尹 輝，古國忠，陳煒鑫，李煥豪，陳映彬

（1.廣東海洋大學(xué)，廣東湛江 524088；2.廣船國際有限公司，廣州 510382）

0 引言

瀝青船是指主要運輸瀝青類高溫液貨的船舶，屬于化學(xué)品船的一種，具有科技含量較高，附加值較高等特點。其裝貨、卸貨都要將瀝青加熱到160℃甚至更高的溫度，因此必須配備專用的加熱系統(tǒng)和載貨系統(tǒng)。有些瀝青船根據(jù)貨運需要也可兼運液體硫磺、雜酚油等化學(xué)品[1]。

瀝青船主要分為2種：獨立液貨艙型和整體液貨艙型[2]。獨立液貨艙是指自身支持的液貨艙，不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，對船體強度不是必須的。獨立液貨艙與主船體不是直接剛性連接，允許液貨艙能夠隨溫度的變化而自由地熱漲冷縮，船體結(jié)構(gòu)不需要考慮熱應(yīng)力的影響，而且液貨艙便于設(shè)置隔熱絕緣，保溫性能好。但是，這種形式的瀝青船空船自重較整體式貨艙稍大一些，且建造麻煩。

整體液貨艙構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，并且以相同方式與相鄰船體結(jié)構(gòu)一起受到同樣載荷的影響。與獨立式液貨艙相比，整體式液貨艙具有艙容利用率高、船型緊湊等優(yōu)勢。整體液貨艙型的瀝青船必須對船體構(gòu)件進行熱應(yīng)力分析，以確定其各種裝載情況下的局部強度和總縱強度[3-5]，同時還要考慮材料在高溫下機械性能的變化及不同艙壁對溫度應(yīng)力的影響[6-7]。此外，這種形式的瀝青船保溫性比較差，往往無法較長距離運輸瀝青。

本文根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》的相關(guān)規(guī)定，對某3 500噸級瀝青船的溫度場進行計算，在基于溫度場分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對船體進行“溫度-結(jié)構(gòu)”單向耦合分析，得到溫度應(yīng)力與機械應(yīng)力相疊加的組合應(yīng)力，并根據(jù)規(guī)范進行強度校核。

1 熱傳導(dǎo)控制方程

非均勻各向同性體的熱傳導(dǎo)方程為：

式中：k=k(x,y,z)為物體在某點P(x,y,z)處的熱傳導(dǎo)系數(shù)，取正值；ρ=ρ(x,y,z)為物體在某點P(x,y,z)處的密度，c=c(x,y,z)為物體在某點P(x,y,z)處的比熱容。

由于船體鋼材屬于各向同性材料，且材料分布均勻，即ρ、c、k均為常數(shù)，則式(1)可寫為

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》第 1篇第6章規(guī)定，考慮溫度場時采用穩(wěn)態(tài)分析進行計算，故式(2)可寫為

式(3)即為瀝青船溫度分布的控制方程，該控制方程為拋物型方程，當知道船體溫度邊界條件時，轉(zhuǎn)化為求熱傳導(dǎo)方程的Dirichlet問題。通過求解式(3)，可得到瀝青船的溫度分布，進而通過溫度載荷和機械載荷的耦合分析，即可求得船體的組合應(yīng)力。

2 研究方案設(shè)計

2.1 工況設(shè)置

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》第 1篇“船體”第6章“油船船體結(jié)構(gòu)補充規(guī)定”附錄I的規(guī)定，取計算工況如表1所示。

表1 不同裝載工況的詳細規(guī)定

LC1～LC6代表不同的裝載工況，具體如圖1所示。

圖1 規(guī)范所規(guī)定的裝載工況

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》第 1篇“船體”第6章“油船船體結(jié)構(gòu)補充規(guī)定”附錄II的規(guī)定，方程(3)的初始邊界條件如表2所示。

表2 初始邊界條件

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》第1章“通則”第9節(jié)“結(jié)構(gòu)強度直接計算”1.9.5“總縱彎曲強度”1.9.5.8的規(guī)定，對于船體中部艙段有限元模型，邊界條件為：在計算艙段兩端面中和軸與中縱剖面交點處各建立一個獨立點 N1、N2，端面上各節(jié)點與獨立點進行剛性關(guān)聯(lián)（建立 MPC點），在獨立點N1、N2上分別施加線位移約束，如表3所示。

