趙英策 董煉洪

摘 要：散裝運(yùn)輸液化氣體船以及在大氣壓力下載運(yùn)液貨溫度大于80℃的散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船、油船和瀝青船等船舶，因其液貨區(qū)所載貨品溫度與周邊環(huán)境溫度差異較大，這將在液貨區(qū)鋼結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，因熱應(yīng)力的過(guò)度集中將對(duì)船舶鋼性產(chǎn)生極度不利影響，故在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中即應(yīng)對(duì)液貨艙結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及其熱應(yīng)力進(jìn)行分析。本文基于MSC.PATRAN&NASTRAN平臺(tái)，針對(duì)液貨船熱應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中需注意的相關(guān)事項(xiàng)及作業(yè)流程進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的個(gè)人探討。

關(guān)鍵詞：液貨船;熱應(yīng)力;建模;分析;

中圖分類號(hào)：U662.2 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0076-03

1 基本概念

液貨船熱力學(xué)分析僅涉及穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（系統(tǒng)的溫度場(chǎng)與時(shí)間無(wú)關(guān)）和空氣對(duì)流換熱的溫度計(jì)算及熱膨脹的熱力計(jì)算。以下先簡(jiǎn)單介紹這些基本概念：

熱應(yīng)力是指溫度改變時(shí)，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部門之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。

熱傳遞（熱傳熱）是物理學(xué)上的一個(gè)物理現(xiàn)象，實(shí)指由于溫度差引起的熱能傳遞現(xiàn)象。在熱傳遞過(guò)程中內(nèi)能的改變量叫熱量。它是內(nèi)能的變化度量。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。

當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度差時(shí)，熱量將從高溫部分傳遞到低溫部分，而且不同的物體相互接觸時(shí)熱量會(huì)從高溫物體傳遞到低溫物體，這種熱量傳遞方式稱為熱傳遞。熱傳導(dǎo)是固體熱傳遞的主要方式。在氣體或液體等流體中，熱的傳遞過(guò)程往往和對(duì)流同時(shí)發(fā)生。傅立葉定律是熱傳導(dǎo)學(xué)中的一個(gè)基本定律，它指出導(dǎo)熱速率與微元所在的溫度梯度成正比。并引入一個(gè)熱傳導(dǎo)率（或稱熱傳導(dǎo)系數(shù)）的概念;它是指單位溫度梯度下的導(dǎo)熱熱通量，代表物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。物體的導(dǎo)熱率與材料的組成、結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、壓強(qiáng)以及聚集狀態(tài)等多種因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱率最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最小。

對(duì)流是指溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的熱量傳遞方式。高溫物體表面常發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象，即高溫表面空氣受熱膨脹密度降低并向上流動(dòng)，而密度較大的冷空氣下降代替原來(lái)受熱空氣，形成對(duì)流熱交換。對(duì)流換熱的基本公式是牛頓冷卻公式。并引入空氣對(duì)流換熱系數(shù)，它代表對(duì)流傳熱能力，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素有：引起流動(dòng)的原因、流動(dòng)狀況、流體性質(zhì)等。

固體的膨脹系數(shù)是指固體由于溫度改變1度所引起的長(zhǎng)度變化與它在0度時(shí)的長(zhǎng)度之比。

2 液貨艙結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及其熱應(yīng)力分析

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2篇第2章第24節(jié)要求。對(duì)于散裝運(yùn)輸液化氣體船以及在大氣壓力下載運(yùn)液貨溫度大于80℃的散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船，油船和瀝青船等船舶，需按規(guī)范進(jìn)行液貨艙溫度應(yīng)力計(jì)算。并在該規(guī)范中對(duì)液貨船的熱應(yīng)力計(jì)算方法做出了以下具體規(guī)定。

2.1液貨艙溫度應(yīng)力計(jì)算

對(duì)于液貨艙溫度應(yīng)力計(jì)算應(yīng)包含兩個(gè)分析流程：

流程一，即溫度場(chǎng)計(jì)算流程。根據(jù)給定的船舶載運(yùn)液貨所能達(dá)的最高穩(wěn)定溫度和外界環(huán)境溫度，通過(guò)熱傳導(dǎo)分析計(jì)算出液貨艙及其相關(guān)連結(jié)構(gòu)的空間溫度場(chǎng)分布。

