CN106383940A - 船用lng独立c型舱危险晃荡工况的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算方法，属于船舶与海洋工程、石油与天然气工程领域。该计算方法步骤为：(1)求解指定液位下LNG独立C型舱一阶横、纵向固有频率，并计算固有频率响应范围；(2)基于水动力分析，求解实船的RAO；(3)根据营运海况，计算实船时域内的运动响应，并找出主频，结合固有频率响应范围确定危险晃荡激励频率；(4)根据激励频率提取RAO中实船运动幅值，作为危险晃荡激励幅值；(5)按照指定液位，危险晃荡激励频率、幅值，以简谐激励LNG独立C型舱求解晃荡载荷，并以此载荷校核结构强度。通过本方法计算的危险晃荡工况符合实船的实际动态响应，且包含了LNG独立C型舱的较大晃荡载荷。

Description

船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算方法

技术领域

本发明涉及一种船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算方法，属于船舶与海洋工程领域，以及石油与天然气工程领域。

背景技术

LNG作为一种清洁能源，因其燃烧后不产生氮和硫化物，受到了业界的广泛关注。航运领域能源消耗大，在“绿色船舶”的新趋势下，开始采用LNG作为船舶主机燃料之一。独立C型舱用于储存LNG燃料，随着LNG燃料的消耗，独立C型舱会出现部分装载的情况，在船舶运动的激励下，独立C型舱内LNG液体产生晃荡冲击。同样有这种问题的是LNG加注船，其通常也使用LNG独立C型舱。在众多加注方式中，加注船的灵活、便捷是其它加注方式所不具备的，但其在营运状态下也会产生C型液舱部分装载的状况，而且加注船的液舱通常要比燃料罐更大一些，因此晃荡载荷对液舱结构产生的冲击力也更大。目前对于LNG独立C型舱的结构设计主要以加速度椭圆的计算方式来确定计算加速度，之后辅助一些必要工况进行结构校核，但晃荡载荷的直接计算方法还没有确定性方法。因此，提出一种准确、可实施，且符合船舶实际运行情况的晃荡载荷危险工况是非常有必要的。

发明内容

为了将船体运动对LNG独立C型舱的激励考虑的更加完善、符合实际情况，同时使计算晃荡载荷的工况更加合理、全面，本发明提出一种船用LNG独立C型舱晃荡载荷危险工况的计算方法。该方法应使用模态分析，对船用LNG独立C型舱进行横、纵向的固有频率分析，结合实船在营运海况中的运动响应，计算LNG独立C型舱的危险晃荡工况，用以校核LNG独立C型舱在晃荡工况下的结构强度。该方法结合船舶运动，使计算的晃荡载荷工况更加准确，同时考虑LNG独立C型舱与船体运动的共振效应，使工况包含了危险的晃荡状态，是一种精确、全面、可实施的计算方法。

本发明采用的技术方案是：一种船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算方法，所述方法包含以下步骤：

(a)根据实船LNG独立C型舱的实际尺寸，运用模态分析或频率分析方法求解60％、65％、70％、75％、80％液位，LNG独立C型舱的一阶横、纵向的固有频率，并根据求解出的结果，以其0.7倍至1.3倍作为固有频率响应范围；

(b)建立船体的水动力分析模型，并划分网格；对水动力分析模型进行频域计算，求解实船在60％、65％、70％、75％、80％液位下，当浪向角为0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°及波浪频率范围为0.015Hz至0.3Hz时的RAO；其中，波浪频率范围内的步长为0.009Hz，当波浪频率范围与固有频率响应范围重合时，步长加密至0.005Hz；

(c)根据营运海况，计算实船在不同液位、不同浪向角下，时域内的运动响应；其中，液位与浪向角均与第(b)步中的液位与浪向角保持一致；通过对横荡、横摇、纵荡和纵摇运动曲线的傅里叶变换，找出傅里叶变换后的能量谱中的0.5倍最大值所对应的所有频率作为主频，并与第(a)步计算的固有频率响应范围求交集，确定危险晃荡激励频率；

