日照溫度對船體分段變形的影響研究

袁 剛，向祖權(quán)

（1. 湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430060；2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430063）

日照溫度對船體分段變形的影響研究

袁 剛1，向祖權(quán)2

（1. 湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430060；2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430063）

結(jié)合船廠實際遇到的問題，以某船廠建造的57000DWT散貨船的船體雙層底分段為模型，使用ANSYS有限元分析軟件對其在不同環(huán)境溫度場下熱應(yīng)力引起的變形進行分析計算，得出其在X、Y、Z三個方向的變形量。這將有利于船廠對船體分段的精度進行控制。

船體分段；有限元分析；溫度場熱；變形分析

0 引言

船體分段結(jié)構(gòu)暴露在自然環(huán)境中，由于太陽照射的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各個表面的溫度存在一定的差異。溫度差異的存在使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了溫度應(yīng)力［1］。此時，結(jié)構(gòu)又受到內(nèi)、外約束的作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部變形，以及船體雙層底分段結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生上拱變形和分段結(jié)構(gòu)長、寬尺寸的伸縮。因此，本文探討了日照溫度對船體雙層底分段結(jié)構(gòu)的變形到底有多大的影響，量化船體雙層底分段結(jié)構(gòu)的變形量與溫度場之間的關(guān)系，給船體雙層底分段結(jié)構(gòu)的余量加放、余量切割和完工測量等提供參考性意見。

1 溫度場的測定和建立計算模型

溫度場的測定是2014年8月23日在武漢某船廠進行，測定的是船臺搭載好的57000DWT散貨船雙層底分段，長11.9m，寬11.9m，高1.7m。雙層底分段結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。雙層底分段上、下表面鋼板的溫度隨時間的變化值見表1（風(fēng)速3級）。雙層底分段上表面鋼板的水平高度差見表2（垂直向上為正，分段堆放架在FR83和FR95肋位處）。鋼材的熱力學(xué)參數(shù)見表3，雙層底分段結(jié)構(gòu)的主要尺寸見表4和表5（表5是通過剖面模數(shù)相等轉(zhuǎn)換而來）。雙層底分段結(jié)構(gòu)在14時刻時的溫度場模型計算結(jié)果（圖2），結(jié)構(gòu)模型的三個方向變形量的計算結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示（假設(shè)分段在20℃室溫下建造）。

圖1 船體雙層底分段結(jié)構(gòu)圖

表1 雙層底分段的上、下表面鋼板的溫度

表2 雙層底分段上表面鋼板的水平高度差（mm）

表3 Q235鋼材的熱力學(xué)參數(shù)［2］

表4 雙層底結(jié)構(gòu)分段的主要尺寸

表5 球扁鋼尺寸及對應(yīng)的T型材尺寸［3］

圖2 14時船體分段的溫度場模型計算結(jié)果

圖3 14時船體分段結(jié)構(gòu)在溫度場下X方向變形量的計算模型

在14到17時刻的雙層底分段結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果見表6（X、Y＞0，表示在該方向伸長，Z＞0表示分段上拱），其變化曲線見圖6。

圖4 14時船體分段結(jié)構(gòu)在溫度場下Y方向變形量的計算模型

圖5 14時船體分段結(jié)構(gòu)在溫度場下Z方向變形量的計算模型

表6 雙層底分段X、Y、Z三個方向的變形量

圖6 雙層底分段X、Y、Z三個方向的變形量曲線

2 不同溫度場下變形量的對比

2014年7月30日，武漢市當(dāng)年夏季的最高氣溫出現(xiàn)在這天，當(dāng)天的最高溫度為38℃，最低為28℃，微風(fēng)。由于現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，所有沒有進行現(xiàn)場測量。這里采用李鴻猷的經(jīng)驗公式對高溫下的鋼板溫度進行計算［4］。

