大型液化天然氣船溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力研究

2013-06-04  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

大型液化天然氣裝有船超低溫(-163℃)的特殊貨物,對(duì)船舶結(jié)構(gòu)安全提出了更高要求。文章以MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN大型有限元軟件為平臺(tái),對(duì)大型液化天然氣船的溫度場(chǎng)分布做了深入的研究,并針對(duì)高低溫并存的工作狀態(tài)下船體結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,分析了超低溫作用對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。研究成果對(duì)于提高我國(guó)LNG船的研發(fā)水平具有一定的指導(dǎo)意義。

丁仕風(fēng) 唐文勇 張圣坤 來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:CAE MSC 液化天然氣船 船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 溫度場(chǎng) 溫度應(yīng)力

如何屏蔽超低溫作用是發(fā)展大型液化天然氣船的技術(shù)瓶頸,國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)超低溫作用下的LNG船溫度場(chǎng)研究作了大量的工作:章偉星等基于ANSYS軟件進(jìn)行了LNG船溫度場(chǎng)研究;杜忠仁介紹了薄膜型液化天然氣船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)特殊問(wèn)題船體結(jié)構(gòu)基本型式、貨艙溫度分布計(jì)算、貨艙區(qū)船體鋼級(jí)選用以及船體構(gòu)件布置和尺度要求等;Hsieh-Shen Hsieh等進(jìn)行了激光作用下鋼板受熱瞬時(shí)變形的情況研究;N.K.Anifantis等進(jìn)行了單向纖維材料的溫度應(yīng)力和應(yīng)變研究;Shahriar Jahanian建立了數(shù)值分析模型,對(duì)空心圓柱體的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究;Jun-feng Hu等進(jìn)行了鎳鋼板在切割過(guò)程中的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力及微觀機(jī)構(gòu)的研究;H.Cho等對(duì)厚圓柱殼的邊界曲面處有熱對(duì)流作用情況下的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究。
本文以140000m3級(jí)薄膜型液化天然氣船為研究對(duì)象,研究在絕緣層保護(hù)情況下,船體的溫度場(chǎng)分布,在此基礎(chǔ)上研究了高低溫并存工作狀態(tài)下船體結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的情況,并進(jìn)一步比較了有超低溫作用和常溫狀態(tài)下船體強(qiáng)度的變化。本文的研究成果對(duì)于評(píng)估超低溫對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全的影響、制定相關(guān)液化天然氣船結(jié)構(gòu)安全規(guī)范具有一定的指導(dǎo)意義。
1 數(shù)學(xué)模型
1.1 問(wèn)題描述及控制方程
大型液化天然氣船在海洋中航行,受空氣、海水熱對(duì)流即太陽(yáng)熱輻射的作用,發(fā)生熱傳遞。鑒于研究需要,對(duì)熱傳遞情況進(jìn)行簡(jiǎn)化和處理。忽略太陽(yáng)輻射作用,并對(duì)流體熱對(duì)流傳熱過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化,認(rèn)為水線以上存在空氣對(duì)船體結(jié)構(gòu)的熱對(duì)流作用,水線以下存在海水對(duì)船體的熱對(duì)流作用,船體舷側(cè)雙層殼之間存在自上而下的自然熱對(duì)流作用(見(jiàn)圖1),船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著熱傳導(dǎo)過(guò)程。

圖1 熱傳遞示意圖

1.2 有限元模型建立
以140000m³級(jí)NO.96薄膜型液化天然氣船為研究對(duì)象,以大型有限元軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN為計(jì)算工具,建立三艙段模型進(jìn)行研究。貨艙區(qū)內(nèi)的絕緣材料采用三維體單元建模,其余各船體構(gòu)件采用板、梁?jiǎn)卧?船體結(jié)構(gòu)按一般船用鋼材設(shè)計(jì),密度為7830kg/m³,熱傳導(dǎo)系數(shù)45.3W/(m·℃),泊松比0.3,彈性模量2.06×10¹¹Pa,溫度膨脹系數(shù)1.1×10^-5℃。絕緣材料取9%鎳鋼材料,密度為7850kg/m³,熱傳導(dǎo)系數(shù)0.0535 W/(m·℃),泊松比0.3,彈性模量2.1×10¹¹Pa,溫度膨脹系數(shù)9.7×10^-6℃,坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系,原點(diǎn)位于Fr68船底中線處,x軸向船首為正方向,瑚向左舷為正方向,瑚向上為正方向,有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型圖

