液化天然气船局部热应力非线性分析

丁仕风,唐文勇,张圣坤

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240;2.中国船级社 上海规范研究所,上海 200135)

材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、屈服应力等一般都与温度有关系.在温度变化不大的情况下,可以近似假定材料特性不变.但对于液化天然气(LNG)船、沥青船等这类船体内外具有较大温差的船舶,考虑材料的非线性有重要意义.

国内外学者对大型LNG船的关键技术问题(超低温作用下船体结构的温度场预报、热应力计算等)进行了大量的研究[1-4],但其主要研究成果往往都没有考虑温度对材料性能的影响.目前考虑温度对材料性能的影响主要科研成果集中在高温领域(如火灾情况下结构响应研究),国内外研究学者们都发表过在常温到高温情况下结构强度响应的研究文献[5-9].

本文提出考虑材料属性随温度变化对LNG船结构强度的影响.以热弹性力学为理论基础,选取几个典型区域的局部结构(舷侧、船底)作为研究对象,以MARC为计算工具,对USGC工况下的LNG船局部结构热应力进行分析计算.

1 问题描述

1.1 热弹塑性理论基础

假定LNG船船体材料的弹性模量E、热膨胀系数a、温度传导系数k是温度T的函数.

1.1.1 非线性热平衡方程

热分析模型中,不考虑热辐射作用,将材料热传导系数k设定为温度T的函数,则

1.1.2 热弹塑性应变理论

1.2 局部模型简化

非线性计算往往耗费大量计算机时,不能采用全船模型或者舱段模型,有必要简化出一个合理的局部模型.LNG船内外壳与强横框架组成了近似封闭空腔结构,文献[4]计算结果表明温度场在该处相互独立,本文采用 2个连续局部空腔结构(模型见图1)作为对象进行非线性研究.模型中采用板单元来描述船体板和加强筋结构,采用块单元描述绝热层单元,船体结构单元组成了2个连续的封闭空腔结构.

图1 局部空腔结构示意图Fig.1 Cavitymodelof a partialstructure

2 数值计算

2.1 边界条件

LNG船航行过程中,空腔可能处于下面2种典型工况:1)两空腔都处于空气或都处于水中(如甲板或底部),外板的温度假定为流体温度,绝热层内部为超低温;2)一空腔处于水中,另一空腔处于空气中(如舷侧结构),外板的温度分别定义,内部为超低温.

低温环境参照美国海岸警备队(USCG)规定的环境温度(空气温度-18℃,海水温度为0℃).

2.2 材料属性

船体结构材料按照钢材性能定义,其中随温度变化的参数有热传导系数(见图2)、弹性模量(见图3)、温度膨胀系数(见图 4)[10].绝热层材料为木箱包裹的珍珠岩粉末,对热应力分析没有直接影响,只考虑其绝热作用,热传导系数定义为0.053 5W/mK.

图 2 热传导系数随温度的变化关系Fig.2 Thermal conductivity changed by temperature

图 3 热膨胀系数随温度的变化关系Fig.3 Expansion coefficient changed by temperature

图 4 弹性模量随温度的变化关系Fig.4 Elastic modulus changed by temperature

2.3 非线性计算

当空腔位置处于底部时,外部受到海水的对流换热作用,内部受超低温作用,采用MARC计算软件,迭代5 000次进行热应力稳态分析.选取两空腔中间位置处隔板上连续 4个节点进行考察(外板处node3,node315,node311,内板处node75),Von Misses应力及变形见图5.图中可见,计算收敛较快,迭代 500步之后即出现了较稳定的解.热应力在内板处较大,逐渐增加到7.096MPa.

图5 底部空腔非线性计算结果Fig.5 Nonlinear result ofbottom cavity

当空腔处于舷侧时,一部分处于水线下受海水对流换热作用,一部分处于水线上受空气对流换热作用.迭代计算后,对中间位置处隔板上连续4个节点进行考察(外板处node3,node315,node311,内板处node75),Von misses应力及变形见图6.热应力在内板处较大,逐渐增加到35.95MPa.

图 6 舷侧空腔非线性计算结果Fig.6 Nonlinear resu lt of side cavity

3 非线性分析必要性探讨

通常情况下进行LNG船体强度校核时,都是忽略材料非线性影响的.以局部空腔结构为研究对象,将材料属性设定为理想材料,并和上面的计算结果进行比较.

3.1 对于两空腔都处于水线下的情况

当空腔位置处于船底时,不考虑材料非线性因素,考察两空腔中间位置处隔板上连续 4个节点(外板处node3,node315,node311,内板处node75)的Von Misses应力及变形,见图7.

图7 底部空腔线性计算结果Fig.7 Linear result of bottom cavity

3.2 对于两空腔都处于舷侧的情况

当空腔位置处于舷侧时,不考虑材料非线性因素,考察两空腔中间位置处隔板上连续 4个节点(外板处node3,node315,node311,内板处node75)的Von Misses应力及变形,见图8.

图 8 舷侧空腔线性计算结果Fig.8 Linear result of side cavity

3.3 计算结果比较

从图 5～8可以看出非线性分析和线性分析结果趋势都是一致的,有必要选取一些典型的点作定量分析,探讨进行非线性分析的必要性.根据空腔结构的自身特点,本文选取如图9所示的 8个点进行对比分析,这些点涵盖了典型的空腔内外表面中心点,两空腔公用面上的 4个连续点,基本上能反映热应力变化趋势和热应力极大、极小值.详细比较见表1和表2.

表 1 底部非线性计算结果比较Table 1 Comparison o f bottom nonlinear resu lts

图9 比较点示意图Fig.9 Sketch of nodes

表2 非线性计算结果比较(舷侧)Tab le 2 Com parison o f non linear resu lts(Side)

通过表中数据比较可见,当考虑材料性能随温度变化时,对于 LNG船内冷外热的情况,产生的热应力差异约为 4.5%左右,因而校核大型液化天然气船温度应力时不考虑材料非线性影响是一种偏保守的做法.作为探讨,当船舶内热外冷时,不考虑材料非线性可能导致计算结果偏小,是偏危险的做法,应该引起足够的注意.

4 结 论

1)通常LNG船强度分析是不考虑材料非线性影响的,根据本文研究,这是偏保守的做法,考虑材料非线性热应力会降低4.5%左右;

2)忽略材料非线性因素是有风险的做法,对于存在高低温并存的特种船舶,应该谨慎对待,正确判断可能引起的误差;

3)研究LNG船等特种船舶热应力时,采用局部简化模型进行非线性分析,是对整体强度校核的重要补充.

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