不銹鋼艙化學(xué)品船溫度應(yīng)力分析

1、不銹鋼艙化學(xué)品船溫度應(yīng)力分析房玉慧 馬 駿大連理工大學(xué)摘要：摘要：本文以某不銹鋼艙化學(xué)品船為研究對(duì)象，借助于大型工程軟件 ANSYS，建立了 2 艙段有限元模型，然后進(jìn)行溫度場(chǎng)求解，算出等效節(jié)點(diǎn)溫度載荷后，將熱分析單元轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析單元，將計(jì)算出的溫度載荷作為體載荷施加到船體結(jié)構(gòu)上，再施加外力載荷，進(jìn)行熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合計(jì)算。最后，分析結(jié)果。結(jié)果表明：加強(qiáng)筋由于溫度載荷的影響，變形很大，并且在端部產(chǎn)生了應(yīng)力集中，因此應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化加強(qiáng)筋形狀。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：不銹鋼艙；溫度場(chǎng)；熱應(yīng)力；有限元分析1 引 言化學(xué)品船作為一種運(yùn)載危險(xiǎn)液體貨物的特殊船舶，經(jīng)常運(yùn)輸一些對(duì)人體或環(huán)境有害的液體或氣體，這些物質(zhì)在運(yùn)

2、輸途中一般需要保持一定的特殊存貯環(huán)境，例如運(yùn)輸瀝青、木餾油、硫黃等化學(xué)物質(zhì)時(shí)，通常需要持續(xù)加熱并使其維持在高溫狀態(tài)(90-250)，以防止貨物凝固。這就要求化學(xué)品船能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間高熱源作用下引起的溫度應(yīng)力，保證船體結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服或開裂破損等問(wèn)題。因此對(duì)化學(xué)品船進(jìn)行專門的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力分析，確保其符合強(qiáng)度要求，對(duì)保證其在運(yùn)輸過(guò)程中的安全具有重要意義和價(jià)值。2 計(jì)算原理2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算原理熱分析遵循熱力學(xué)第一定律。即能量守恒定律。穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過(guò)有限元計(jì)算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。如果系統(tǒng)的凈熱流率為 0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出

3、系統(tǒng)的熱量：，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為：0qqq流入生成流出 KTQ式中：為傳導(dǎo)矩陣；為節(jié)點(diǎn)溫度向量；為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。 K T Q、由 ANSYS 自動(dòng)生成，前提條件是輸入模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所 K T Q施加的邊界條件。2.2 溫度應(yīng)力計(jì)算原理有限元法的分析過(guò)程，概括起來(lái)可分為下列六個(gè)步驟：(1)結(jié)構(gòu)離散化(2)選擇位移模式(3)分析單元的力學(xué)特性(4)計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力(5)集合所有單元的剛度方程建立結(jié)構(gòu)平衡方程(6)將邊界條件代入，求解未知節(jié)點(diǎn)位移并進(jìn)行單元分析3 計(jì)算模型及計(jì)算條件有限元模型計(jì)算模型均包括 1 個(gè)整艙和 2 個(gè)半艙（1/2+1+1/2 模型

4、）內(nèi)的全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件（包括不銹鋼艙壁） 。計(jì)算模型見圖 3-1、圖 3-2 和圖 3-3 所示。 計(jì)算模型圖 3 溫度場(chǎng)物理模型3.2 材料參數(shù)計(jì)算采用的材料特性及主要參數(shù)見表 1 和表 2表 1 船體材料特性20 CS31803 雙相不銹鋼普通鋼密 度8000 kg/m37850 kg/m3彈性模量10111011泊松比熱傳導(dǎo)系數(shù)20 W/(m2 C)60 W/(m2 C)熱膨脹系數(shù)10-6 C-110-6 C-1表 2 溫度場(chǎng)計(jì)算的主要參數(shù)項(xiàng) 目數(shù) 值貨物對(duì)內(nèi)底板、舷側(cè)內(nèi)板的對(duì)流換熱系數(shù)100 W/(m2 C)海水對(duì)外底板、舷側(cè)外板的對(duì)流換熱系數(shù)8606 W/(m2 C)空氣對(duì)甲板、舷側(cè)外板