(d)依照提取出的主频，按下式换算为波浪频率后，在实船对应运动形式的RAO中，找出实船的响应幅值，根据营运海况的有义波高，计算实船的运动幅值，作为危险晃荡激励幅值；

$\mathrm{\ω}=\left|\frac{g(-1\±\sqrt{1+4V\·cos\mathrm{\β}\·{\mathrm{\ω}}_e})}{2V\·cos\mathrm{\β}}\right|$

其中，ω为波浪频率，ω_e为激励频率，V为航速，β为浪向角；

(e)根据确定出的危险晃荡激励频率、激励幅值，区分运动方向，以单自由度简谐激励的方式，求取LNG独立C型舱在60％、65％、70％、75％、80％液位下的晃荡载荷；并将此载荷作为LNG独立C型舱在晃荡工况下的结构校核标准。

所述横荡、横摇、纵荡和纵摇运动曲线傅里叶变换，在0°和180°浪向角时，只对纵摇和纵荡的运动曲线做傅里叶变换；在90°浪向角时，只对横荡和横摇的运动曲线做傅里叶变换。

本发明的有益效果是：一种船用LNG独立C型舱晃荡载荷危险工况的计算方法使用模态分析，对船用LNG独立C型舱进行横、纵向的固有频率分析，结合实船在营运海况中的运动响应，计算LNG独立C型舱的危险晃荡工况，用以校核LNG独立C型舱在晃荡工况下的结构强度；结合船舶运动，使计算的晃荡载荷工况更加准确，同时考虑LNG独立C型舱与船体运动的共振效应，使工况包含了危险的晃荡状态，是一种精确、全面、可实施的计算方法。该方法的优点是：1)考虑了LNG独立C型液舱的固有频率，并将接近固有频率的激励频率均设置为固有频率响应区间，使计算的激励频率涵盖LNG独立C型舱的危险晃荡频率响应区间；2)以实船在实际运营海况中的运动情况，作为LNG独立C型舱晃荡工况的选取依据，以此计算符合实际情况的晃荡激励频率；3)考虑了不同浪向角下，实船的运动响应，并根据计算得出的实船RAO计算了LNG独立C型舱的晃荡激励幅值，提高了对晃荡载荷估计的准确性。

附图说明

图1是船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算流程图。

图2是实船LNG独立C型舱的频率分析模型。

图3是实船LNG独立C型舱的频率分析网格模型。

图4是LNG独立C型舱横向一阶振型图。

图5是LNG独立C型舱纵向一阶振型图。

图6是实船水动力分析网格模型。

图中：1、LNG独立C型舱罐壁，2、液货。

具体实施方式

下面针对附图1的计算流程，结合其他附图对本发明的具体实施步骤进行详细说明。

1)建立实船LNG独立C型舱的模态分析模型，并划分网格，利用有限元软件ADINA的频率分析模块，求解其60％、65％、70％、75％、80％液位下，LNG独立C型舱的一阶横、纵向的固有频率。以固有频率的0.7至1.3倍为LNG独立C型舱横、纵向的固有频率响应范围。图2示出了LNG独立C型舱的模态分析模型。图3示出了LNG独立C型舱的模态分析网格模型。图4示出了在60％液位下，LNG独立C型舱的横向一阶振型。图5示出了在60％液位下，LNG独立C型舱的纵向一阶振型。

2)依照船体型线图，建立船体外壳的水动力分析模型，并划分面网格。输入实船在LNG独立C型舱60％、65％、70％、75％、80％液位下的重量、重心及惯性矩，利用AQWA软件，对水动力分析模型进行频域计算，求解实船在60％、65％、70％、75％、80％液位下，波浪频率范围为0.015Hz至0.3Hz以及浪向角为0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°及180°时的RAO。其中，波浪频率范围内的步长为0.009Hz，当波浪频率范围与固有频率响应范围重合时，步长加密至0.005Hz。图6示出了实船水动力分析网格模型