1.3 邊界條件確立
1.3.1 計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)邊界條件
水線上,船體外殼與空氣發(fā)生對(duì)流換熱,空氣溫度為5℃,對(duì)流系數(shù)為16.27;水線下,船體外殼與海水發(fā)生對(duì)流換熱,海水溫度為0℃,對(duì)流系數(shù)為139.5:內(nèi)部絕緣層和液化天然氣之間建立對(duì)流邊界條件,LNG溫度取為-163℃,對(duì)流系數(shù)為139.5W/(m²·℃):首尾橫艙壁建立對(duì)流邊界條件,船體內(nèi)空氣溫度取為5℃,對(duì)流系數(shù)分別為4.65W/(m²·℃)和3.37W/(m²·℃):船體外殼和內(nèi)殼之間建立流體熱對(duì)流耦合條件;兩液貨艙之間相鄰橫艙壁、舷側(cè)上下結(jié)構(gòu)之間也建立相應(yīng)的熱對(duì)流耦合條件。
1.3.2 計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)邊界條件
進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度校核時(shí)邊界條件為:1)模型后端面保持平端面假設(shè),在該剖面中和軸處建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn),端面上其他節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān),在獨(dú)立點(diǎn)上施加彎矩;2)模型前端面保持平端面假設(shè),在該剖面中和軸處建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn),端面上其他節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān),在獨(dú)立點(diǎn)上施加彎矩;3)為了便于計(jì)算,忽略鋼材在超低溫作用下的冷脆性,不計(jì)及鋼材的屈曲,假定材料是理想的線彈性材料;4)根據(jù)船舶技術(shù)資料:中拱彎矩取為4822838KNm,中垂彎矩取為-5275675KNm;5)詳細(xì)邊界條件見(jiàn)表1。

表l 邊界條件

2 有限元計(jì)算
2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算
船體結(jié)構(gòu)主要部位溫度值見(jiàn)表2,船體溫度分布云圖見(jiàn)圖3。

圖3 大型液化天然氣船船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)云圖

表2 船體各部分溫度值

海水溫度內(nèi)外底板溫度值計(jì)算結(jié)果在本文計(jì)算結(jié)果范圍內(nèi);空氣溫度取為-20℃,其甲板、舷側(cè)位置處計(jì)算結(jié)果和本文沒(méi)有可比性,但是其內(nèi)外甲板、舷側(cè)內(nèi)外板的溫度差值和本文的卻很接近?？梢?jiàn)本文的計(jì)算是可信的,更突出的反映了船體結(jié)構(gòu)不同位置處不同的溫度分布情況,體現(xiàn)了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流在船舶熱交換過(guò)程中的作用。
2.2 溫度應(yīng)力計(jì)算
將溫度場(chǎng)作為溫度邊界條件帶入船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算,用MSC/NASTRAN進(jìn)行強(qiáng)度分析,主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 超低溫作用對(duì)LNG船總縱強(qiáng)度的影響

2.3 超低溫作用對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響評(píng)估
為了評(píng)估超低溫作用對(duì)LNG船強(qiáng)度的影響,選取模型中間部分的一系列點(diǎn)作為參考點(diǎn)(如圖4所示)(艙壁最大應(yīng)力處取為M點(diǎn)),比較這些點(diǎn)處超低溫作用前后的應(yīng)力變化(見(jiàn)表3)。
由表中數(shù)據(jù)比較可見(jiàn):超低溫作用對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高要求:在超低溫作用下,應(yīng)力變化相當(dāng)大,如F,G,H,M點(diǎn)處應(yīng)力增大了若干倍,其他各點(diǎn)處應(yīng)力也大幅度增加。引入高強(qiáng)度鋼及特種絕熱材料,降低超低溫作用對(duì)大型液化天然氣船安全的威脅,具有極其重要的工程實(shí)際意義。

圖4 參考點(diǎn)示意圖(艙壁最大應(yīng)力處取為M點(diǎn))

3 結(jié)論
通過(guò)本文的計(jì)算、分析,可以發(fā)現(xiàn):
1)大型通用有限元軟件是研究船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的有效、便捷途徑,通過(guò)合理簡(jiǎn)化模型、構(gòu)建正確的邊界條件,可以準(zhǔn)確地模擬LNG船在超低溫作用下的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力情況;
2)設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^緣層是屏蔽超低溫、保障船體結(jié)構(gòu)安全的有效手段,但液化天然氣船仍處于高低溫并存的工作狀態(tài),兩貨艙之間出現(xiàn)了較大范圍的低溫區(qū);
3)超低溫作用對(duì)大型液化天然氣船安全構(gòu)成了巨大威脅,在兩液貨艙交界位置附近,結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力很大,一般的船用鋼材已經(jīng)難以滿足安全需要,需要考慮采用高強(qiáng)度、耐低溫的材料或者在該位置附近加裝升溫裝置;
4)除兩貨艙交界位置外的船體結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力相對(duì)較小,其他船體結(jié)構(gòu)基本處于船用鋼的許用應(yīng)力范圍內(nèi),可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)一步提高大型液化天然氣船的安全性能;
    5)有超低溫作用和無(wú)超低溫作用船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較大,進(jìn)一步研究可以考慮到LNG船在碼頭裝卸貨作業(yè)過(guò)程中貨艙內(nèi)溫度變化對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全的影響。

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