基于热变形下的沥青船货舱结构温度应力分析

李俊来 ，王 伟

(1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022；2.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)

沥青船是专门用来运输高温熔化的散装液态石油沥青的船舶，运载的货物温度通常控制在120～180℃之间,船体采用双壳结构[1]。钢材在高温作用下,其屈服强度随温度升高而降低,所以高温液货很可能危及结构的安全[2]。因此基于结构热变形下对沥青船货舱进行温度场应力数据化分析，探究船体结构应力的分布规律，能进一步确保热应力影响下的舱室结构强度要求，提高结构设计的合理性，为货舱结构优化及今后沥青船的改造工作提供可靠的数据来源，具有十分重要的意义。

根据温度热应力分析理论[2-4],当物体各部分温度发生变化时，物体将由于热变形而产生线应变α(TT0)(其中α是材料的线膨胀系数，T是弹性体内任一点现时温度值，T0是初始温度值)，如果物体各部分的热变形不受任何约束时，则物体上有变形而无应力。但当物体由于约束或各部分温度变化不均匀时，热变形不能自由伸缩，则在物体中会产生温度应力，即热应力。当弹性体的温度场已知时，就可以求得弹性体各部分的热应力。

物体由于热膨胀只产生线应变，剪切应变为零。这种由于热变形产生的应变可视作物体的初应变。计算热应力时只需算出热变形引起的初应变，求得相应的初应变引起的等效节点热载荷Pε0(简称热载荷)，然后按通常求解应力一样解得由于热变形引起的节点位移{δ}，再依次由{δ}求得热应力{σ}。也可以将热变形引起的等效节点热载荷Pε0与其他载荷在一起，求得包括热应力在内的综合应力[3-4]。

计算应力时包括初应变项，{σ}=[D]({ε}-{ε0})

其中{ε0}是由于温度变化而引起的温度应变，对于三维问题

式中α是材料热膨胀系数，单位[1/℃]，T0是结构初始温度。

求解热应力问题的泛函表达式如下：

1 有限元直接计算

本文以1艘6 600 DWT整体式液货舱沥青运输船为研究对象，其主要尺度如下:总长110.30 m，两柱间长102.70 m，型宽16.80 m，型深8.50 m，设计吃水6.50 m，方型系数0.756。

1.1 有限元模型

利用MSC.NASTRAN&MSC.PATRAN有限元分析软件，建立有限元模型,用三维有限元模型进行沥青船主要构件的强度直接计算时，模型范围包括船中货舱区（1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱），舱段模型的纵向范围从FR63到FR107；垂向范围为船体型深；采用全宽模型。沥青船货舱有限元模型如图1。

图1 货舱结构有限元模型Fig.1 Finite element model of cargo hold structure

图2 满载工况状态Fig.2 Full load condition

1.2 坐标系统和材料属性

采用右手坐标系，原点位于FR63中线面与基平面交点处，x轴沿船长方向，向首为正，y轴沿船宽方向，向左舷为正，z轴沿型深方向，向上为正。

钢材的材料密度：ρ=7.85 t/m3，弹性模量 E=2.1×105，泊松比 ν=0.3，重力加速度 g=9 810 mm/s2，碳钢线膨胀系数α=1.1×10-5/℃,碳钢的热传导系数60.6 W/(m·℃)，空气对流换热系数11.6 W/(m2·℃)。隔热材料热传导系数为0.041 W/(m·℃)[5-6]。

1.3 边界条件和计算载荷

模型前后两端面要满足平面假设，因此在对应剖面中和轴处分别建立一个独立点，端面上其他节点与独立点相关，在独立点上施加弯矩，载荷左右对称，中纵剖面内节点的横向线位移为0,绕中纵剖面内两个坐标轴的角位移为0。详细边界条件见表1。

表1 边界条件Tab.1 The boundary conditions

计算时考虑温度场影响，工况按照提供的装载手册选取满载状态下对应最大静水弯矩的实际工况进行计算，将静水弯矩最大值与波浪弯矩进行叠加，具体装载情况如图2所示。各类载荷计算方式见表2。