規(guī)范規(guī)定中的傳熱計(jì)算基于三維空間定常穩(wěn)態(tài)傳熱假定，即系統(tǒng)的溫度場(chǎng)與時(shí)間無(wú)關(guān)，且材料參數(shù)和邊界條件都不隨溫度變化的線性熱傳導(dǎo)分析方法，并在傳導(dǎo)計(jì)算中僅考慮結(jié)構(gòu)和絕緣的傳導(dǎo)作用。同時(shí)還規(guī)定熱力學(xué)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)產(chǎn)生的影響，但不考慮后者變化對(duì)前者的影響。另外，計(jì)算中不考慮結(jié)構(gòu)的高溫蠕變效應(yīng)。在計(jì)算中，假定船體各個(gè)構(gòu)件之間以傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞，空氣僅以自然對(duì)流方式與所接觸的船體構(gòu)件進(jìn)行對(duì)流換熱。一般熱傳導(dǎo)計(jì)算可以使用通用有限元分析軟件完成，如ANSYS或MSC.Patran & Nastran。

流程二，使用“流程一”分析所得到的三維空間溫度場(chǎng)分布值作為熱力學(xué)計(jì)算的溫度載荷，計(jì)算出溫度場(chǎng)中任一結(jié)構(gòu)由于溫度梯度而引起的熱膨脹（收縮）溫度應(yīng)力。

該流程一般也是使用有限元分析軟件完成的，通常使用流程一建立的模型，通過(guò)改變分析的類型，再進(jìn)一步完成結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力應(yīng)變分析。

2.2基于MSC.PATRAN&NASTRAN平臺(tái)完成液貨船熱應(yīng)力的計(jì)算

第一步建模。在Structural分析模式下建立有限元模型，模型范圍：對(duì)整體液貨艙，縱向范圍一般應(yīng)至少覆蓋船中貨艙區(qū)的1/2 個(gè)貨艙+1 個(gè)貨艙+1/2 個(gè)貨艙長(zhǎng)度。必要時(shí)（溫度梯度較大），應(yīng)考慮對(duì)最前一個(gè)液貨艙的前端區(qū)域和最后一個(gè)液貨艙的后端區(qū)域進(jìn)行建模分析。對(duì)獨(dú)立液貨艙，至少應(yīng)取整個(gè)液貨艙結(jié)構(gòu)。對(duì)于熱傳導(dǎo)分析，模型之中應(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。一般來(lái)講，船體的外板結(jié)構(gòu)、強(qiáng)框架、縱桁、艙壁，等采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，在高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力變化梯度較大的區(qū)域應(yīng)盡可能避免使用三角形單元，如減輕孔，人孔，艙壁與壁凳連接處，鄰近肘板或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，應(yīng)盡量少用三角形單元。對(duì)于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強(qiáng)材，肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋可采用梁?jiǎn)卧M。船底縱桁和肋板在垂直方向布置應(yīng)不少于3個(gè)單元。艙壁最底部的單元一般情況下應(yīng)盡量劃分為正方形單元。結(jié)構(gòu)尺寸采用船舶建造厚度，即不考慮腐蝕余量。對(duì)于巖棉保溫隔熱層的決議單元類型一般去實(shí)體單元，厚度為絕緣層厚度（不包括不銹鋼內(nèi)膽），建模原則如單元選取以及網(wǎng)格劃分與結(jié)構(gòu)類似，但在某些結(jié)構(gòu)（絕緣）復(fù)雜的交匯處，如槽型縱艙壁，槽型橫艙壁與頂?shù)氏嘟徊糠值瓤梢宰们楹?jiǎn)化。完成建模工作后需要定義材料和對(duì)構(gòu)件賦予屬性，此時(shí)應(yīng)注意各材料系數(shù)單位與所建模型所用的單位系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致性。值得注意的是，雖然此時(shí)處在熱傳導(dǎo)分析的流程，但是一般不在Thermal模式下完成建模，因?yàn)樵赥hermal模式下不能創(chuàng)建具有剖面特性的偏心梁?jiǎn)卧?/p>

第二步熱分析。轉(zhuǎn)入Thermal模式進(jìn)行熱分析，定義材料的熱參數(shù)，修改單元屬性，其中梁?jiǎn)卧€要輸入剪切面積。因此在Structural模式下創(chuàng)建梁?jiǎn)卧鹈值臅r(shí)候最好能明確型材的結(jié)構(gòu)尺寸。規(guī)范要求的熱傳導(dǎo)分析所需的材料參數(shù)列舉如下：

碳鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)：60.6W/（m·K） ——用于傳熱計(jì)算（溫度分析）