表3 邊界條件設(shè)置

2.3 船體材料

船體材料主要由兩大部分組成：一部分是普通船體結(jié)構(gòu)鋼；另一部分是隔熱層。本船的隔熱層材料為硬質(zhì)聚氨酯泡沫。材料的參數(shù)如下：

船體材料：船體結(jié)構(gòu)鋼。彈性模量2.06×1011；泊松比0.3；密度7 850 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)60.6 W/m·℃；熱膨脹系數(shù)1.1×10-5/℃。

隔熱材料：硬質(zhì)聚氨酯泡沫。

導(dǎo)熱系數(shù)0.02 W/m·℃。

2.4 溫度載荷

溫度載荷以溫度場的形式與結(jié)構(gòu)場耦合疊加，所得應(yīng)力即為船體的組合應(yīng)力。根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》第1篇“船體”第6章“油船船體結(jié)構(gòu)補充規(guī)定”附錄II的規(guī)定，計算溫度場時，一般采用“穩(wěn)態(tài)分析、材料線性、單向耦合、忽略蠕變”的原則。根據(jù)表1和圖1的裝載形式，對船體進行溫度場分析，計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同裝載工況下主艙段的溫度場

3 組合應(yīng)力分析與強度校核

從圖3可以看出，硬質(zhì)聚氨酯泡沫的作用就是迅速將艙內(nèi)溫度降到與外界同一水平，但是也因此產(chǎn)生相當大的溫度梯度，從而導(dǎo)致極大的溫度應(yīng)力。

圖3 隔熱層的隔熱效果

表4為不同裝載工況下，無溫度載荷和有溫度載荷的船體應(yīng)力計算結(jié)果。如圖4所示，192 Mpa為規(guī)范所允許的最大von Mises應(yīng)力，綠色代表無溫度載荷，紅色代表有溫度載荷。無溫度載荷時，船體應(yīng)力均在192 Mpa以下；而施加溫度載荷時，組合應(yīng)力大大超過許用應(yīng)力值192 Mpa。

表4 無溫度載荷和有溫度載荷時的船體應(yīng)力

圖4 無溫度載荷和有溫度載荷時的船體應(yīng)力

表5給出了不滿足規(guī)范規(guī)定的船體構(gòu)件的機械應(yīng)力和組合應(yīng)力。從表5可看出，超出許用應(yīng)力的構(gòu)件主要集中在與貨艙直接接觸的區(qū)域，膨脹甲板和橫向強框架處的組合應(yīng)力最大，超過了機械應(yīng)力的3倍。圖5展示了LC1船底板、膨脹甲板、橫艙壁、強框架的組合應(yīng)力云圖。從圖5可看出，在結(jié)構(gòu)的連接處組合應(yīng)力非常大，因為結(jié)構(gòu)連接處本身存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，加上溫度梯度在此處達到最大值，所以組合應(yīng)力的最大值都分布在這些區(qū)域內(nèi)，主要有艙壁與船底板的交接處、艙壁與膨脹甲板的交接處、艙壁與內(nèi)殼板的交接處、強框架與內(nèi)底板的交接處。

4 結(jié)論

基于《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》對某3 500 t級瀝青船的溫度場和組合應(yīng)力進行分析，可得出：

1）對于有極端溫度載荷的船舶，溫度應(yīng)力是組合應(yīng)力的主要成分，設(shè)計時要重點考慮。

2）溫度應(yīng)力主要集中在貨艙的結(jié)構(gòu)連接處，主要有艙壁與船底板的交接處、艙壁與膨脹甲板的交接處、艙壁與內(nèi)殼板的交接處、強框架與內(nèi)底板的交接處等，這些地方由于應(yīng)力集中和過大的溫度梯度往往會有很高的組合應(yīng)力，設(shè)計時應(yīng)重點處理這些部位。

表5 不同裝載工況下船體主要構(gòu)件的組合應(yīng)力（單位：MPa）

3）由于溫度梯度過大是造成溫度應(yīng)力的主要原因，故可通過改變隔熱層的設(shè)計來降低溫度應(yīng)力，例如在結(jié)構(gòu)交接處增加隔熱層的厚度，通過加大隔熱層厚度來降低溫度梯度；另外，也可以采用高強度鋼代替普通船體結(jié)構(gòu)鋼，以此提高許用應(yīng)力閾值。

圖5 LC1船體主要構(gòu)件的組合應(yīng)力