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lng运输船液货舱热应力分析 1 薄膜式lng运输船的热应力分析 受海水、大气和太阳辐射的影响，无论其质量如何，其所有组件都处于不同的温度。如果温度分布不均匀,或者构件不能自由膨胀或收缩,构件就会产生热应力。一般来说,由于已经将温度引起的热应力作为不确定因素隐含在结构安全系数中,因此在普通货船的结构计算中,不要求做专门的温度应力分析。但是,薄膜式液化天然气运输船(以下简称LNG船)不同于一般的船舶,它所装载的是-162℃的液化天然气。LNG船在运行时,液货舱内的LNG和外界的温差可达到200℃以上,液货舱的热维护系统及其船体结构的温度分布非常复杂。在对LNG船的结构分析中,温度场及其热应力的分析是非常重要的。 LNG船在运输过程中,液货舱需要维持一定的温度,船体构件温度在运输过程中波动较小,可认为此类温度场属于稳态温度场。本文以138 000m3薄膜式LNG运输船为例子,研究了该船的船体结构稳态温度场及其热应力。在文中,首先建立了LNG船舱段结构温度场和热应力分析的计算模型和有限元模型,研究了液货舱的热交换规律,分别计算了8种工况下液货舱周围结构的温度场,在此基础上对船体结构进行了结构应力评估。 2 计算模型和主要物理参数 2.1 主船规模 138 000m3薄膜式LNG运输船的主尺度: 2.2 家庭内部室平面构成模型 138 000m3LNG运输船分为4个独立的液货舱,相邻液货舱之间是由平面舱壁构成的舱室(Cofferdam),图1是它的基本结构图。双壳内的空间按照结构的水密情况简化为5个密闭舱室:双层底(C1),底边舱(C2),边舱(C3),顶边舱(C4)和双层甲板间舱(C5)。 2.3 基本尺寸、热物性 LNG船的液货舱维护层由内壳板、两层INVAR膜和两层木箱构成,如图1所示。表1为各层的基本尺寸及其热物性。 由于两层木箱的导热系数较小,忽略各层隔热材料之间的接触热阻。在计算中,将多层平壁简化为一层实体,实体的导热系数k由下式给出: 式中:ti为各层的厚度,ki为各层的热传导系数。 3 温度场的计算 3.1 热传递方式的影响 LNG船是一个复杂结构的、三维的、多层壁的稳态导热与自然对流换热及辐射换热相互耦合的复杂传热问题。具体来说,船体结构存在如下几种热传递方式: 船体外壳水线以下部分与海水进行对流换热; 水线以上部分与空气进行对流换热,同时伴有强烈的太阳辐射; 船体内外壳体与船体纵向桁材构成封闭的空腔,由于内外壳体的温差,在空腔内存在自然对流,同时空腔表面之间存在辐射; 船体内壳与液化天然气之间是由多层隔热材料构成的热维护层,以传导方式传递热量; 相连的构件以传导方式传递热量。 3.2 液货舱内宏观形态 由于船体结构的复杂性,本计算采用有限元分析法。为了合理施加边界条件、减小计算量,考虑到结构的对称性,可以取任意四分之一个货舱作为研究对象,包括一个完整的横舱壁。本次研究计算中,取中间舱第3舱作为研究对象。 纵向:从86号肋位至95号肋位,包括86号肋位舱壁上的热维护层; 垂向:船底至甲板所有构件; 横向:取船宽的一半,即船中至舷侧所有构件。 液货舱内液态和气态LNG的分布比较复杂,本研究中认为液货舱充满-162℃的液态LNG。温度场有限元模型见图2。 3.3 内燃剂的结构以提高集料钢的拉压和蒸发率为原则,我国实行改 根据《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(IGC)和美国海岸警卫队(USCG)的有关要求,取如下计算8种工况,见表2。 工况1、2是根据IGC的要求,主要用来计算决定货舱的热耗散和蒸发率。工况3、4是根据USCG的有关要求,主要用来计算决定船体结构用钢的钢级。工况5~8是实际航行中的工况。以上各工况都假设双层横舱壁内的空气保持5℃。 3.4 算法的有效性测试 用数值法求解这类耦合问题,常用整体求解法,即把不同区域中的热传递过程组合起来,作为一个统一的换热过程进行求解。对于复杂结构,整体法的缺点是建模工作量大,收敛慢(复杂问题可能不收敛)。本文采用分区求解、边界耦合法。在商用软件ANSYS上通过二次开发,自动完成迭代计算。图3为计算流程图。 3.5 计算 3.5.1 计算结果的分析 利用ANSYS建立起来的有限元模型,用程序迭代求解,分别对上述8种工况进行计算,得出其相应的温度场分布图。图4为各工况在远离横舱壁处的船体结构温度分布。图5分别为各工况在横舱壁处外壳的温度分布。 3.5.2 空气温度稳定 (1)工况4由于环境温度低以及主膜破损,内壳甲板温度最低可达-33.82℃,横舱壁内由于有加热设备,空气温度保持在5℃,周围船体结构的最低温度为-19.44℃(上甲板); (2)主膜具有较强的热维护能力,一层绝热层基本能保证温度不致于低于普通低温钢的温度限制,但液货舱的日蒸发率较高,运营经济性较差; (