1. 研究目的与意义（文献综述）
目的及意义
由于国际范围内各种燃油的价格一直居高不下，并且各种为了保护环境所推出的环保法规开始实行，即经济又环保的液化天然气（lng）渐渐为更多的人们所青睐，不仅陆地上开始使用lng为燃料的汽车，海上lng动力船舶的技术发展也提上了日程。
1959 年，由杂货船改装的世界上第一艘 lng 船—— methane pioneer号，从美国路易斯安娜州的查尔斯湖向英 国 canvey 岛基地运送了 5000m3的液化天然气（lng），揭开了lng海上运输的篇章。1964年，世界上第一次lng 海上贸易诞生，methane pioneer号和methane progress 号在阿尔及利亚和英国 canvey 岛之间运营，航次超过 900 次，总运输量达到 22000 m3。随后，在阿尔及利亚和 leltayve（法）、阿拉斯加和日本、利比亚与西班牙以及文莱 和日本之间都开始了 lng 船运输。从此，lng 船作为天然气海上运输的载体，随着lng海运贸易的蓬勃发展而发展起来。
lng 混合动力作为目前较为前沿的动力技术，本质上是基于当前的船用柴油发动机开发的，通过加装一套天然气供应系统和柴油双燃料天然气电控喷射系统，使用电子开关，实现两种操作模式的转换，从而在纯柴油燃料和石油天然气双燃料状态之间灵活切换，船上的单一柴油动力模式就转变成了lng 双燃料功率柴油机，为实现最大程度地节省燃油，降低污染物排放量，保护环境，可以通过使用液化天然气的部分或完全取代柴油燃料的做法来实现这两种目的。
2. 研究的基本内容与方案
1.1国内外研究和发展现状
1.1.1 LNG储罐的结构设计现状
ＬＮＧ的储存系统目前主要有三种类型：球罐型、薄膜型和ＳＰＢ型。针对这三种系统国内外有着不同的规定。目前我国与之相关的设计规范有 GB 500281993 《城镇燃气设计规范》 ; GB50183-2004 《石油天然气工程设计防火规范》等, 但尚无 LNG 专用设计规范。国外 LNG的专用规范有: API620 规 范, 美国 NFPA-59A 《液化天然气生产、储存和装卸》 , 英国 BS7777 标准。
ＬＮＧ储罐的设计是为了使船舶满足ＩＭＯＴｉｅｒｌｌｌ这一条例的排放要求，这在某种程度上使船舶建造成本增加了。LNG储罐的结构设计需要考虑的内容也有很多。例如：
（1）耐低温。LNG采用低温常压储存方式，因此储液罐体要具有良好的耐低温性能
(2) 安全要求高。储罐一旦出现意外，冷藏 的液体大量挥发会在大气中形成自动引爆的气团。美国石油协会标准《大型低压焊接储油罐的设计》 （API 620—2009）、美国防火协会标准《液化天然 气（LNG）生产、储存和装卸标准》（NFPA 59A— 2009）、英国标准《低温用平底、立式、圆柱形储罐》 （BS7777—1993）等规范都要求储罐采用双层壁结 构，确保储存安全。
(3) 保温措施严格。由于罐内外温差最高可 达 200℃，对保温提出了更高的要求。
（4）抗震性能要好。大型 LNG 储罐属于重点 设防类建构筑物，根据相关规范应按照高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。
(5) 施工要求严格。储罐全部焊缝必须进行 100％磁粉检测（MT）及 100％真空气密检测（VBT）， 内罐壁板焊缝还要进行100％射线检测（RT）。为防 止混凝土出现裂纹，采用后张拉预应力施工。对于混凝土较厚的罐底，为防止因温度应力产生的开裂， 浇注时需控制水化温度。
针对以上的问题现在大多数的LNG储罐设计基本依照以下几条原则：
（1）其材料一般选用304 钢、9Ni 钢等，以保证其耐低温。
（2）为防止 LNG 的泄漏，API、BS 等国际标准都要求其必须具有双层壳的结构；以保证其安全性 。
（3） LNG 储罐的内外温差最高时将超过 200℃，为了使罐内 LNG 保持液体状态并降低蒸发量，通常需要在罐体的双层壳之间设置绝热保温材料，以保证其有良好的绝热性。
