溫度載荷對(duì)化學(xué)品船貨艙結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響分析

(中國(guó)船級(jí)社 廣州分社，廣州 510235 )

由于化學(xué)品的運(yùn)輸要求將貨物溫度維持在一定的范圍內(nèi)，因此，溫度場(chǎng)計(jì)算以及熱應(yīng)力影響成為化學(xué)品船船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的問題。任何物體在溫度變化時(shí)均會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，船體結(jié)構(gòu)也不例外，然而由于溫度場(chǎng)的不均勻性以及結(jié)構(gòu)物內(nèi)部各構(gòu)件之間的相互制約，使得船舶各構(gòu)件的熱脹冷縮不能自由地進(jìn)行，因而就產(chǎn)生了溫度應(yīng)力即熱應(yīng)力。溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分析在其它行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，目前ANSYS，Patran/Nastran，ABAQUS等有限元結(jié)構(gòu)通用程序均已發(fā)展了成熟的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分析模塊，借助這些工具可以對(duì)受溫度載荷影響的船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行定量分析，找出規(guī)律和關(guān)鍵影響區(qū)域，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文針對(duì)一艘大型化學(xué)品船的貨艙結(jié)構(gòu)，在不同溫度條件下進(jìn)行溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力計(jì)算，通過比較分析，試圖找出溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響規(guī)律[1-3]。

1 計(jì)算模型

以一艘載重約20 000 t的化學(xué)品船為例，該船為雙殼雙底單甲板結(jié)構(gòu)，設(shè)縱橫槽型艙壁，甲板骨材布置在甲板面之上。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的結(jié)論，1/2+1+1/2艙段模型已經(jīng)足夠精確地反映貨艙溫度分布。所以模型縱向范圍取1/2個(gè)貨艙+1個(gè)貨艙+1/2貨艙，橫向范圍包括整個(gè)船寬，垂向范圍為基線至主甲板。計(jì)算中采用右手坐標(biāo)系，x軸向船艏為正，y軸向左舷為正，z軸向上為正。邊界條件依據(jù)CCS《油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》(2003)的規(guī)定，在前后端面中和軸與中縱剖面相交處建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，端面各縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)自由度δx,δy,δz,θy,θz與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)。模型后端面的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)約束δx=δy=δz=θx=θz=0,施加端面彎矩；模型前端面的獨(dú)立點(diǎn)上約束δy=δz=θx=θz=0，施加端面彎矩。計(jì)算模型見圖1。

圖1 計(jì)算模型

2 計(jì)算參數(shù)及假定

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)和《散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(2009)的規(guī)定，船體結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析中取海水溫度為0 ℃，空氣溫度為5 ℃。碳鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)為60.6W/(m·℃)，線膨脹系數(shù)11×10-6(1/℃)，空氣的對(duì)流換熱系數(shù)11.6 W/(m·℃)。由于貨物運(yùn)輸時(shí)溫度維持在某一設(shè)定范圍內(nèi)，因此溫度場(chǎng)計(jì)算采用3維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析。本船的熱應(yīng)力計(jì)算基于“場(chǎng)序熱-結(jié)構(gòu)耦合(sequentially coupled problem)”假定，即計(jì)及溫度場(chǎng)變化對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)械場(chǎng)的影響，但不考慮后者變化對(duì)前者的影響。計(jì)算中僅考慮船體各構(gòu)件之間以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳熱，不考慮空氣的熱傳導(dǎo)，空氣僅以自然對(duì)流的方式與所接觸的船體構(gòu)件進(jìn)行對(duì)流換熱。不考慮結(jié)構(gòu)的熱輻射。也不考慮溫度變化對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度的影響，熱應(yīng)力分析仍然采用線性靜力分析。

3 計(jì)算結(jié)果

熱應(yīng)力計(jì)算一般分兩步進(jìn)行：第一步計(jì)算溫度場(chǎng)分布；第二步以溫度場(chǎng)作為輸入條件，計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。另外由于本文著重考察的是不同溫度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，因此只選取滿載工況進(jìn)行分析，其它工況不予考慮。文中考慮常溫(不計(jì)溫度載荷)及65 ℃及80 ℃等3種溫度工況，圖2和圖3是80 ℃下典型橫向構(gòu)件和典型縱向構(gòu)件溫度場(chǎng)分布圖。其它溫度條件下由于溫度分布規(guī)律一致，只是最高溫度不同，所以不再羅列。模型計(jì)算結(jié)果見表1、2。

