液化氣船C型液罐有限元分析

趙 帥,陳章蘭

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建 廈門(mén) 361021)

液化氣船C型液罐有限元分析

趙 帥,陳章蘭

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建 廈門(mén) 361021)

液化氣船液罐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定液罐的結(jié)構(gòu)形式和尺度。利用ANSYS有限元軟件,對(duì) 3 170m3的半冷半壓式液化氣船的雙聯(lián)C型圓筒液罐進(jìn)行三維有限元分析。建立了液罐有限元三維結(jié)構(gòu)模型,劃分網(wǎng)格和加載載荷后,在一定液罐殼厚度下進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算,得出了液罐各部位變形分布云圖和應(yīng)力分布云圖,提高了液罐的設(shè)計(jì)效率。

C型液罐;有限元分析;應(yīng)力;液化氣船

0 引言

液化氣運(yùn)輸船(L P G)是將氣態(tài)碳?xì)浠衔镆夯笤谝欢囟群鸵欢▔簭?qiáng)下進(jìn)行運(yùn)輸?shù)?是一種新型高附加值的技術(shù)密集型船舶。按液化氣運(yùn)輸?shù)臓顟B(tài),液化氣運(yùn)輸船型主要有 3種:全壓式、全冷式和半冷半壓式。全冷式液化氣船對(duì)氣體運(yùn)輸過(guò)程中制冷要求較高,全壓式液化氣船的運(yùn)輸壓力高,給運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程帶來(lái)安全隱患。而半冷半壓式液化氣船氣體設(shè)計(jì)溫度在 106～-40℃之間,設(shè)計(jì)蒸汽壓力在0.294～0.784MPa之間,溫度與氣體壓力介于全冷式和全壓式之間,降低了對(duì)材料和運(yùn)輸過(guò)程的要求。另外,其采用的 C型獨(dú)立式液艙,大多為圓筒形,結(jié)構(gòu)上無(wú)需采用兩層壁。從目前正在營(yíng)運(yùn)的船舶來(lái)看,大艙容的液化氣船普遍為半冷半壓式或全冷式。

液化氣的理化性質(zhì)決定了對(duì)此類船舶液罐的結(jié)構(gòu)安全性要求較高,因此必須有符合強(qiáng)度要求的液罐來(lái)滿足運(yùn)輸需求和安全需要。液罐強(qiáng)度計(jì)算以往主要以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ),引入不同材料對(duì)應(yīng)的安全系數(shù),利用公式來(lái)計(jì)算校核液罐各部分的強(qiáng)度。然而實(shí)際應(yīng)力與理論公式計(jì)算值之間的差異或者造成了營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的安全隱患,或者對(duì)降低制造成本不利[1]?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展為上述研究工作提供了有利條件,其中有限元分析作為規(guī)范設(shè)計(jì)的一種補(bǔ)充手段,可通過(guò)分析揭示結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的不均勻性,及時(shí)發(fā)現(xiàn)船體高應(yīng)力部位,使設(shè)計(jì)過(guò)程中能根據(jù)船體的應(yīng)力分布狀態(tài)合理地分配材料,對(duì)高應(yīng)力部位及早采取措施,避免船體結(jié)構(gòu)在航行中產(chǎn)生損壞,有利于合理地進(jìn)行材料選擇和焊縫位置布置。此外,對(duì)容器的分析能真實(shí)地預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)變形,便于對(duì)容器有特殊要求的部位進(jìn)行控制。

1 結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,液化氣船液罐的結(jié)構(gòu)形式采用C型圓筒形液罐,主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1,圖中尺寸單位為 mm。液罐全長(zhǎng) 28m,橫剖面為雙聯(lián)圓筒形,圓筒半徑為 5m,中心距 6.9m,兩端均為球形封頭,中間設(shè)置一道縱隔壁,液罐體積約為3 170m3。