1.1.2 LNG储罐的强度现状
蒋程程, 蔡永梅，谢禹钧三位利用ANSYS软件建立内筒模型，根据结构特点 和载荷特性，采用了1/2轴对称的力学模型。对LNG 罐式集装箱内筒强度储备分布进行了分析计算。他们依据中国船级社《集装箱检验规范-2012》和 JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》对 LNG罐式集装箱的内筒进行应力分析，通过 CAE 软件对罐式集装箱内筒体进行建模分析，得出筒体强度及位移分布状态，最后通过筒体的强度校核提出了合理设计方法。
H.J.Zhan 利用有限元分析法对 LNG 罐式集装箱的固有频率、受压变形和纵弯曲进行数值模拟研究；使用微分求积法，并考虑多种约束，进行振动分析； 最后利用参数研究法分析其固有频率、受压变形和纵弯曲。
刘雪梅建立了 1CC 型罐式集装箱的有限元模型，通过将介质惯性力等效为 静载荷，分别利用平均压强法和等效质量法对罐式集装箱进行强度校核。研究发现，罐体的应力强度受内压影响明显，而框架的应力强度主要受惯性力影响。其次，利用 FLUENT 模拟罐内介质的晃动，分析冲击力等参数随时间的变化情 况。最后，将介质惯性力等效为动载荷进行强度校核，并比较冲击载荷法、平均压强法和等效质量法对其强度分析的影响。
万里平在论文中以某 LPG 运输半挂车罐体为研究对象，应用 ANSYS 建立 有限元模型，对四种典型的惯性力载荷工况进行应力分析，发现应力强度在局部位置不能满足要求，而增加加强圈厚度效果亦不明显。当采用新的加强结构 后，罐体既满足了强度及刚度要求，还节省了材料，降低了重量。
1.1.3 LNG储罐的疲劳研究现状
疲劳问题一直是行业内的热点问题，欧洲对于相关规范的制定开始得比较早。2001年挪威船级社就制定了相关的船舶规范。2004 年，挪威提议开展气体动力船舶国际法案研究，尤其针对 LNG 动力船舶的安全运营问题展开讨论。2009 年，IMO 海事委员会（MSC）也制定并通过了 IMOMSC. 285(86)号决议。2017 年，IMO 又通过了《使用气体或低闪点燃料船舶国际安全规则》，即“IGF 规则”，为全球以 LNG 为燃料的船舶提供了一份统一的国际标准，为全球 LNG 燃料动力船的安全、持续发展奠定了坚实的基础。
国内方面，2001 年中国船级社 CCS 出台了《船体结构疲劳强度指南》，2011 年颁布了《气体燃料动力船舶检验指南》和《船用液化天然气储罐审图原则》两份指则。2012 年交通运输部海事局发布了《关于明确 LNG 动力船改造试点工作有关事宜的通知》。2013 年 CCS 制定的《天然气燃料动力船舶规范》（以下简称“动规”）正式生效，并在 2016 年年底根据“IGF 规则”做了相关修正，此规范为 LNG 燃料动力船舶提供设计建造的依据，取代了之前的《气体燃料动力船检验指南》，与《钢质船舶入级规范》《国内航行海船建造规范》《钢质内河船舶建造规范》共同构筑中国的 LNG 动力船舶建造规范体系。
世界主要船级社虽都提供了疲劳评估的经验公式和简化算法，但不便直接用来进行 LNG 燃料船储气 罐的疲劳强度评估。如CCS 相关指南中设定的波浪遭 遇次数为 0.6×108 次，CSR 油船规范要求提供 10-4 概率水平对应的应力范围。IGF 规则要求疲劳分析时。最少考虑 108次波浪遭遇。
冯庆国的博士论文较为系统的论述了结构疲劳分析的基本原理、世界主要船级社的疲劳评估简化方法及疲劳评估的谱分析方法，他的研究成果对船体结构疲劳评估工作有较大的实用价值。
张凡、胡嘉骏对谱分析法疲劳评估的基本原理和流程进行了研究，并给出了用谱分析法进行大型 LNG 船疲劳评估的完整过程，他们的工作有很大的参考价值。
阎晓艳等人基于 S-N 曲线法和疲劳累积损 伤理论对CCS和DNV关于船体结构疲劳强度的指南进行了分析和比较，有益于相关工程人员对船级社疲劳评估算法的理解和应用。
1.1.4 LNG储罐的晃荡分析
