陳第一，王 偉，謝永和，魯 昕

（浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

計(jì)及溫度載荷的瀝青船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算分析

陳第一，王 偉，謝永和，魯 昕

（浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

瀝青船在運(yùn)載高溫瀝青時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)對(duì)其船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可忽略的影響。以6600DWT瀝青船為例，運(yùn)用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元軟件，對(duì)其在計(jì)及溫度載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算研究。分析溫度場(chǎng)載荷對(duì)瀝青船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)提出合理的加強(qiáng)方案。

瀝青船；溫度載荷；有限元；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

0 引 言

隨著我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)逐步加快，石油瀝青的需求量不斷增大，瀝青船在瀝青運(yùn)輸中的作用日益凸顯[1]。瀝青船是專門用來(lái)運(yùn)輸高溫、散裝的液態(tài)石油瀝青的船舶，所運(yùn)載貨物的溫度通?？刂圃?20～180℃[2-3]。

瀝青船的液貨艙分為獨(dú)立式和整體式2種。雖然采用整體式液貨艙的瀝青船具有貨艙艙容利用率高和便于清理等優(yōu)勢(shì)[4]，受到越來(lái)越多的船東青睞，但其裝載的高溫液態(tài)瀝青易損壞船體結(jié)構(gòu)[5-6]，且鋼材的屈服強(qiáng)度在高溫下會(huì)隨溫度的升高而降低，因此需對(duì)瀝青船進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

本文對(duì)瀝青船貨艙作考慮溫度場(chǎng)[7]和不考慮溫度場(chǎng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算，分析溫度場(chǎng)對(duì)瀝青船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)提出合理的加強(qiáng)方案，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為貨艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化及今后瀝青船的改造提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。

以6600DWT的整體式液貨艙瀝青船為例，采用規(guī)范要求的計(jì)及溫度的加載方式，同時(shí)進(jìn)行考慮溫度場(chǎng)[7]作用的應(yīng)力分析。對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)提出合理的加強(qiáng)方案，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。此外，研究巖棉層的厚度和隔熱系數(shù)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響，為今后瀝青船的強(qiáng)度校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改造提供參考。

1 瀝青船概括

該整體式液貨艙瀝青船全長(zhǎng)113.6m，垂線間長(zhǎng)107.4m，型寬16.80m，型深8.80m，設(shè)計(jì)吃水6.60m，方形系數(shù)0.7892，肋骨間距700mm，強(qiáng)框架間距2800mm，雙層底高1200mm，雙舷側(cè)間距1000mm。

該船貨油艙區(qū)為雙殼、雙底結(jié)構(gòu)，并被1道槽型縱艙壁和4道槽型橫艙壁分隔成10個(gè)貨艙。貨艙區(qū)域的頂部、底部及內(nèi)側(cè)部均敷設(shè)厚度為100mm的巖棉保溫材料，橫艙壁四周到邊界900mm，1000mm及1100mm處設(shè)有厚度為100mm的巖棉保溫材料。瀝青船強(qiáng)框架的典型橫剖面圖及帶巖棉層的強(qiáng)框架的典型橫剖面圖見圖1和圖2。

2 有限元直接計(jì)算

本文基于以下假設(shè)[8]對(duì)計(jì)及溫度載荷作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算研究。

1) 有限元中的傳熱計(jì)算是基于三維空間定常穩(wěn)態(tài)傳熱假定，且材料參數(shù)和邊界條件為不隨溫度變化的線性熱傳導(dǎo)，并在計(jì)算中僅考慮結(jié)構(gòu)和絕緣的傳導(dǎo)效應(yīng)。

2) 熱力學(xué)計(jì)算是基于“場(chǎng)序熱—結(jié)構(gòu)耦合”假定，即計(jì)及溫度場(chǎng)變化對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，但不考慮后者變化對(duì)前者的影響。此外，計(jì)算中不考慮結(jié)構(gòu)的高溫蠕變效應(yīng)。

3) 計(jì)算中假定船體各構(gòu)件之間以傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱傳遞，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。

2.1 艙段有限元模型

依據(jù)6600DWT瀝青船的相關(guān)設(shè)計(jì)建造圖紙，運(yùn)用大型有限元軟件MSC/PATRAN及MSC/NASTRAN進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。

