丁仕風(fēng),唐文勇,張圣坤

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所,上海 200135)

材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、屈服應(yīng)力等一般都與溫度有關(guān)系.在溫度變化不大的情況下,可以近似假定材料特性不變.但對(duì)于液化天然氣(LNG)船、瀝青船等這類船體內(nèi)外具有較大溫差的船舶,考慮材料的非線性有重要意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大型LNG船的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題(超低溫作用下船體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)、熱應(yīng)力計(jì)算等)進(jìn)行了大量的研究[1-4],但其主要研究成果往往都沒有考慮溫度對(duì)材料性能的影響.目前考慮溫度對(duì)材料性能的影響主要科研成果集中在高溫領(lǐng)域(如火災(zāi)情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究),國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們都發(fā)表過(guò)在常溫到高溫情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度響應(yīng)的研究文獻(xiàn)[5-9].

本文提出考慮材料屬性隨溫度變化對(duì)LNG船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響.以熱彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ),選取幾個(gè)典型區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)(舷側(cè)、船底)作為研究對(duì)象,以MARC為計(jì)算工具,對(duì)USGC工況下的LNG船局部結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算.

1 問(wèn)題描述

1.1 熱彈塑性理論基礎(chǔ)

假定LNG船船體材料的彈性模量E、熱膨脹系數(shù)a、溫度傳導(dǎo)系數(shù)k是溫度T的函數(shù).

1.1.1 非線性熱平衡方程

熱分析模型中,不考慮熱輻射作用,將材料熱傳導(dǎo)系數(shù)k設(shè)定為溫度T的函數(shù),則

1.1.2 熱彈塑性應(yīng)變理論

1.2 局部模型簡(jiǎn)化

非線性計(jì)算往往耗費(fèi)大量計(jì)算機(jī)時(shí),不能采用全船模型或者艙段模型,有必要簡(jiǎn)化出一個(gè)合理的局部模型.LNG船內(nèi)外殼與強(qiáng)橫框架組成了近似封閉空腔結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[4]計(jì)算結(jié)果表明溫度場(chǎng)在該處相互獨(dú)立,本文采用 2個(gè)連續(xù)局部空腔結(jié)構(gòu)(模型見圖1)作為對(duì)象進(jìn)行非線性研究.模型中采用板單元來(lái)描述船體板和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),采用塊單元描述絕熱層單元,船體結(jié)構(gòu)單元組成了2個(gè)連續(xù)的封閉空腔結(jié)構(gòu).

圖1 局部空腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cavitymodelof a partialstructure

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 邊界條件

LNG船航行過(guò)程中,空腔可能處于下面2種典型工況:1)兩空腔都處于空氣或都處于水中(如甲板或底部),外板的溫度假定為流體溫度,絕熱層內(nèi)部為超低溫;2)一空腔處于水中,另一空腔處于空氣中(如舷側(cè)結(jié)構(gòu)),外板的溫度分別定義,內(nèi)部為超低溫.

低溫環(huán)境參照美國(guó)海岸警備隊(duì)(USCG)規(guī)定的環(huán)境溫度(空氣溫度-18℃,海水溫度為0℃).

2.2 材料屬性

船體結(jié)構(gòu)材料按照鋼材性能定義,其中隨溫度變化的參數(shù)有熱傳導(dǎo)系數(shù)(見圖2)、彈性模量(見圖3)、溫度膨脹系數(shù)(見圖 4)[10].絕熱層材料為木箱包裹的珍珠巖粉末,對(duì)熱應(yīng)力分析沒有直接影響,只考慮其絕熱作用,熱傳導(dǎo)系數(shù)定義為0.053 5W/mK.

圖 2 熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系Fig.2 Thermal conductivity changed by temperature

圖 3 熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系Fig.3 Expansion coefficient changed by temperature

圖 4 彈性模量隨溫度的變化關(guān)系Fig.4 Elastic modulus changed by temperature

2.3 非線性計(jì)算

當(dāng)空腔位置處于底部時(shí),外部受到海水的對(duì)流換熱作用,內(nèi)部受超低溫作用,采用MARC計(jì)算軟件,迭代5 000次進(jìn)行熱應(yīng)力穩(wěn)態(tài)分析.選取兩空腔中間位置處隔板上連續(xù) 4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考察(外板處node3,node315,node311,內(nèi)板處node75),Von Misses應(yīng)力及變形見圖5.圖中可見,計(jì)算收斂較快,迭代 500步之后即出現(xiàn)了較穩(wěn)定的解.熱應(yīng)力在內(nèi)板處較大,逐漸增加到7.096MPa.

