，双向偏心压
3） 对双向压弯桁材的稳定性，可采用《铝合金》规范进行校核。
参考文献：
中国船级社.海上高速船入级与建造规范民交通出版社,北京: 人
陈兴*，叶超，奉宁琛大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024
摘 要:［目的］液化天然气（ LNG ）作为船舶燃料已成为一种趋势，在此背景下， LNG加注船也逐渐发展起来，其可以弥补港口LNG加注能效的不足。LNG加注船液舱设计的成败直接影响船舶性能、经济性及安全性。［方法］对C型舱进行参数化建模，并以双体舱为例，结合LNG加注船的特点和功能，建立一套由4个指标组成的C型舱评价体系。以此为基础，采用层次分析法和模糊理论，获得指标的权重，构建以C型舱尺寸形状为优化目标的函数，计算得到C型舱的优化解。以一艘LNG加注船为优化算例，将优化尺寸与实船C型舱尺寸对比。［结果］结果显示，优化程度为正值，约0.53%，即优化尺寸的综合评价更佳。［结论］实例证明了将评价体系引入优化设计的方法可行，此方法可在方案设计阶段快速准确得到C型舱尺寸和形状，节省设计成本，提高设计效率。关键词：LNG加注船；C型舱；评价指标；模糊层次分析；优化设计
中图分类号: U662.3 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01561
LNG加注设备有限，恐无法适应未来航运的能效需求 LNG加注船无需占用港口泊位，它能够自航，且灵活调度、可大范围作业，因此可以为港外的船舶加注LNG。2013 年，世界首艘 LNG加注船 SEAGAS 号服役，拉开了LNG加注船研发的序幕。大连理工大学王运龙等 提出了 LNG加注船评价体系；林焰和于雁云等 对独立C型舱制荡和保温做了针对性研究；柳梦源和丁玲等 提出了小型LNG加注船的设计思路和方案。LNG加注船的设计难点在于C型舱的设计，液货舱部分装载是其航行常态需要着重考虑，大面积自由液面会严重降低初稳性在设计时将液舱经济性和安全性气 等因素考虑在内。在方案设计时，需要综合评价各个指标，建立一套评价体系。目前，针对其他船型的评价方法已经趋于成熟，陆丛红等
对自升式钻井平台和LNG加注船设计建立了评价体系。然而，前人研究建立评价体系的目的在于评价船舶和平台，尚未将其用于优化设计中。本文针对 LNG加注船的设计难点−C型舱，建立参数化表达，提出一套评价体系，并以该体系为基础，基于层次分析法和模糊理论，构建以 C型舱形状尺寸为目标值的函数。以一实船为例，通过优化计算，将得到的优化C型舱与实船 C型舱作比对，证明该种方法的可行性。通过优化设计的方法使得在LNG加注船方案设计阶段快速、准确地确定C型舱尺寸形状，进而确定船舶主尺度，提高设计效率，降低设计成本。
化与设计之间的纽带，方便求解优化值。目前， C型舱有单体舱、双体舱及星型三体舱等形式由圆柱形舱体、球形或椭球形封头组合而成。中小型加注船封头以椭球居多，中大型船一般为球形。参数化表达式将舱体的主要尺寸变量化，是优化设计的数学基础。本文建立模块化的参数表达，将舱体分为前封头、圆柱体、后封头3个部分，舱体表面用公式表示为
(1)
式中： 为柱坐标系参数，如图 1所示。前封头、圆柱体、后封头的单体舱分别添加区间限制： π
π)
π)
π) π)
(2)
双体舱和三体舱均可视为由单体舱组合而成，增加舱壁条件限制后可得到如图 2所示的C型舱参数化表达图。
(6) (7)
本文以某实际建造的大型LNG加注船舱体为研究对象，采用上文所述方法进行参数化建模。该加注船采用独立C型舱的双体舱模式，设计要求每个舱室装载LNG 7 900 m3，液货舱封头采用半球体形式。根据载货量，设计该船C型双体舱尺寸，使其各方面性能达到最优化。根据本文提出的评价体系，应用层次分析法，结合近年来对多艘 LNG加注船、运输船及其他液化气船C型舱设计的研究、船级社相关规范和有关方面专家的建议确定得到各指标所占权重，并对目标函数优化求解，进一步得到舱罐形状尺寸。球型封头舱罐体积为
π (12) (13) (14)
不同的加注船可根据各自的具体任务、航行海域及其他特殊需要，在设计时做出符合自身需求的评价值。针对本文加注船实例，结合模糊理论及其运营的特殊性，在经验总结、专家询问等基础上将 中两两关系进行了量化处理，得到判断矩阵
柳梦源, 杨隽豪, 王璐玭, 等. 小型计研究 船舶工程,加注船方案设丁玲. 中小型 船 型独立液罐设计关键技术研究 大连:大连理工大学,