中小型LNG船鞍座附近温度场有限元分析

中小型LNG船鞍座附近温度场有限元分析

朱永凯，吕瑞升，何金平，夏华波，杨波

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300452)

摘要：考虑到中小型LNG运输船及C型独立液货罐的特点，针对罐与主船体通过鞍座连接，液货温度为零下163℃，鞍座及船体结构会形成温度变化的情况，对鞍座及附近船体结构进行有限元分析，研究温度场的变化，供鞍座及附近钢结构材料的选择参考。

关键词：LNG船；温度分布；有限元

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.003

中图分类号：U674.13

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0009-03

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一朱永凯(1982-)，男，硕士，工程师

Abstract:The type C independent cargo tank is the main cargo forms of the small and medium-sized LNG carrier. The LNG cargo tank is connected with the hull by saddle. Because the temperature of LNG is below 163 °C, there is remarkable temperature change in the saddle and hull structure. The finite element analysis of the temperature field is carried out for the saddle and the related hull structures of a 30 000 cubic LNG carrier, which is helpful to select the material of hull structure near the saddle.

修回日期：2015-09-01

研究方向:船舶建造及海上油气开发

E-mail:zhuyk@cnooc.com.cn

中小型LNG 运输船是LNG 船型的一个新概念[1]，与传统大型LNG船相比，具有周转灵活、运输成本低、受影响因素少、安全性高的优点。同时，中小型LNG运输船的结构设置和内部设备与大型LNG运输船有着很大差别[2-3]，这种船型一般采用C型独立液货舱装载液态货物，货舱卧式容器由与船体相连的固定鞍座和滑动鞍座支撑[4]，这样在鞍座及附近船体上就会形成温度梯度，对不同位置钢结构材料就会有不同要求。有必要研究鞍座及附近船体结构温度场分布。

1基本原理

在热传导过程中，物体内部各点的温度随各点的空间位置和时间而变化，因此各点温度θ是位置坐标(x,y,z)和时间t的函数[5-6]。

(1)

在任一瞬时，温度在时间场和空间场中的分布，称为温度场，连接场内相同温度值的各点，就得到此时刻的温度面，见图1。沿等温面切向，温度不变。沿着其他方向，温度都会改变，而垂直等温面的法向，温度的变化最大，表示一点最大增温率的矢量，成为温度梯度。

图1　温度梯度与热流密度矢量示意

一个温度场如果温度随时间变化，就称为不稳定温度场或者非稳定性温度场；如果温度不随时间的改变而改变称为稳定温度场。在稳定温度场中，温度只是位置的函数，即：

(2)

在同一平面区域内，稳定温度场为

(3)

(4)

该点沿坐标方向的变温率为：

(5)

单位时间内通过单位面积的热量，称为热流密度(或热流量)。任意一点的最大热流密度矢量是沿等温面的法向且指向降温方向。

(6)

根据热传导率定律，热流密度与温度梯度成正比而方向相反：

(7)

式中:λ——导热系数，kJ/(m·h·℃)。

由式(4)、(6)和(7)可得到：

(8)

由此得到热流密度q为

(9)

其在x,y,z轴上的分量分别为：

(10)

由于坐标轴是任意选取，所以式(10)表示热流密度在任意方向的分量等于导热系数乘以温度在该方向上的递减率。

2有限元计算

以国内首制3万m3LNG运输船为例，采用ANSYS有限元软件[7]建立鞍座及局部船体结构模型。船体模型纵向范围包含鞍座区域前后2个强框，液货舱纵向范围为鞍座区域，模型高度方向距基线高度为6.7 m。

坐标轴方向：X轴沿船舶纵向，从船艉指向船艏为正；Y轴沿船舶横向，从中心线向左舷为正；Z轴沿船舶垂向，从基线向上为正。

2.1建立模型

该船第1液货舱和第4液货舱结构上有代表性，所以本文选取这2个舱室进行建模。有限元模型包含所有主要的纵向和横向构件。货舱区域的主要板材，如外壳板、纵桁等，以板单元来模拟[8]。有限元网格按以下规定划分：船体关键区域采用精细网格，其他区域采用粗网格；液货舱为精细网格。

货舱区结构采用普通钢，液货舱采用9Ni钢，两种材料导热系数分别为50和29 W/(mK)。

2.2边界条件及结构模型

边界条件设定[9-10](温度假定)：

液货温度θc：-164 ℃(109.15 K)；

海水温度θs：0 ℃(273.15 K)；

空气温度θa：5 ℃(278.15 K)。

船体结构及鞍座满足对称性，因此建模选取船体及鞍座的一半。模型见图2、3。

图2　第1液货舱鞍座及船体结构

图3　第4液货舱鞍座及船体结构

2.3计算结果分析

通过有限元计算，可以得到鞍座附近温度场分布，见图4～7。

图4　第1液货舱船体内底板温度

图5　第1液货舱肋板温度分布

图6　第4液货舱船体内底板温度

图7　第4液货舱肋板温度分布

由图4～7可见，第1、4液货舱结构最低温度分别为-25.1 ℃和-25.6 ℃。

鞍座附近温度场分布见表1、2。

表1　第1液货舱鞍座区域温度场计算结果

表2　第4液货舱鞍座区域温度场计算结果

3结论

液罐鞍座正下方温度最低，此处应选取低温钢材(E级)，温度向两侧逐渐升高。计算出液货舱附近船体结构温度，对船舶建造中材料的选取进行指导(温度较低处采用D级或E级钢材)。本文利用有限元软件进行温度场计算，提出一条计算温度场分布的新方法。船舶正常运行后，将试验数据与实际结果对照表明，有效地降低了材料成本。

参考文献

[1] GHOURI SS. Global LNG market outlook-challenges and opportunities[C]. Int Pet Technol. Conf. Proc, 2005, 679-680.

[2] 丁玲.中小型LNG船C型独立液货罐设计关键技术研究[D].大连：大连理工大学,2009.

[3] 杨青松,陆丛红,纪卓尚.中小型LNG船鞍座及附近船体结构强度分析[J].中国造船,2011,52(1): 61-68.

[4] 张翼,张晋军.鞍座包角和宽度对双支座卧式容器应力分布影响的研究[J].化工设备与管道,2008,45(6):7-11.

[5] 傅永华.有限元分析基础[M].武汉：武汉大学出版社,2003.

[6] 于祥虎.LNG船液货舱温度及应力场有限元分析研究[D].武汉：武汉理工大学,2009.

[7] 操安喜.基于ANSYS的船舶结构有限元计算模板的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学,2004.

[8] 肖文勇.3 200 m3LPG运输船鞍座结构强度计算与分析[J].船舶工程,2008,30(4):20-23.

[9] 刘健奕.LPG船液罐设计及其支撑结构温度场分析[D].大连：大连理工大学,2012.

[10] 吕克克.LNG全容型储罐温度—应力场分析[D].天津：天津大学,2010.

Finite Element Analysis of Temperature Field nearby

the Saddle of Small and Medium Scaled LNG Carriers

ZHU Yong-kai, LV Rui-sheng, HE Jin-ping, XIA Hua-bo, YANG Bo

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: LNG carrier; temperature distribution; finite element method