圖5 底部空腔非線性計(jì)算結(jié)果Fig.5 Nonlinear result ofbottom cavity

當(dāng)空腔處于舷側(cè)時(shí),一部分處于水線下受海水對(duì)流換熱作用,一部分處于水線上受空氣對(duì)流換熱作用.迭代計(jì)算后,對(duì)中間位置處隔板上連續(xù)4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考察(外板處node3,node315,node311,內(nèi)板處node75),Von misses應(yīng)力及變形見圖6.熱應(yīng)力在內(nèi)板處較大,逐漸增加到35.95MPa.

圖 6 舷側(cè)空腔非線性計(jì)算結(jié)果Fig.6 Nonlinear resu lt of side cavity

3 非線性分析必要性探討

通常情況下進(jìn)行LNG船體強(qiáng)度校核時(shí),都是忽略材料非線性影響的.以局部空腔結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,將材料屬性設(shè)定為理想材料,并和上面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較.

3.1 對(duì)于兩空腔都處于水線下的情況

當(dāng)空腔位置處于船底時(shí),不考慮材料非線性因素,考察兩空腔中間位置處隔板上連續(xù) 4個(gè)節(jié)點(diǎn)(外板處node3,node315,node311,內(nèi)板處node75)的Von Misses應(yīng)力及變形,見圖7.

圖7 底部空腔線性計(jì)算結(jié)果Fig.7 Linear result of bottom cavity

3.2 對(duì)于兩空腔都處于舷側(cè)的情況

當(dāng)空腔位置處于舷側(cè)時(shí),不考慮材料非線性因素,考察兩空腔中間位置處隔板上連續(xù) 4個(gè)節(jié)點(diǎn)(外板處node3,node315,node311,內(nèi)板處node75)的Von Misses應(yīng)力及變形,見圖8.

圖 8 舷側(cè)空腔線性計(jì)算結(jié)果Fig.8 Linear result of side cavity

3.3 計(jì)算結(jié)果比較

從圖 5～8可以看出非線性分析和線性分析結(jié)果趨勢(shì)都是一致的,有必要選取一些典型的點(diǎn)作定量分析,探討進(jìn)行非線性分析的必要性.根據(jù)空腔結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn),本文選取如圖9所示的 8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,這些點(diǎn)涵蓋了典型的空腔內(nèi)外表面中心點(diǎn),兩空腔公用面上的 4個(gè)連續(xù)點(diǎn),基本上能反映熱應(yīng)力變化趨勢(shì)和熱應(yīng)力極大、極小值.詳細(xì)比較見表1和表2.

表 1 底部非線性計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparison o f bottom nonlinear resu lts

圖9 比較點(diǎn)示意圖Fig.9 Sketch of nodes

表2 非線性計(jì)算結(jié)果比較(舷側(cè))Tab le 2 Com parison o f non linear resu lts(Side)

通過(guò)表中數(shù)據(jù)比較可見,當(dāng)考慮材料性能隨溫度變化時(shí),對(duì)于 LNG船內(nèi)冷外熱的情況,產(chǎn)生的熱應(yīng)力差異約為 4.5%左右,因而校核大型液化天然氣船溫度應(yīng)力時(shí)不考慮材料非線性影響是一種偏保守的做法.作為探討,當(dāng)船舶內(nèi)熱外冷時(shí),不考慮材料非線性可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小,是偏危險(xiǎn)的做法,應(yīng)該引起足夠的注意.

4 結(jié) 論

1)通常LNG船強(qiáng)度分析是不考慮材料非線性影響的,根據(jù)本文研究,這是偏保守的做法,考慮材料非線性熱應(yīng)力會(huì)降低4.5%左右;

2)忽略材料非線性因素是有風(fēng)險(xiǎn)的做法,對(duì)于存在高低溫并存的特種船舶,應(yīng)該謹(jǐn)慎對(duì)待,正確判斷可能引起的誤差;

3)研究LNG船等特種船舶熱應(yīng)力時(shí),采用局部簡(jiǎn)化模型進(jìn)行非線性分析,是對(duì)整體強(qiáng)度校核的重要補(bǔ)充.

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