大型液化天然氣船溫度場及溫度應力研究

2013-06-04  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

大型液化天然氣裝有船超低溫(-163℃)的特殊貨物,對船舶結構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,對大型液化天然氣船的溫度場分布做了深入的研究,并針對高低溫并存的工作狀態下船體結構的溫度應力進行了計算,分析了超低溫作用對于船舶結構強度的影響。研究成果對于提高我國LNG船的研發水平具有一定的指導意義。

丁仕風 唐文勇 張圣坤 來源:萬方數據
關鍵字:CAE MSC 液化天然氣船 船舶結構強度 溫度場 溫度應力

如何屏蔽超低溫作用是發展大型液化天然氣船的技術瓶頸,國內外專家針對超低溫作用下的LNG船溫度場研究作了大量的工作:章偉星等基于ANSYS軟件進行了LNG船溫度場研究;杜忠仁介紹了薄膜型液化天然氣船船體結構設計中的幾個特殊問題船體結構基本型式、貨艙溫度分布計算、貨艙區船體鋼級選用以及船體構件布置和尺度要求等;Hsieh-Shen Hsieh等進行了激光作用下鋼板受熱瞬時變形的情況研究;N.K.Anifantis等進行了單向纖維材料的溫度應力和應變研究;Shahriar Jahanian建立了數值分析模型,對空心圓柱體的溫度場及溫度應力進行了研究;Jun-feng Hu等進行了鎳鋼板在切割過程中的溫度場、溫度應力及微觀機構的研究;H.Cho等對厚圓柱殼的邊界曲面處有熱對流作用情況下的結構溫度應力進行了研究。
本文以140000m3級薄膜型液化天然氣船為研究對象,研究在絕緣層保護情況下,船體的溫度場分布,在此基礎上研究了高低溫并存工作狀態下船體結構溫度應力的情況,并進一步比較了有超低溫作用和常溫狀態下船體強度的變化。本文的研究成果對于評估超低溫對船體結構安全的影響、制定相關液化天然氣船結構安全規范具有一定的指導意義。
1 數學模型
1.1 問題描述及控制方程
大型液化天然氣船在海洋中航行,受空氣、海水熱對流即太陽熱輻射的作用,發生熱傳遞。鑒于研究需要,對熱傳遞情況進行簡化和處理。忽略太陽輻射作用,并對流體熱對流傳熱過程進行簡化,認為水線以上存在空氣對船體結構的熱對流作用,水線以下存在海水對船體的熱對流作用,船體舷側雙層殼之間存在自上而下的自然熱對流作用(見圖1),船體結構內部存在著熱傳導過程。

圖1 熱傳遞示意圖

1.2 有限元模型建立
以140000m³級NO.96薄膜型液化天然氣船為研究對象,以大型有限元軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN為計算工具,建立三艙段模型進行研究。貨艙區內的絕緣材料采用三維體單元建模,其余各船體構件采用板、梁單元.船體結構按一般船用鋼材設計,密度為7830kg/m³,熱傳導系數45.3W/(m·℃),泊松比0.3,彈性模量2.06×10¹¹Pa,溫度膨脹系數1.1×10^-5℃。絕緣材料取9%鎳鋼材料,密度為7850kg/m³,熱傳導系數0.0535 W/(m·℃),泊松比0.3,彈性模量2.1×10¹¹Pa,溫度膨脹系數9.7×10^-6℃,坐標系采用右手坐標系,原點位于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,有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型圖

1.3 邊界條件確立
1.3.1 計算溫度場時邊界條件
水線上,船體外殼與空氣發生對流換熱,空氣溫度為5℃,對流系數為16.27;水線下,船體外殼與海水發生對流換熱,海水溫度為0℃,對流系數為139.5:內部絕緣層和液化天然氣之間建立對流邊界條件,LNG溫度取為-163℃,對流系數為139.5W/(m²·℃):首尾橫艙壁建立對流邊界條件,船體內空氣溫度取為5℃,對流系數分別為4.65W/(m²·℃)和3.37W/(m²·℃):船體外殼和內殼之間建立流體熱對流耦合條件;兩液貨艙之間相鄰橫艙壁、舷側上下結構之間也建立相應的熱對流耦合條件。
1.3.2 計算溫度應力時邊界條件
進行船體結構總縱強度校核時邊界條件為:1)模型后端面保持平端面假設,在該剖面中和軸處建立一個獨立點,端面上其他節點與獨立點相關,在獨立點上施加彎矩;2)模型前端面保持平端面假設,在該剖面中和軸處建立一個獨立點,端面上其他節點與獨立點相關,在獨立點上施加彎矩;3)為了便于計算,忽略鋼材在超低溫作用下的冷脆性,不計及鋼材的屈曲,假定材料是理想的線彈性材料;4)根據船舶技術資料:中拱彎矩取為4822838KNm,中垂彎矩取為-5275675KNm;5)詳細邊界條件見表1。

表l 邊界條件

2 有限元計算
2.1 溫度場計算
船體結構主要部位溫度值見表2,船體溫度分布云圖見圖3。

圖3 大型液化天然氣船船體結構溫度場云圖

表2 船體各部分溫度值

海水溫度內外底板溫度值計算結果在本文計算結果范圍內;空氣溫度取為-20℃,其甲板、舷側位置處計算結果和本文沒有可比性,但是其內外甲板、舷側內外板的溫度差值和本文的卻很接近。可見本文的計算是可信的,更突出的反映了船體結構不同位置處不同的溫度分布情況,體現了熱傳導和熱對流在船舶熱交換過程中的作用。
2.2 溫度應力計算
將溫度場作為溫度邊界條件帶入船舶總縱強度計算,用MSC/NASTRAN進行強度分析,主要計算結果見表3。

表3 超低溫作用對LNG船總縱強度的影響

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

圖4 參考點示意圖(艙壁最大應力處取為M點)

3 結論
通過本文的計算、分析,可以發現:
1)大型通用有限元軟件是研究船體結構溫度場及溫度應力的有效、便捷途徑,通過合理簡化模型、構建正確的邊界條件,可以準確地模擬LNG船在超低溫作用下的溫度場及溫度應力情況;
2)設置適當的絕緣層是屏蔽超低溫、保障船體結構安全的有效手段,但液化天然氣船仍處于高低溫并存的工作狀態,兩貨艙之間出現了較大范圍的低溫區;
3)超低溫作用對大型液化天然氣船安全構成了巨大威脅,在兩液貨艙交界位置附近,結構溫度應力很大,一般的船用鋼材已經難以滿足安全需要,需要考慮采用高強度、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構溫度應力相對較小,其他船體結構基本處于船用鋼的許用應力范圍內,可以通過優化結構設計的方法進一步提高大型液化天然氣船的安全性能;
    5)有超低溫作用和無超低溫作用船體結構應力變化較大,進一步研究可以考慮到LNG船在碼頭裝卸貨作業過程中貨艙內溫度變化對船體結構安全的影響。

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