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液化氣(lique fied petroleum gas LPG)船是一種新型高附加值船舶，具有廣闊的市場發(fā)展前景。LPG船在結(jié)構(gòu)上具有與一般船舶不同的特點，其所載的液化氣罐在船艙中占有很大的空間，而且這類船舶的結(jié)構(gòu)安全性能要求較高。對于這類新型船舶，傳統(tǒng)的船舶設(shè)計規(guī)范已很難完全滿足設(shè)計要求，故對LPG船的結(jié)構(gòu)進行強度分析是很有必要的。
對整船的結(jié)構(gòu)作有限元分析，可得到船體結(jié)構(gòu)的總縱強度分布，了解船體在其使用工況下的船體應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高的部位。在整船結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)上，選取船體的中部結(jié)構(gòu)在典型工況下進行三維艙段的結(jié)構(gòu)有限元分析，可作為整船分析的補充，重點分析艙段的局部強度了解總強度對局部強度的影響。按規(guī)范設(shè)計時總強度的判斷是采用船體梁剖面模數(shù)理論，即認(rèn)為距離橫剖面中和軸相等的構(gòu)件應(yīng)力值是相同的，認(rèn)為甲板或底部構(gòu)件沿船寬方向應(yīng)力是一致的。
實際上船體沿寬度方向的應(yīng)力是變化的，在有開孔部位和特殊結(jié)構(gòu)連接部位應(yīng)力變化較大。此外，船體沿船長方向結(jié)構(gòu)連接也會影響到船體結(jié)構(gòu)舷側(cè)殼板的剪力分布，船殼線型變化較大部位都可能引起較大剪力變化。故對整船作有限元分析可視為規(guī)范設(shè)計的一種補充手段，通過分析揭示結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的不均勻性，及時發(fā)現(xiàn)船體高應(yīng)力部位，使設(shè)計者能根據(jù)船體的應(yīng)力分布狀態(tài)合理地使用材料，對高應(yīng)力部位及早采取措施。此外，整船分析能真實地預(yù)報船體變形，便于對船體變形有特殊要求的部位進行控制。
本研究對液化氣船的船體結(jié)構(gòu)強度進行了分析，建立了整船和船體主艙段的三維有限元結(jié)構(gòu)模型，使用節(jié)點力的自動加載技術(shù)和慣性平衡處理技術(shù)建立有限元模型的節(jié)點載荷，對整船模型進行三維有限元分析，在中拱和中垂彎矩作用下，計算出船體在壓載和滿載工況下的船體應(yīng)力和變形。通過對船體艙段的邊界處理技術(shù)，對受船體總強度影響的船體艙段局部強度進行了分析，從而對船體強度作出判斷。
船體在航行中分別承受著靜水壓力、波浪壓力、重力和貨物載荷等力的作用，從而產(chǎn)生船體的靜水彎矩和波浪彎矩。不同的靜水彎矩和波浪彎矩的疊加，構(gòu)成了對應(yīng)的各種外力計算工況，如壓載狀態(tài)中拱波浪彎矩工況、壓載狀態(tài)中垂波浪彎矩工況、滿載狀態(tài)中拱波浪彎矩工況和滿載狀態(tài)中垂波浪彎矩工況等，這些都是船舶運行中的典型工況。
由船體的吃水狀態(tài)可獲得沿船長的靜水彎矩分布，根據(jù)船體的裝載狀態(tài)可計算出作用在船體上的重力和貨物載荷，通過對船舶進行波浪彎矩預(yù)報和計算，得到波浪作用下沿船長分布的中拱和中垂波浪彎矩值，以上各種載荷的組合就構(gòu)成了作用于船體的外載荷。船舶在波浪中航行時，受到波浪力和靜水力的合成作用，它們作為分布壓力垂直作用于船體的外表面。船舶和波浪的遭遇是隨機的，波浪也是不規(guī)則的，因而波浪力根據(jù)波浪方向的不同而來自各個方向。
根據(jù)船體波浪彎矩預(yù)報結(jié)果可得到波浪彎矩預(yù)報值和水動壓力(包括波浪力和靜水力)沿船體外表面的分布。在LPG船的液罐內(nèi)裝載著液化氣，在壓載狀態(tài)下船體兩側(cè)壓載艙內(nèi)還裝載著壓載水，根據(jù)液化氣和海水的比重及其液面高度可得到液罐和壓載艙內(nèi)表面的壓力分布。
結(jié)構(gòu)表面壓力分布轉(zhuǎn)化為節(jié)點力通過節(jié)點力自動加載技術(shù)，將作用于船體結(jié)構(gòu)上的各種載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點集中力以用于有限元計算。這主要運用了線性分布載荷積分方法，對于船體有壓力分布的任意結(jié)構(gòu)表面，可構(gòu)成一系列三角形單元(四邊形單元可化為三角形單元)。對每一三角形單元可建立局部坐標(biāo)系，對應(yīng)的載荷強度分別為P1，PZ，P3，則這三個頂點的等效節(jié)點力F1，F(xiàn)Z，F(xiàn)，按如下原則求得：(1)構(gòu)造一函數(shù)G，對三角形ABC所受的面壓力；(2)三角形的節(jié)點力合力和所產(chǎn)生的合力矩與承受的分布力等效；(3)將求出的F1，F(xiàn)Z，F(xiàn)3轉(zhuǎn)換成總坐標(biāo)下的節(jié)點力，并將各單元在同一節(jié)點上所產(chǎn)生的等效節(jié)點力相疊加，即可得到該節(jié)點的節(jié)點力。
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