5、的對(duì)流換熱系數(shù) W/(m2 C)舷邊艙內(nèi)空氣對(duì)舷側(cè)外板的對(duì)流換熱系數(shù)10 W/(m2 C)舷邊艙內(nèi)空氣對(duì)甲板的對(duì)流換熱系數(shù)10 W/(m2 C)貨物溫度130 C，恒溫海水、空氣溫度0 C，恒溫3.3 計(jì)算條件本文在求解溫度場(chǎng)時(shí)，忽略輻射的影響，考慮的熱傳遞過(guò)程具體如下：1.高溫貨物以自然對(duì)流方式將熱量傳遞給甲板、艙壁和內(nèi)底板等；2.舷邊艙內(nèi)空氣以對(duì)流方式與舷側(cè)內(nèi)板、舷側(cè)外板換熱；3.外界空氣與海水以強(qiáng)迫對(duì)流方式與甲板、舷側(cè)外板和外底板進(jìn)行熱交換；4.結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞；5.對(duì)于雙層底內(nèi)空氣與內(nèi)底板、外底板之間不發(fā)生對(duì)流換熱。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí)，計(jì)算模型的邊界條件采用 CCS

6、 規(guī)范規(guī)定的邊界條件3.4 計(jì)算工況根據(jù)規(guī)范要求的一道縱艙壁油船所規(guī)定 9 種計(jì)算工況（見表 3.1）和所考慮附加的危險(xiǎn)計(jì)算工況以及強(qiáng)度校核所得結(jié)論，在不銹鋼艙熱應(yīng)力分析中，選取 1、5、9 等三種主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件合成應(yīng)力最大的計(jì)算工況為分析工況。這三種工況對(duì)應(yīng)不同的裝載要求，使兩個(gè)不銹鋼艙分別為滿載和部分裝載；同時(shí)不銹鋼艙內(nèi)設(shè)定最高液貨溫度為 130 度，相鄰普通液貨艙溫度為 0 度，這時(shí)不銹鋼艙內(nèi)和相鄰液貨艙船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的溫度應(yīng)力和結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力均達(dá)到最大值。所以按這三種工況校核所得到結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力應(yīng)為船體構(gòu)件在營(yíng)運(yùn)中所承受載荷的峰值應(yīng)力，這樣得到的分析結(jié)果對(duì)實(shí)際工程是偏于安全的。表一道縱艙壁

7、油船計(jì)算工況4 計(jì)算成果本文建立兩艙段的有限元計(jì)算模型，采用 CCS 船級(jí)社的計(jì)算處理方法，用 ANSYS 對(duì)該有限元模型進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。計(jì)算得到大量的數(shù)據(jù)結(jié)果。4.1 溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力計(jì)算情況圖 4.1 船體溫度場(chǎng)云圖（滿載） 圖 船體溫度場(chǎng)云圖（部分裝載）Fig.4.1 Nephogram of Hull Temperature Field Fig.Nephogram of Hull Temperature Field(Full Load) (Partial Load)圖 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖， （Seqv,滿載） 圖 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（Seqv，部分裝載）Fig.Nephogram of

8、Structural Stress Fig.Nephogram of Structural Stress(Seqv，F(xiàn)ull Load）（Seqv，Partial Load）圖 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（Sx，滿載） 圖 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（Sy，部分裝載）Fig. Nephogram of Structural Stress Fig. Nephogram of Structural Stress(Sx，F(xiàn)ull Load） ） （Sy，Partial Load）將船體構(gòu)件的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力繪出曲線如下所示：-2002040608010012006.6613.3219.9826.64縱向坐標(biāo)（m)溫度（

9、）內(nèi)底板縱向溫度分布甲板縱向溫度分布圖溫度場(chǎng)縱向分布曲線Fig. Longitudinal distribution of temperature field -20020406080100120140-20-1001020橫向位置(m)溫度（）內(nèi)底橫向溫度場(chǎng)分布甲板橫向溫度場(chǎng)分布圖溫度場(chǎng)沿橫向分布曲線Fig. Transversal distribution of temperature field 05010015020025030035040006.6613.3219.9826.64縱向位置(m)溫度應(yīng)力(MPa)內(nèi)底縱骨溫度應(yīng)力甲板縱骨溫度應(yīng)力 圖 溫度應(yīng)力沿縱向分布曲線Fig.4.9

