中小型LNG船鞍座附近溫度場有限元分析

朱永凱，呂瑞升，何金平，夏華波，楊波

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

摘要：考慮到中小型LNG運輸船及C型獨立液貨罐的特點，針對罐與主船體通過鞍座連接，液貨溫度為零下163℃，鞍座及船體結(jié)構(gòu)會形成溫度變化的情況，對鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，研究溫度場的變化，供鞍座及附近鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇參考。

關(guān)鍵詞：LNG船；溫度分布；有限元

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.003

中圖分類號：U674.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0009-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一朱永凱(1982-)，男，碩士，工程師

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:船舶建造及海上油氣開發(fā)

E-mail:zhuyk@cnooc.com.cn

中小型LNG 運輸船是LNG 船型的一個新概念[1]，與傳統(tǒng)大型LNG船相比，具有周轉(zhuǎn)靈活、運輸成本低、受影響因素少、安全性高的優(yōu)點。同時，中小型LNG運輸船的結(jié)構(gòu)設(shè)置和內(nèi)部設(shè)備與大型LNG運輸船有著很大差別[2-3]，這種船型一般采用C型獨立液貨艙裝載液態(tài)貨物，貨艙臥式容器由與船體相連的固定鞍座和滑動鞍座支撐[4]，這樣在鞍座及附近船體上就會形成溫度梯度，對不同位置鋼結(jié)構(gòu)材料就會有不同要求。有必要研究鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)溫度場分布。

1基本原理

在熱傳導(dǎo)過程中，物體內(nèi)部各點的溫度隨各點的空間位置和時間而變化，因此各點溫度θ是位置坐標(biāo)(x,y,z)和時間t的函數(shù)[5-6]。

(1)

在任一瞬時，溫度在時間場和空間場中的分布，稱為溫度場，連接場內(nèi)相同溫度值的各點，就得到此時刻的溫度面，見圖1。沿等溫面切向，溫度不變。沿著其他方向，溫度都會改變，而垂直等溫面的法向，溫度的變化最大，表示一點最大增溫率的矢量，成為溫度梯度。

圖1　溫度梯度與熱流密度矢量示意

一個溫度場如果溫度隨時間變化，就稱為不穩(wěn)定溫度場或者非穩(wěn)定性溫度場；如果溫度不隨時間的改變而改變稱為穩(wěn)定溫度場。在穩(wěn)定溫度場中，溫度只是位置的函數(shù)，即：

(2)

在同一平面區(qū)域內(nèi)，穩(wěn)定溫度場為

(3)

(4)

該點沿坐標(biāo)方向的變溫率為：

(5)

單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，稱為熱流密度(或熱流量)。任意一點的最大熱流密度矢量是沿等溫面的法向且指向降溫方向。

(6)

根據(jù)熱傳導(dǎo)率定律，熱流密度與溫度梯度成正比而方向相反：

(7)

式中:λ——導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)。

由式(4)、(6)和(7)可得到：

(8)

由此得到熱流密度q為

(9)

其在x,y,z軸上的分量分別為：

(10)

由于坐標(biāo)軸是任意選取，所以式(10)表示熱流密度在任意方向的分量等于導(dǎo)熱系數(shù)乘以溫度在該方向上的遞減率。

2有限元計算

以國內(nèi)首制3萬m3LNG運輸船為例，采用ANSYS有限元軟件[7]建立鞍座及局部船體結(jié)構(gòu)模型。船體模型縱向范圍包含鞍座區(qū)域前后2個強(qiáng)框，液貨艙縱向范圍為鞍座區(qū)域，模型高度方向距基線高度為6.7 m。

坐標(biāo)軸方向：X軸沿船舶縱向，從船艉指向船艏為正；Y軸沿船舶橫向，從中心線向左舷為正；Z軸沿船舶垂向，從基線向上為正。

2.1建立模型

該船第1液貨艙和第4液貨艙結(jié)構(gòu)上有代表性，所以本文選取這2個艙室進(jìn)行建模。有限元模型包含所有主要的縱向和橫向構(gòu)件。貨艙區(qū)域的主要板材，如外殼板、縱桁等，以板單元來模擬[8]。有限元網(wǎng)格按以下規(guī)定劃分：船體關(guān)鍵區(qū)域采用精細(xì)網(wǎng)格，其他區(qū)域采用粗網(wǎng)格；液貨艙為精細(xì)網(wǎng)格。

貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)采用普通鋼，液貨艙采用9Ni鋼，兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)分別為50和29 W/(mK)。

2.2邊界條件及結(jié)構(gòu)模型

邊界條件設(shè)定[9-10](溫度假定)：

液貨溫度θc：-164 ℃(109.15 K)；

海水溫度θs：0 ℃(273.15 K)；

空氣溫度θa：5 ℃(278.15 K)。

船體結(jié)構(gòu)及鞍座滿足對稱性，因此建模選取船體及鞍座的一半。模型見圖2、3。

圖2　第1液貨艙鞍座及船體結(jié)構(gòu)

圖3　第4液貨艙鞍座及船體結(jié)構(gòu)

2.3計算結(jié)果分析

通過有限元計算，可以得到鞍座附近溫度場分布，見圖4～7。

圖4　第1液貨艙船體內(nèi)底板溫度

圖5　第1液貨艙肋板溫度分布

圖6　第4液貨艙船體內(nèi)底板溫度

圖7　第4液貨艙肋板溫度分布

由圖4～7可見，第1、4液貨艙結(jié)構(gòu)最低溫度分別為-25.1 ℃和-25.6 ℃。

鞍座附近溫度場分布見表1、2。

表1　第1液貨艙鞍座區(qū)域溫度場計算結(jié)果

表2　第4液貨艙鞍座區(qū)域溫度場計算結(jié)果

3結(jié)論

液罐鞍座正下方溫度最低，此處應(yīng)選取低溫鋼材(E級)，溫度向兩側(cè)逐漸升高。計算出液貨艙附近船體結(jié)構(gòu)溫度，對船舶建造中材料的選取進(jìn)行指導(dǎo)(溫度較低處采用D級或E級鋼材)。本文利用有限元軟件進(jìn)行溫度場計算，提出一條計算溫度場分布的新方法。船舶正常運行后，將試驗數(shù)據(jù)與實際結(jié)果對照表明，有效地降低了材料成本。

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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