3)根据营运海况，以第2)步同样的重量、中心及惯性矩，计算实船在60％、65％、70％、75％、80％液位下，当浪向角为0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°及180°时的时域内的运动响应，模拟时间为10000s。将计算的运动曲线进行傅里叶变换，当浪向角为0°、180°时，只对纵向运动，纵摇和纵荡的运动曲线做傅里叶变换；当浪向角为90°时，只对横荡和横摇的运动曲线做傅里叶变换。在其他浪向角时，只对横摇和纵摇的运动曲线做傅里叶变换。在傅里叶变换的能量谱中，找出谱中0.5倍最大值对应的所有频率作为主频，与第1)步计算的固有频率响应范围求交集，确定危险晃荡激励频率。

4)照提取出的主频，按下式换算为波浪频率后，在实船对应运动形式的RAO中，找出实船的响应幅值，根据营运海况的有义波高，计算实船的运动幅值，作为危险晃荡激励幅值。

$\mathrm{\ω}=\left|\frac{g(-1\±\sqrt{1+4V\·cos\mathrm{\β}\·{\mathrm{\ω}}_e})}{2V\·cos\mathrm{\β}}\right|$

式中，ω为波浪频率，ω_e为激励频率，V为航速，β为浪向角。

5)以第3步及第4步计算的危险晃荡激励频率、激励幅值，区分运动方向，以实船浮心作为LNG独立C型舱的晃荡激励轴心，使用单自由度简谐激励的方式，作为晃荡计算激励输入条件。应用CFD(Computational Fluid Dynamic，计算流体力学)软件，或其他自编程的晃荡计算软件，求取LNG独立C型舱在60％、65％、70％、75％、80％液位下的晃荡载荷。最终，将此载荷作为LNG独立C型舱在晃荡工况下的结构校核标准。

Claims (2)

1.一种船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算方法，其特征是：所述方法包含以下步骤：

(a)根据实船LNG独立C型舱的实际尺寸，运用模态分析或频率分析方法求解60％、65％、70％、75％、80％液位，LNG独立C型舱的一阶横、纵向的固有频率，并根据求解出的结果，以其0.7倍至1.3倍作为固有频率响应范围；

(b)建立船体的水动力分析模型，并划分网格；对水动力分析模型进行频域计算，求解实船在60％、65％、70％、75％、80％液位下，当浪向角为0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°及波浪频率范围为0.015Hz至0.3Hz时的RAO；其中，波浪频率范围内的步长为0.009Hz，当波浪频率范围与固有频率响应范围重合时，步长加密至0.005Hz；

(c)根据营运海况，计算实船在不同液位、不同浪向角下，时域内的运动响应；其中，液位与浪向角均与第(b)步中的液位与浪向角保持一致；通过对横荡、横摇、纵荡和纵摇运动曲线的傅里叶变换，找出傅里叶变换后的能量谱中的0.5倍最大值所对应的所有频率作为主频，并与第(a)步计算的固有频率响应范围求交集，确定危险晃荡激励频率；

(d)依照提取出的主频，按下式换算为波浪频率后，在实船对应运动形式的RAO中，找出实船的响应幅值，根据营运海况的有义波高，计算实船的运动幅值，作为危险晃荡激励幅值；

$\mathrm{\ω}=\left|\frac{g(-1\±\sqrt{1+4V\·cos\mathrm{\β}\·{\mathrm{\ω}}_e})}{2V\·cos\mathrm{\β}}\right|$

其中，ω为波浪频率，ω_e为激励频率，V为航速，β为浪向角；

(e)根据确定出的危险晃荡激励频率、激励幅值，区分运动方向，以单自由度简谐激励的方式，求取LNG独立C型舱在60％、65％、70％、75％、80％液位下的晃荡载荷；并将此载荷作为LNG独立C型舱在晃荡工况下的结构校核标准。

2.根据权利要求1所述的一种船用LNG独立C型舱危险晃荡工况的计算方法，其特征是：所述横荡、横摇、纵荡和纵摇运动曲线傅里叶变换，在0°和180°浪向角时，只对纵摇和纵荡的运动曲线做傅里叶变换；在90°浪向角时，只对横荡和横摇的运动曲线做傅里叶变换。