圖2 典型縱向構(gòu)件溫度分布示意

圖3 典型橫向構(gòu)件溫度分布示意

表1 各溫度下船體構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力值以及艙段中垂變形量

溫度/℃相當(dāng)應(yīng)力/MPa船底板船底縱桁甲板板實(shí)肋板舷側(cè)強(qiáng)框架內(nèi)殼板橫艙壁板縱艙壁板舷側(cè)板中垂變形量/mm常溫10512413554.593.611344.956.0111-23.865176149172105.0191.017966.071.6170-18.980195159182124.0237.019881.576.1188-18.1

表2 各溫度下船體構(gòu)件單向應(yīng)力值

4 分析及結(jié)論

上述數(shù)據(jù)是通過對(duì)一艘大型化學(xué)品實(shí)船在不同溫度載荷下進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算之后得到的結(jié)果，在對(duì)整體溫度分布及應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后有一些結(jié)論值得在需要考慮溫度載荷的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間參考。

1)整個(gè)貨艙溫度從貨艙內(nèi)殼到外板之間均勻衰減，但在開口處會(huì)有溫度集中現(xiàn)象出現(xiàn)，這是由于開口處傳熱面積減小所導(dǎo)致。再加上開口處本身就存在應(yīng)力集中，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意在開口位置設(shè)置必要的屈服和屈曲加強(qiáng)筋。

2)隨著溫度的升高應(yīng)力呈加速上升的趨勢(shì)。

3)不考慮溫度載荷時(shí)，橫艙壁最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在艙壁上端或下端，考慮溫度載荷后橫艙壁應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在底邊斜艙與內(nèi)殼交點(diǎn)處。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分注意橫艙壁下角點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，適當(dāng)增加該區(qū)域的板厚，以免該區(qū)域應(yīng)力超限。

4)對(duì)于船底板和甲板板而言，隨著溫度的升高，橫向應(yīng)力的增加比縱向應(yīng)力增加更加顯著。

5)對(duì)于舷側(cè)外板而言，未考慮溫度載荷之前，舷側(cè)外板的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出典型的船體梁應(yīng)力特征，上下部分應(yīng)力高，而中和軸附近的應(yīng)力??；隨著溫度的升高，中和軸附近的應(yīng)力會(huì)迅速增加，這主要是由于z向應(yīng)力增加所致。因此，舷側(cè)外板中和軸附近的外板厚度應(yīng)有所增加，以適應(yīng)溫度載荷導(dǎo)致的應(yīng)力變化。

6)隨著溫度載荷的增加，雙層底縱桁以及實(shí)肋板的垂向應(yīng)力增加較快，屈曲強(qiáng)度應(yīng)成為校核重點(diǎn)，尤其是縱桁，設(shè)置屈曲加強(qiáng)筋是必要的。

7)貨物溫度在80℃時(shí)，相對(duì)于常溫狀態(tài)表列各船體構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力平均上升了76.5%，可見溫度載荷對(duì)于貨艙應(yīng)力的影響很大。

從上述分析可以看出，溫度載荷對(duì)貨艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響十分顯著，尤其是雙殼間結(jié)構(gòu)開口位置，橫艙壁的下角點(diǎn)位置，中和軸附近的外板以及雙層底縱桁是受溫度載荷影響較大的區(qū)域，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該予以重點(diǎn)核算，以避免結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京：人民交通出版社,2003.

[2] 張少雄,楊永謙.油船強(qiáng)度研究[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(1):29-34.

[3] 杜忠仁.船體縱向構(gòu)件的熱應(yīng)力計(jì)算與比較衡準(zhǔn)[J].中國(guó)造船,1991(2):56-65.

[4] 騰曉青,顧永寧.單殼雙底貨船艙段結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力[J].船舶力學(xué),2003,7(2):51-60.