10、 Longitudinal distribution of thermal stress 050100150200250300350400450-20-1001020橫向位置(m) 溫度應(yīng)力(MPa)內(nèi)底溫度應(yīng)力沿船寬分布甲板溫度應(yīng)力沿船寬分布圖 溫度應(yīng)力沿橫向方向分布曲線Fig.Transversal distribution of thermal stress 從圖中可以看出，溫度場(chǎng)在縱向、橫向分布各不相同，但是溫度場(chǎng)關(guān)于模型中橫剖面和中縱剖面呈對(duì)稱分布。從總體來(lái)看，船體內(nèi)部靠近高溫液貨的構(gòu)件溫度較高，受到溫度載荷的影響很大。 下面列出溫度和結(jié)構(gòu)載荷的耦合應(yīng)力表耦合應(yīng)力結(jié)果（工況一）Tab

11、.Results of coupling stress (loading condition one)最大應(yīng)力（MPa）計(jì)算值許用值工況一位置SxSySzS甲板289180206甲板縱骨342243內(nèi)底板369359206內(nèi)底縱骨299243縱艙壁1335490206橫艙壁100139158206滿載不銹鋼艙壁16527127206甲板172120206甲板縱骨208243內(nèi)底板341309206部分裝載內(nèi)底縱骨302243縱艙壁1335490206橫艙壁100139158206不銹鋼艙壁1511873206另外，本文專門對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行了應(yīng)力分析，結(jié)果如下：圖 應(yīng)力云圖（Seqv） 圖 位移云圖

12、（Usum）Fig. Nephogram of Stress（Seqv） Fig. Nephogram of Displacement（Usum）分析結(jié)果表明：加強(qiáng)筋左部靠近高溫液貨的地方，受到較大的溫度應(yīng)力，甚至兩端出現(xiàn)了溫度應(yīng)力集中，從位移云圖中可以得到，由于溫度載荷作用，加強(qiáng)筋的變形很大，但是，加強(qiáng)筋的存在，減小了溫度載荷對(duì)其他連接構(gòu)件的影響。5 結(jié) 論本文利用大型通用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)其進(jìn)行不同溫度場(chǎng)下的熱應(yīng)力分析計(jì)算。研究了同一不銹鋼液貨艙內(nèi)裝載不同溫度的高溫貨物和相鄰液貨艙內(nèi)裝載不同溫度高溫貨物兩種條件下產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng)的分布，以及由此兩種不均勻溫度場(chǎng)引起的船體結(jié)構(gòu)內(nèi)

13、部熱應(yīng)力分布及變化狀況，探討由此引起的船體局部強(qiáng)度，給出了船體結(jié)構(gòu)所能承受的熱載荷極限值。在一定假設(shè)條件下，根據(jù)實(shí)際模型，進(jìn)行了有限元計(jì)算，得到了大量計(jì)算數(shù)據(jù)，完成了不銹鋼艙化學(xué)品船的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果表明：接觸高溫液貨的船體構(gòu)件或靠近高溫液貨的構(gòu)件，不僅溫度較高，而且溫度應(yīng)力也較大，某些構(gòu)件受到的耦合應(yīng)力甚至超過(guò)許用應(yīng)力，因此溫度應(yīng)力不能忽視。槽型艙壁對(duì)減小溫度應(yīng)力作用明顯，起緩沖作用。對(duì)于與不銹鋼艙壁連接的加強(qiáng)筋，受溫度影響也較大，產(chǎn)生較大的變形，因此造成在內(nèi)底板上的應(yīng)力集中，應(yīng)考慮適當(dāng)優(yōu)化加強(qiáng)筋形狀。參考文獻(xiàn):1 陳伯真，胡毓仁.船體溫度分布及溫度應(yīng)力計(jì)算J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，29(3):33-41.2 陳輝，袁海慶等