圖1 C型液罐尺寸

根據(jù)液罐的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn),由于結(jié)構(gòu)和載荷對(duì)稱于中心軸,液罐受力時(shí)殼的應(yīng)力與變形必然對(duì)稱于中心軸,因此對(duì)液罐的研究可以簡(jiǎn)化為取液罐的一半。又因?yàn)檎麄€(gè)液罐除了開(kāi)口區(qū)以外中心對(duì)稱,應(yīng)力的突變必然出現(xiàn)在開(kāi)口區(qū)處,因此,在不影響計(jì)算精度的前提下,為提高計(jì)算機(jī)效率,減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量,最終僅需取液罐(包括開(kāi)口區(qū))的 1/4作為簡(jiǎn)化模型進(jìn)行研究。

2 液罐受力分析

與其他僅承受徑向壓力的容器不同,液化石油氣液罐的受力主要有兩部分,一部分為承受水平方向三角形分布的靜水載荷作用,另一部分為由于液罐處于半冷半壓式狀態(tài),液體表面承受不大于0.8 MPa的蒸汽壓力,此部分壓力為徑向力。這兩部分載荷疊加在一起,共同作用在液罐罐體上。在有限元數(shù)值計(jì)算中,這兩部分力作為面力加載。同時(shí),在卡笛爾坐標(biāo)系下加載水平方向分布的靜水載荷,在柱坐標(biāo)系下加載徑向載荷,可方便實(shí)現(xiàn)不同方向載荷的加載。

3 液罐有限元分析

液罐工作環(huán)境為低溫,材料采用 15MnNiDR,最低沖擊試驗(yàn)溫度-45℃,其沖擊功 AKV≥27J,液罐材料的基本數(shù)據(jù)為:

在有限元軟件中將各參數(shù)輸入到材料性能模塊中。

3.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

有限元建模時(shí)可采用圓筒形簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析。采用自頂而下建模方法,先建立圓筒體,然后建立球體,并平移和旋轉(zhuǎn)工作坐標(biāo)系,進(jìn)行體間布爾運(yùn)算操作。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱型,為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間,取 1/4液罐建模,再采用三角形網(wǎng)格劃分方法劃分單元。所建模型如圖2所示。

圖2 模型及模型的網(wǎng)格劃分

3.2 約束及加載

根據(jù)實(shí)際情況,在結(jié)構(gòu)縱向剖面的對(duì)稱面加載X方向位移約束,結(jié)構(gòu)底部鞍座位置加載 Y方向位移約束,而在縱向?qū)ΨQ處加載 Z方向位移約束。

依照GB150-1998《鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)》,主要考慮靜載荷的作用,不計(jì)機(jī)械振動(dòng)及脈動(dòng)載荷所施加的影響,且不區(qū)分短期載荷和永久載荷。因此,模型所考慮的載荷為內(nèi)壓/外壓或最大壓差、液體靜壓力。此外,設(shè)計(jì)要求氣罐蒸汽壓力在0.5～0.7MPa之間,計(jì)算時(shí)取最大值,在一定液面高度情況下加載靜壓力。

其次,液罐在鞍座處受到集中力作用,由于液罐和鞍座結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立,強(qiáng)度計(jì)算互不影響,故分開(kāi)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核。

3.3 求解結(jié)果

考慮結(jié)構(gòu)尺度較大,運(yùn)算時(shí)采用大變形模式進(jìn)行計(jì)算,求解結(jié)果主要有變形分布云圖和應(yīng)力分布云圖。在卡笛爾坐標(biāo)系下,液罐各部位變形分布云圖如圖3所示。

圖3 液罐變形云圖

圖3看到,在鞍座位置,即下部為約束端情況下,液罐結(jié)構(gòu)變形最大為 20.68mm,發(fā)生的部位在液罐頂部中段位置,在頂部中段往球形方向,變形逐漸減小,但相對(duì)頂部以下的部位變形仍較大。