依據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[8]第二篇要求，采用三維有限元模型進(jìn)行瀝青船主要構(gòu)件的強(qiáng)度直接計(jì)算研究。艙段模型范圍為船中貨艙區(qū)的近3個(gè)貨艙，其中：縱向范圍為從肋位Fr49到肋位Fr113；垂向范圍為船體型深，采用全寬模型。貨艙區(qū)內(nèi)的巖棉材料采用三維體單元建模，其余各船體構(gòu)件采用板、梁?jiǎn)卧?。坐?biāo)系采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于Fr49號(hào)船底中線處，x軸指向船首為正方向，y軸指向左舷為正方向，z軸指向上為正方向。艙段有限元模型見圖3，體單元的巖棉絕緣層模型見圖4。

對(duì)于熱傳導(dǎo)分析，模型中應(yīng)包含模型范圍內(nèi)所有參與作用的熱絕緣材料和結(jié)構(gòu)，但可忽略不銹鋼內(nèi)膽；對(duì)于熱應(yīng)力分析，模型僅為結(jié)構(gòu)模型。鋼材的材料屬性及溫度場(chǎng)計(jì)算所需參數(shù)見表1。

表1 鋼材的材料屬性及溫度場(chǎng)計(jì)算所需參數(shù)

2.2 邊界條件

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[8]的要求，邊界約束參考雙殼油船。在端面A及端面B內(nèi)中和軸與縱中剖面相交處建一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)H，在獨(dú)立點(diǎn)上施加總縱彎矩，端面各縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)自由度Tx，Ty，Tz與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)。總體載荷工況的邊界條件見表2。局部載荷工況的邊界條件見表3。

表2 總體載荷工況的邊界條件

表3 局部載荷工況的邊界條件

2.3 計(jì)算工況和載荷

2.3.1 瀝青船的裝載工況

對(duì)于該瀝青船的整體液貨艙的裝載工況，按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[8]取用，即：且對(duì)于(a)，(b)，(c)，均考慮上述模式下的滿載和半載狀態(tài)。具體裝載工況見圖5a)～圖5c)，分別包括水平剖面圖和縱剖面圖。

2.3.2 瀝青船的局部和總體工況

局部工況主要包含的載荷有瀝青載荷、舷外海水載荷、壓載水載荷和液貨艙結(jié)構(gòu)溫度分布引起的溫度載荷?？傮w工況中對(duì)應(yīng)的總體載荷為艙段兩端通過(guò)MPC點(diǎn)加載的垂向彎矩，分別對(duì)應(yīng)中拱狀態(tài)和中垂?fàn)顟B(tài)。最終的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果需將局部工況下的計(jì)算結(jié)果與總體工況下的計(jì)算結(jié)果相疊加。具體載荷工況結(jié)果疊加明細(xì)表見表4。

表4 載荷工況疊加明細(xì)

在局部工況的載荷加載中，裝載工況a和裝載工況c對(duì)應(yīng)的是滿載狀態(tài)，裝載工況b對(duì)應(yīng)的是壓載狀態(tài)。在總體載荷工況的載荷加載中，裝載工況a僅考慮中垂?fàn)顟B(tài)，裝載工況b及裝載工況c分別考慮中垂?fàn)顟B(tài)和中拱狀態(tài)。

2.3.3 溫度載荷

瀝青船的6種裝載工況分別對(duì)應(yīng)6種溫度設(shè)置方式，經(jīng)熱傳導(dǎo)計(jì)算分析后，使從傳熱分析中得到的三維空間溫度場(chǎng)的溫度分布作為熱力學(xué)計(jì)算的溫度載荷[9-10]，可對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生6種熱應(yīng)力計(jì)算所需的溫度載荷。溫度場(chǎng)的溫度設(shè)置見表 5；各溫度場(chǎng)下產(chǎn)生的溫度載荷及各溫度載荷對(duì)應(yīng)的局部工況見表 6；船體各結(jié)構(gòu)的溫度分布見圖6～圖9。

表5 溫度場(chǎng)的溫度設(shè)置

表6 溫度場(chǎng)、溫度載荷及局部工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

在上述 10種工況下，考慮溫度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，對(duì)該瀝青船各船體結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：計(jì)及溫度時(shí)的甲板、內(nèi)底板、內(nèi)殼板、船底縱桁、頂邊艙斜板、橫艙壁及雙層底肋板的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度不滿足要求，其余結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。下面對(duì)強(qiáng)度不滿足要求的結(jié)構(gòu)提出加強(qiáng)方案。表7僅列出不滿足強(qiáng)度要求的船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果，未列出強(qiáng)度滿足要求的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的相當(dāng)應(yīng)力分布見圖10～圖15。