式中，td·max為太陽輻射等效溫度峰值，℃；tw為出現(xiàn)td·max值時刻相應(yīng)的室外氣溫，℃；tw·p為一天室外氣溫的晝夜平均值，℃；θt·w為在太陽輻射等效溫度峰值時的室外氣溫波動值，℃，其值按表7選??；Jmax為太陽輻射強度峰值，W/m2，依據(jù)緯度按表9選取；ε為結(jié)構(gòu)的外表面對太陽輻射熱的吸收系數(shù)，按表10選用；αw為結(jié)構(gòu)外表面的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)，W/m2·K，依據(jù)夏季室外風(fēng)速按表11選用。

在計算鋼板溫度時，取θt·w=10，ε=0.7，αw=24.4。通過經(jīng)驗公式的計算，得到12時刻～17時刻時鋼板上的溫度，如表12所示。

表7 太陽輻射等效溫度峰值時刻的室外氣溫波動值θt·w［5］

表8 地理環(huán)境參數(shù)表［5］

表9 北緯30°太陽總輻射強度Jmax（W/m2）［5］

表10 結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射熱的吸收系數(shù)ε［5］

表11 結(jié)構(gòu)外表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù)αw［5］

表12 2014年7月30日鋼板隨時間變化的溫度

在此溫度下，通過ANSYS對同樣的分段進行有限元計算，得到其三個方向的變形量（見表13，其隨時間變化的曲線見圖7）。

表13 2014年7月30日船體分段結(jié)構(gòu)在不同溫度場下的變形量

圖7 2014年7月30日船體分段結(jié)構(gòu)在不同溫度場下的變形量曲線

3 結(jié)論

將船體雙層底分段結(jié)構(gòu)的變形情況與《中國造船質(zhì)量標準》里面相對應(yīng)的雙層底分段精度標準進行比較［6］。尺寸偏差如圖14所示。

表14 平面分段裝配尺寸偏差

雖然在2014年8月23日分段的測量值和在2014年7月30日的38℃高溫下，X、Y、Z三個方向的變形量沒有超過允許極限值，但是變形量的數(shù)值還比較大，影響分段在船臺的搭載，需要現(xiàn)場對多余的余量進行切割和對分段上拱進行校正。分段長時間在高溫環(huán)境下必然產(chǎn)生一定的塑性變形，對船臺搭載的精度控制產(chǎn)生不利影響，所以建議將分段堆放在通風(fēng)的地方，同時避免高溫時段進行分段的搭載和余量切割。

［1］ 陳伯真， 胡毓仁. 船體溫度分布及溫度應(yīng)力計算［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報， 1995， 29（3）： 33-41.

［2］ 楊世銘， 陶文銓. 傳熱學(xué)［M］. 北京： 高等教育出版社，2006.

［3］ 孫承猛， 管官， 紀卓尚. 基于CSR有限元分析球扁鋼等效方法研究［J］. 船舶， 2009（2）： 58-62.

［4］ 李鴻猷. 高層建筑結(jié)構(gòu)日照影響的研究［J］. 工程力學(xué)，1990，7（3）： 65-81.

［5］ GB50019-2003. 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范［S］.中華人民共和國建設(shè)部， 北京： 中國計劃出版社，2003.

［6］ CB/T4000-2005. 中國造船質(zhì)量標準［S］. 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會， 2005.

Research on Influence of Sunshine Temperature on Hull Section Deformation

Yuan Gang1， Xiang Zu-quan2
（1. Hubei Marine Engineering Equipment Research Institute Co.， Ltd. Wuhan 430060 China； 2. Wuhan University of Technology，Wuhan 430063， China）

Combining with the actual problem of the shipyard， taking the hull double bottom section of 57000 DWT bulk carrier built in the shipyard as the model， using ANSYS finite element analysis software，the paper analyzes and calculates the deformation caused by thermal stress under different temperature fields. The results of three directions deformation of X， Y and Z are gained. It helps the shipyard to control the accuracy of hull sections.

hull section； finite element analysis； temperature field； deformation analysis

U671.8

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.014

袁剛（1986—），男，助理工程師，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋工程。