ＬＮＧ燃料舱的设计必须考虑到任何可能发生的装载高度下的晃荡载荷，避免其对主屏蔽结构造成破坏。按照ＤＮＶ规范的要求，在晃荡载荷较小的情况下，载荷的计算可以按照经验公式进行。相反的，如果载荷值较大，则采用精确手段进行晃荡载荷的响应计算是十分必要的。伴随计算机性能的高速发展，ＣＡＥ、ＣＦＤ等计算机辅助计算软件的功能日益强大。基于商业软件进行晃荡分析具有极髙的效率和精度。主流的晃荡分析软件包括如下几种
（１）ＦＬＵＥＮＴ等流体力学软件；
（２）ＡＮＳＹＳ有限元计算程序；
（３）瞬态动力学计算仿真程序ＭＳＣ－Ｄｙｔｒａｎ。
ＭＳＣ－ＤＹＴＲＡＮ是ＭＳＣ针对包括流固耦合在内的瞬态动力学问题开发的高度集成软件。这是一款具有广泛用途的三维非线性动态分析有限元软件，可以模拟气体或液体的流动、髙速碰撞及非线性接触等问题。Ｄｙｔｒａｎ采用ＡＬＴ（ＡｒｂｉｔｒａｒｙＬａｇｒａｎｇｅＥｕｌｅｒ）法处理流固耦合问题。ＡＬＴ法使得拉格朗日单元的应变可以作用于欧拉边界网格，欧拉网格的压力计算结果也可以加载到拉格朗日单元上。
液体晃荡是一种特殊的流体运动形式，有很强的随机性。如果晃荡载荷可能危害结构安全，则有必要进行时域分析和结构响应分析。ＳＰＢ型储罐的最大优点就是可以有效的遏制液体晃荡。船级社要求设计LNG储罐时要分析其晃荡特性。
娜日萨等在 DNV 基于压力的液舱晃荡分析方法的基础上，引入体积模量减缩、时空放大等技术，利用 MSC.Dytran 平台，采用 ALE 方法和有限体积法 对某大型油轮开展液舱晃荡分析，并将仿真结果与实验数据对比，分析误差原因，研究液体晃动对于液舱的结构强度影响。
李松等通过数值模拟和实验分析，研究了圆柱形贮箱在水平放置情况下内部液体的横向晃动情况。分析了贮箱内的液体在各种充液比下的晃动特性，并利用扫描式的激光测振仪实现了液面波形的直接测量。通过 ANSYS 模拟出 液体的高阶局部振动情况和低阶晃动振型，并利用虚拟质量法对液体横向晃动 的低阶频率值进行了校核。
王佳栋以设有环形隔板的圆柱罐体为对象，研究内部液体的小幅晃动。通过将液体域分为若干子域, 独立研究各子域，然后利用叠加法及变量分离法，得到各子域的振型函数解。再根据连续条件及表面波条件，得到级数方程，求解后得到振型函数及固有频率。
2研究内容
以某15m3船用LNG储罐为原型，进行LNG储罐的几何结构设计，利用SolidWorks建立其三维模型，采用ANSYS分析其在不同工况下的强度及疲劳情况，运用Fluent研究防波板对储罐的减晃效果，进而为我国LNG储罐的设计及应用提供理论依据。主要内容包括以下几个方面：
（1）储罐的结构设计
分析LNG储罐的设计要求，提出LNG储罐结构设计的一般方法，以某有效容积15m3的LNG储罐作为原型，开展内容器、外壳体、内支撑结构及绝热结构的设计。
（2）储罐的强度分析
分析现有标准中关于LNG储罐惯性力载荷的各种适用加速度，研究LNG储罐强度分析的一般流程，分析储罐在不同运动工况下的结构强度，研究储罐的布置方向、接触的简化形式对强度计算的影响。
（3）储罐的疲劳分析
研究疲劳分析的数值计算方法，提出LNG储罐疲劳分析的一般流程，进行储罐的疲劳分析和校核计算，探讨储罐的布置方向对疲劳损伤计算和结构设计的影响。
（4）储罐的晃荡分析
开展LNG储罐晃荡分析的理论研究，提出晃荡分析的一般方法，通过LNG储罐中介质晃荡的数值模拟，分析充装率、防波板等因素对晃荡过程影响。
3 关键研究技术及技术路线
3. 研究计划与安排
1进度安排
第1-2周 进行英文翻译以及填写开题报告，并搜集国内外有关于“船用lng储罐的文献”
第3-5周 用cad与solidework软件画出lng储罐模型
第6-8周 用ansys软件分析lng储罐的强度，疲劳特性，晃荡特性
4. 参考文献（12篇以上）
【1】 otto skovholt，improved liquid natural gas storage tank design
【2】李建军，lng储罐的建造技术
【3】罗晓钟，lng储罐发展现状及船用适用性