碳鋼的線膨脹系數(shù)：11 ×10-6 1/K ——用于熱應(yīng)力計(jì)算（結(jié)構(gòu)分析）

空氣的對(duì)流換熱系數(shù)：11.6W/（m2 ·K） ——用于傳熱計(jì)算（溫度分析）。

完成材料屬性的調(diào)整后，就可以對(duì)有限元模型施加溫度邊界條件了。根據(jù)規(guī)范要求，具體邊界條件按照下述要求設(shè)置：

（1）外界大氣和海水的溫度邊界條件為： 位于吃水線以下部分——定義的表面溫度為水中的最低溫度，如擬駛航線可能結(jié)冰，則應(yīng)取0℃ ; 位于吃水線以上部分——定義的表面溫度為擬駛航線中的大氣環(huán)境可能達(dá)到的最低溫度，如 -20℃等 ;

（2）對(duì)于計(jì)算最大溫度應(yīng)力的傳熱分析，應(yīng)按液貨溫度與營(yíng)運(yùn)航線上外界環(huán)境溫度的最大溫差值作為溫度載荷輸入條件;

（3）對(duì)液貨艙絕緣層或裸露的結(jié)構(gòu)殼板直接接觸液貨的一面——定義的表面溫度為液貨載運(yùn)時(shí)所能達(dá)到的最高穩(wěn)定溫度;

（4）對(duì)于雙層底和雙舷側(cè)之間的空間——該空間的環(huán)境溫度可直接取值為略高于外界溫度，并在內(nèi)舷側(cè)殼板和內(nèi)底板的外側(cè)表面（背向液貨一面）定義上述空氣與鋼板的對(duì)流傳熱設(shè)定（假定空氣的熱傳導(dǎo)非常?。?，也可將該空間劃為空氣單元的三維有限元模型，且一并計(jì)入傳熱有限元模型。但通常在熱傳導(dǎo)計(jì)算中，不考慮空氣的熱傳導(dǎo)作用。若對(duì)液貨艙周界的最高溫度指標(biāo)有特殊要求時(shí)，按要求指定的表面溫度進(jìn)行定義。

在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（CCS 2018）及其修改通報(bào)第二篇第二章中規(guī)定了熱應(yīng)力計(jì)算所需考察的六種裝載工況，分別為：（a1）均勻滿艙工況、（a2）均勻半艙工況、（b1）中間艙滿艙且前后兩艙空艙工況、（b2）中間艙半艙且前后兩艙空艙工況、（b1）中間艙空艙且前后兩艙滿艙工況、（b2）中間艙空艙且前后兩艙半艙工況。一般液貨艙內(nèi)，無(wú)論滿艙還是半艙其內(nèi)周界均考慮為液貨的最大穩(wěn)定溫度。

完成上述的溫度邊界條件施加后，即可求解計(jì)算各計(jì)算工況下的溫度分布情況，并根據(jù)溫度分布情況建立溫度場(chǎng)函數(shù)。

第三步結(jié)構(gòu)分析。將分析由Thermal模式再切換為Structural模式，再一次修改單元屬性。值得注意的是結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中隔熱層不參與強(qiáng)度分析，需要在結(jié)構(gòu)分析中將其剝離。創(chuàng)建溫度載荷，并根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2篇第5章附錄1的要求施加海水靜水壓力和海水動(dòng)壓力、貨物壓力以及端面彎矩（若僅溫度載荷作用引起的熱應(yīng)力中的縱向拉、壓應(yīng)力小于42/K，N/mm2（K 為材料系數(shù)）。經(jīng)船級(jí)社同意，在計(jì)算模型兩端可不施加船體梁總縱彎矩。

接下來(lái)的步驟就是常規(guī)的油船艙段分析，只是附加溫度載荷罷了。

根據(jù)筆者以往的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于需要裝載高溫液貨的整體液貨艙型船舶，應(yīng)盡量保證其液貨艙內(nèi)部的平整，盡量將骨架翻至液貨艙以外。這樣做不僅方便了保溫內(nèi)膽的施工，同時(shí)對(duì)于控制溫度應(yīng)力也有不小的貢獻(xiàn)。尤其是主甲板結(jié)構(gòu)，如果主甲板結(jié)構(gòu)做在艙內(nèi)，極大地增加了艙內(nèi)的熱接觸面積，不但會(huì)對(duì)液艙的保溫效果大打折扣，同時(shí)還會(huì)增加保溫層的建造難度。如果內(nèi)膽結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)空腔，會(huì)使內(nèi)膽損毀的概率極大增加。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2018[S]. 北京：人民交通出版社，2018.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范 2018[S]. 北京：人民交通出版社，2018.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)液體化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范2016[S]. 北京：人民交通出版社，2016.