大型液化天然气船温度场及温度应力研究

2013-06-04 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

大型液化天然气装有船超低温(-163℃)的特殊货物,对船舶结构安全提出了更高要求。文章以MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN大型有限元软件为平台,对大型液化天然气船的温度场分布做了深入的研究,并针对高低温并存的工作状态下船体结构的温度应力进行了计算,分析了超低温作用对于船舶结构强度的影响。研究成果对于提高我国LNG船的研发水平具有一定的指导意义。

丁仕风唐文勇张圣坤来源:万方数据
关键字:CAE MSC 液化天然气船船舶结构强度温度场温度应力

如何屏蔽超低温作用是发展大型液化天然气船的技术瓶颈,国内外专家针对超低温作用下的LNG船温度场研究作了大量的工作:章伟星等基于ANSYS软件进行了LNG船温度场研究;杜忠仁介绍了薄膜型液化天然气船船体结构设计中的几个特殊问题船体结构基本型式、货舱温度分布计算、货舱区船体钢级选用以及船体构件布置和尺度要求等;Hsieh-Shen Hsieh等进行了激光作用下钢板受热瞬时变形的情况研究;N.K.Anifantis等进行了单向纤维材料的温度应力和应变研究;Shahriar Jahanian建立了数值分析模型,对空心圆柱体的温度场及温度应力进行了研究;Jun-feng Hu等进行了镍钢板在切割过程中的温度场、温度应力及微观机构的研究;H.Cho等对厚圆柱壳的边界曲面处有热对流作用情况下的结构温度应力进行了研究。
本文以140000m3级薄膜型液化天然气船为研究对象,研究在绝缘层保护情况下,船体的温度场分布,在此基础上研究了高低温并存工作状态下船体结构温度应力的情况,并进一步比较了有超低温作用和常温状态下船体强度的变化。本文的研究成果对于评估超低温对船体结构安全的影响、制定相关液化天然气船结构安全规范具有一定的指导意义。
1 数学模型
1.1 问题描述及控制方程
大型液化天然气船在海洋中航行,受空气、海水热对流即太阳热辐射的作用,发生热传递。鉴于研究需要,对热传递情况进行简化和处理。忽略太阳辐射作用,并对流体热对流传热过程进行简化,认为水线以上存在空气对船体结构的热对流作用,水线以下存在海水对船体的热对流作用,船体舷侧双层壳之间存在自上而下的自然热对流作用(见图1),船体结构内部存在着热传导过程。

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图1 热传递示意图

1.2 有限元模型建立
以140000m³级NO.96薄膜型液化天然气船为研究对象,以大型有限元软件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN为计算工具,建立三舱段模型进行研究。货舱区内的绝缘材料采用三维体单元建模,其余各船体构件采用板、梁单元.船体结构按一般船用钢材设计,密度为7830kg/m³,热传导系数45.3W/(m·℃),泊松比0.3,弹性模量2.06×10¹¹Pa,温度膨胀系数1.1×10^-5℃。绝缘材料取9%镍钢材料,密度为7850kg/m³,热传导系数0.0535 W/(m·℃),泊松比0.3,弹性模量2.1×10¹¹Pa,温度膨胀系数9.7×10^-6℃,坐标系采用右手坐标系,原点位于Fr68船底中线处,x轴向船首为正方向,瑚向左舷为正方向,瑚向上为正方向,有限元模型见图2。

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图2 有限元模型图

1.3 边界条件确立
1.3.1 计算温度场时边界条件
水线上,船体外壳与空气发生对流换热,空气温度为5℃,对流系数为16.27;水线下,船体外壳与海水发生对流换热,海水温度为0℃,对流系数为139.5:内部绝缘层和液化天然气之间建立对流边界条件,LNG温度取为-163℃,对流系数为139.5W/(m²·℃):首尾横舱壁建立对流边界条件,船体内空气温度取为5℃,对流系数分别为4.65W/(m²·℃)和3.37W/(m²·℃):船体外壳和内壳之间建立流体热对流耦合条件;两液货舱之间相邻横舱壁、舷侧上下结构之间也建立相应的热对流耦合条件。
1.3.2 计算温度应力时边界条件
进行船体结构总纵强度校核时边界条件为:1)模型后端面保持平端面假设,在该剖面中和轴处建立一个独立点,端面上其他节点与独立点相关,在独立点上施加弯矩;2)模型前端面保持平端面假设,在该剖面中和轴处建立一个独立点,端面上其他节点与独立点相关,在独立点上施加弯矩;3)为了便于计算,忽略钢材在超低温作用下的冷脆性,不计及钢材的屈曲,假定材料是理想的线弹性材料;4)根据船舶技术资料:中拱弯矩取为4822838KNm,中垂弯矩取为-5275675KNm;5)详细边界条件见表1。

表l 边界条件

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2 有限元计算
2.1 温度场计算
船体结构主要部位温度值见表2,船体温度分布云图见图3。

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图3 大型液化天然气船船体结构温度场云图

表2 船体各部分温度值

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海水温度内外底板温度值计算结果在本文计算结果范围内;空气温度取为-20℃,其甲板、舷侧位置处计算结果和本文没有可比性,但是其内外甲板、舷侧内外板的温度差值和本文的却很接近。可见本文的计算是可信的,更突出的反映了船体结构不同位置处不同的温度分布情况,体现了热传导和热对流在船舶热交换过程中的作用。
2.2 温度应力计算
将温度场作为温度边界条件带入船舶总纵强度计算,用MSC/NASTRAN进行强度分析,主要计算结果见表3。

表3 超低温作用对LNG船总纵强度的影响

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2.3 超低温作用对船体结构强度的影响评估
为了评估超低温作用对LNG船强度的影响,选取模型中间部分的一系列点作为参考点(如图4所示)(舱壁最大应力处取为M点),比较这些点处超低温作用前后的应力变化(见表3)。
由表中数据比较可见:超低温作用对船舶结构强度提出了更高要求:在超低温作用下,应力变化相当大,如F,G,H,M点处应力增大了若干倍,其他各点处应力也大幅度增加。引入高强度钢及特种绝热材料,降低超低温作用对大型液化天然气船安全的威胁,具有极其重要的工程实际意义。

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图4 参考点示意图(舱壁最大应力处取为M点)

3 结论
通过本文的计算、分析,可以发现:
1)大型通用有限元软件是研究船体结构温度场及温度应力的有效、便捷途径,通过合理简化模型、构建正确的边界条件,可以准确地模拟LNG船在超低温作用下的温度场及温度应力情况;
2)设置适当的绝缘层是屏蔽超低温、保障船体结构安全的有效手段,但液化天然气船仍处于高低温并存的工作状态,两货舱之间出现了较大范围的低温区;
3)超低温作用对大型液化天然气船安全构成了巨大威胁,在两液货舱交界位置附近,结构温度应力很大,一般的船用钢材已经难以满足安全需要,需要考虑采用高强度、耐低温的材料或者在该位置附近加装升温装置;
4)除两货舱交界位置外的船体结构温度应力相对较小,其他船体结构基本处于船用钢的许用应力范围内,可以通过优化结构设计的方法进一步提高大型液化天然气船的安全性能;
5)有超低温作用和无超低温作用船体结构应力变化较大,进一步研究可以考虑到LNG船在码头装卸货作业过程中货舱内温度变化对船体结构安全的影响。

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