KR Webzine Vol.150

LNG运输船是以船体和货舱为一体的薄膜型的大型船为中心建造的，最近LNG的需求增加和LNG加注船的基础设施扩大，对中小型运输船的关注增加，正在积极进行独立舱搭载的研究。IMO B型舱由船体和货舱独立设计，可以确保舱内部储存的液体货物运动所产生的货物内部冲击负荷的结构安全性，具有适用燃料罐的设计灵活性的优点。但是，如图1，计算支持货舱的支持结构（Support structure）的泄漏气体量，在舱内部结构上部分设置双重屏障（Partial 2nd Drip Tray），必须伴随着裂纹扩展和气体泄漏量计算。以Moss型闻名的B型舱为例，现有的圆形结构在结构上稳定性非常突出，但不利于空间利用，由于甲板上部突出，不利于确保船的视野。为了克服这一问题，LNG货舱进入船体，克服了形状和大小的制约，但是像之前提到的裂纹扩展一样，复杂的过程和货物流出量计算等不确定的过程是必不可少的。

图1. Design Procedure of Type B tank system

部分双重防壁设计的疲劳裂纹扩展计算及流出量计算程序是基于BS-7910和IGC CODE的比较简单的决定论解析方法。英国标准代码（British Standard）BS-7910中收录了通过破坏力学疲劳裂纹扩展计算的裂纹允许性评估方法，如果不能正确体现考虑实际焊接条件的残留应力和载货及船体运动轨迹等，那么必然存在单纯计算的局限性，这将存在针对高危险货物的液化LNG泄漏的部分双重防壁容量及设计的不确定性。为了克服这些决定论基础的局限性，韩国船级社正在自行进行技术升级的详细研究，并将代表性的研究内容记述在下面。

图 2. 研究目标及推进内容

金属结构物的焊接过程是为了接合而反复粘贴、加热和冷却的工作。在这种反复的加热和冷却过程中，由于热膨胀形成了局部的变形和应力，冷却后也会因内部残留的不均衡而形成残余应力。这被称为焊接残留应力（Weld resistance stress），只有了解焊接部的残留应力分布，才能正确适用于裂纹扩展计算的应力振幅。为了得到正确的结果，要考虑主要焊接部的形状及焊接条件、边界条件，进行焊接部的解释，掌握结构脆弱部的位置，分析残留应力及应力（Membrane stress）、弯曲应力（Bending stress）等成分。

图3. 通过焊接解析计算残留应力

其次，利用有限原因分析计算应力扩大系数（Stress Intensity Factor）时，缺点是结构越复杂，就越难利用详细的裂纹修补方法来实现裂纹形状。克服这些缺点，将裂纹形象插入整个形象内部，实现不连续面的扩张有限元法（XFEM，eXtended Finite Element Method）的研究开发正在积极进行。XFEM以GFEM（Generalized Finite Element Method）和PUM（Partition of Unity Method）为基础，现有的有限元素法虽然显示了依赖于要素形象的计算结果，但是XFEM与要素形象无关，不经过翻拍过程。XFEM在有限元素法中添加了扩展自由度的概念，研究旨在解决裂纹尖端元素的位移不连续性，可以定义裂纹发生的边界上的分连续性。为了表现发生裂纹的区域，排位场假设如下：包括不连续跳跃发生要素中的扩张位移和包括裂纹线段在内的要素中的扩张位移。

在上述表达式中，N_i是一般有限元素的形状函数，H(X)是Heaviside step函数。第一项包括一般有限元素的连续位移场，第二项包括跳跃发生的元素场的位移场，最后一项包括裂纹端的位移场（破坏力学的理论解，F_l (X)。

下图是利用XFEM因疲劳负荷而产生裂纹的例子。随着负荷的反复增加，可以看到裂纹长度增加，应力放大系数也可以通过文本确认，可以与数值进行比较。XFEM与准确度的问题无关，还可以模拟多重裂纹，期待以后通过很多尝试得出有意义的结果。

                                                         图4. 利用XFEM的裂纹扩展计算

通过前面计算的焊接解析，利用残留应力、XFEM的裂纹尖端应力扩大系数等，获得复杂裂纹形态下的准确解，可以计算出裂纹感知后返航期间更准确的裂纹长度和货物泄漏量，这可以弥补适用于IMO B型舱的LNG运输船部分双重墙壁大小决定中的不确定性，并期待有效的安装。另外，这种技术开发可以在今后增加的中小型LNG运输船需求中采取先发制人的措施，成为主导新市场的基础技术。