液罐內(nèi)部各方向的應(yīng)力也可從有限元分析結(jié)果中獲取,如圖4～6所示。圖4為X方向應(yīng)力分布云圖,可以看出,在 X方向上,液罐各部位的應(yīng)力分布較為平緩,在頂部和底部應(yīng)力分布大致相同,均較中部區(qū)域要大些。在 2個(gè)接管位置,如處于液罐頂部的大接管與液罐連接處,存在應(yīng)力集中現(xiàn)象較小接管要稍大些。

圖4 液罐模型X方向應(yīng)力分布云圖

Y方向上,液罐體中上部?jī)?nèi)側(cè)受到較大拉應(yīng)力,而在大接管位置存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,大接管與液罐內(nèi)側(cè)為最大壓應(yīng)力發(fā)生位置。除應(yīng)力集中部位外,在罐體上,中部所受 Y方向應(yīng)力為壓應(yīng)力,較頂部和底部所受壓應(yīng)力都要大,如圖5所示。

圖5 液罐模型Y方向應(yīng)力分布云圖

從理論上來(lái)說(shuō),Z方向應(yīng)力分布在罐體表面,有限元分析結(jié)果顯示也是如此,如圖6所示。

將頂部、中部和底部各取為應(yīng)力分析特征節(jié)點(diǎn),從有限元結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中可提取 到各特征節(jié)點(diǎn)各方向應(yīng)力值,將三個(gè)方向應(yīng)力值作比較,取最大應(yīng)力值 σ1作為主應(yīng)力,最小應(yīng)力值 σ3作為第三應(yīng)力,進(jìn)行結(jié)果應(yīng)力分析,由下面強(qiáng)度校核公式(1)校核該容器壁厚下的應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖6 液罐Z方向應(yīng)力分布云圖

此外,在開(kāi)孔部位,從各應(yīng)力分布云圖中可以看到,圓筒殼體上的開(kāi)孔存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,而減小孔的大小有助于減緩應(yīng)力集中,若必須要有開(kāi)孔,應(yīng)盡量采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

3.4 鞍座的設(shè)計(jì)

鞍座一方面與低溫罐體接觸,另一方面又與船體結(jié)構(gòu)和空氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)和對(duì)流,所以,根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱學(xué)原理確定其工作溫度,從而可確定鞍座材質(zhì)等級(jí)。通過(guò)靜力計(jì)算設(shè)計(jì)鞍座結(jié)構(gòu)形式和尺寸。在結(jié)構(gòu)形式上,2個(gè)鞍座與船體固接,而與液罐體連接一個(gè)為固定方式,另一側(cè)鞍座設(shè)計(jì)為活動(dòng)式,以適應(yīng)船體結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中各種狀態(tài)的變化。

3.5 自動(dòng)運(yùn)行程序的開(kāi)發(fā)思路

在軟件程序開(kāi)發(fā)中,可以用圓筒壁厚作為液罐主尺度參數(shù),提取結(jié)果數(shù)據(jù)中節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力。根據(jù)G B 150-1998確定的安全系數(shù)和選用材料的許用應(yīng)力,以作為控制程序出口,即需滿足式(1)。

式中:nS為安全系數(shù),由規(guī)范確定,由于是高強(qiáng)鋼,取 1.5;[σ]為材料許用應(yīng)力,MPa。

采用有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言,編制自動(dòng)程序文件,包括模型的建立、加載和運(yùn)算。其中模型參數(shù)如筒殼體外徑、長(zhǎng)度,開(kāi)孔直徑等均為常量,而殼厚為變量。自動(dòng)運(yùn)算可得到某個(gè)壁厚時(shí)應(yīng)力大小,并驗(yàn)算是否滿足式(1)要求。將殼厚在一定范圍內(nèi)變化,從而可得最優(yōu)化的液罐主尺度參數(shù),完成優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)。

[1]陳慶強(qiáng),朱勝昌,江南,等.22 000m3液化氣船整船和艙段三維有限元強(qiáng)度分析[J].船舶工程,2000,(2):13-16.

U674.13+3.3

A

2009-11-17

趙帥(1989-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué);陳章蘭(1970-),女,講師,研究方向?yàn)榇敖ㄔ炀瓤刂萍夹g(shù)。