表2 各类载荷计算Tab.2 Loads calculation

考虑以船舶满载出港时船舶受中垂弯矩作用最大，求得前后端面的弯矩都为-304 348.06 kN·m。

2 有限元计算结果

2.1 温度场计算

计算中取外界环境温度-20～30℃,每间隔10℃取一计算工况，共分6个工况(LC1～LC6)。应用有限元软件分别在不同环境工况下对沥青船货舱内各部分结构所处温度进行计算。根据结构温度计算结果，提取对应工况下的主要货舱结构的最高温度值和最低温度值，结果见表3。对应LC1工况下的货舱内部主要船体结构的温度分布云图如图3。

表3 船体结构主要部位温度值计算结果Tab.3 Temperature calculation results of main hull structure

图3 部分船体结构所处温度场分布云图(LC1工况下)Fig.3 Temperature field distribution of hull structure(LC1)

2.2 热应力计算结果

根据上述计算得到具体结构的温度值，选定危险工况（满载出港迎浪中垂状态）为计算状态，采用MSC.NASTRAN软件对沥青船货舱结构进行热应力计算，求得主要结构热应力计算结果见表4。将计算结果应力与-20℃时结构应力(LC1)进行比较，得到船体结构随环境温度变化情况如图4。

表4 船体主要结构热应力计算结果Tab.4 Thermal stress calculation results of main hull structure

图4 部分构件热应力比值随环境温度变化情况（与LC1相比）Fig.4 Hull component's thermal stress ratio based on the environmental temperature

3 分析及结论

3.1 温度场计算结果分析

分析温度分布计算结果（表3和图3），可得如下结论：

（1）虽环境温度有所变化，但呈现的温度变化趋势基本相同；

（2）从表3中可以看出，纵横舱壁处的由于直接受液态沥青货物的高温影响，与沥青接触区为180℃，船体结构设计中增添的岩棉能很好地起到隔热作用；

（3）在内底板与内壳板区域，强结构相连处经热量传递后，温度较低，在强结构间构成的板格，温度呈中心高并向四周扩散状分布的趋势；

（4）与外界接触的甲板、外壳基本与外界温度相等，仅在温差区域有线状过渡。

3.2 热应力计算分析及结论

对照热应力计算结果（表4和图4）进行分析，可得如下一些比较实际的结论：

（1）参照规范[6]，剔除应力集中单元后，各种状态下所有结构均满足许用应力值；

（2）纵、横舱壁板受端部约束及甲板、内底、内壳结构约束受力较大，中部受力较小，且在垂向上变化不大；

（3）底纵桁应力主要由中垂弯曲引起，剔除应力集中单元后，应力在垂向上呈降低的趋势，此外开孔在一定程度上会引起应力升高,在船舶设计时应格外重视；

（4）内壳板应力垂向由上至下递减，舷侧外板在中和轴附近应力较小，向上下均逐渐变大；

（5）强框架在舭部与旁底桁连接处局部出现应力集中现象，剔除应力集中单元后还接近许用值，设计时应充分考虑；

（6）应力在强结构上明显集中，并向弱结构扩散，因此强结构是承受船体主应力的单元，但槽型舱壁连接处由于大量肘板的连接，使应力迅速扩散，所以在舱壁连接处应力不大。

[1]李俊来,张吉萍.基于温度应力场下的沥青船货舱结构强度分析[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2008,27(1):5-8.

[2]李俊来.基于温度应力场下的沥青船货舱结构疲劳强度评估[D].镇江:江苏科技大学,2009.

[3]王 伟.不同环境下沥青船稳态温度应力场分布规律研究[D].镇江:江苏科技大学,2009.

[4]丁仕风,唐文勇,张圣坤.大型液化天然气船温度场及温度应力研究[J].船舶工程,2008,30(5):16-19.

[5]顾 俊,王凡超.液化气运输船温度场分布研究及钢材匹配[J].船舶与海洋工程,2012,92(4):1-5.

[6]中国船级社.钢质海船入级规范:2006[M].北京:人民交通出版社,2006.