1) 甲板、內(nèi)底板及頂邊艙斜板的板厚由12mm加強(qiáng)到15mm，其中頂邊艙斜板用AH32高強(qiáng)度鋼。

2) 肋位Fr65～Fr73及Fr89～Fr97的船底縱桁用高強(qiáng)度鋼AH32代替。

3) 在距離船舯4270～5690mm非水密肋板上的開孔附近及肋位FR70和FR94處的水密肋板上距離船舯6030～8400mm位置，用高強(qiáng)度鋼AH36；在距離船舯6730～8400mm非水密肋板上的舭部位置，板厚由10mm加強(qiáng)到15mm，并用AH36高強(qiáng)度鋼。

4) 在槽型橫艙壁上距離船舯 6998mm位置，加垂向尺寸為 FB100-15的球扁鋼，將距離船舯 7123～7400mm處的艙壁板厚增加到16mm，并在6873～7400mm處用AH36高強(qiáng)度鋼。

表7 原結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)計(jì)及溫度作用的瀝青船的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算發(fā)現(xiàn)，船底縱桁是整個(gè)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大的地方，遠(yuǎn)超過(guò)許用要求，通過(guò)篩選結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，用高強(qiáng)度鋼代替普通鋼是一種非常有效的方式。此外，甲板和內(nèi)底板的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果只超過(guò)許用值20N/mm2左右，可通過(guò)增加板厚來(lái)加強(qiáng)。

研究發(fā)現(xiàn)，在頂邊艙斜板處增加板厚很難減小應(yīng)力的計(jì)算值，故建議采用AH32高強(qiáng)度鋼來(lái)加強(qiáng)。雙層底肋板的應(yīng)力計(jì)算值只有小范圍超過(guò)許用要求，通過(guò)加強(qiáng)發(fā)現(xiàn)，需采用AH36高強(qiáng)度鋼并增加板厚來(lái)加強(qiáng)才更有效。由于槽型橫艙壁結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，又連接甲板、內(nèi)殼板、內(nèi)底板及頂邊艙斜板等結(jié)構(gòu)，需通過(guò)局部增添扶強(qiáng)材、增加板厚和用AH36高強(qiáng)度鋼來(lái)加強(qiáng)。此外，由于結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，主要結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，內(nèi)殼板上的應(yīng)力值即可得到減小。

除上述傳統(tǒng)加強(qiáng)方案外，還建議通過(guò)增大巖棉層的厚度或更換巖棉層的材料使巖棉的熱傳導(dǎo)系數(shù)降低，從而降低溫度對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。由于巖棉層是用體單元表達(dá)的，在橫艙壁上的體單元與頂邊艙斜板的體單元之間協(xié)調(diào)難度非常大，沒(méi)有進(jìn)一步計(jì)算驗(yàn)證增大巖棉層的厚度對(duì)降低應(yīng)力值的影響，故需進(jìn)一步探討。

[1]馮國(guó)增，孫少哲，董瑞. 6000DWT瀝青船液貨梯級(jí)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船舶工程，2015 (2): 38-40.

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Finite Element Calculation and Analysis of Asphalt Carrier's Structural Strength Taking into Account the Temperature Load

CHEN Di-yi, WANG Wei, XIE Yong-he, LU Xin

（Naval Architecture and Electromechanical Engineering College, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China）

The influence of excessive high temperature on the asphalt carrier’s hull structure cannot be neglected, during its transportation of high temperature asphalt. For this, taking the 6600DWT asphalt carrier as the example, the MSC/PATRAN and MSC/NASTRAN software are used to perform the finite element calculations on the asphalt carrier’s structural strength, while taking into account the temperature load. The influence of temperature field load on the asphalt carrier’s structural strength is analyzed, and proper strengthening schemes are proposed for those structures which do not meet the strength requirements.

asphalt carrier; temperature load; finite element; structural strength

U661.43

A

2095-4069 (2017) 06-0007-06

2016-10-31

浙江省自然科學(xué)基金（LQ13E090002）

陳第一，男，碩士，1989年生。研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.002