淺談液貨船熱應(yīng)力計算分析

趙英策 董煉洪

摘 要：散裝運輸液化氣體船以及在大氣壓力下載運液貨溫度大于80℃的散裝運輸危險化學(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)力的過度集中將對船舶鋼性產(chǎn)生極度不利影響，故在船舶設(shè)計過程中即應(yīng)對液貨艙結(jié)構(gòu)溫度場及其熱應(yīng)力進行分析。本文基于MSC.PATRAN&NASTRAN平臺，針對液貨船熱應(yīng)力計算過程中需注意的相關(guān)事項及作業(yè)流程進行一些簡單的個人探討。

關(guān)鍵詞：液貨船;熱應(yīng)力;建模;分析;

中圖分類號：U662.2 ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：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)的溫度場與時間無關(guān)）和空氣對流換熱的溫度計算及熱膨脹的熱力計算。以下先簡單介紹這些基本概念：

熱應(yīng)力是指溫度改變時，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)上的一個物理現(xiàn)象，實指由于溫度差引起的熱能傳遞現(xiàn)象。在熱傳遞過程中內(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)、熱對流、熱輻射。

當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度差時，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熱量會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，熱的傳遞過程往往和對流同時發(fā)生。傅立葉定律是熱傳導(dǎo)學(xué)中的一個基本定律，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、壓強以及聚集狀態(tài)等多種因素有關(guān)。一般來說，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。

對流是指溫度不同的各部分流體之間發(fā)生相對運動引起的熱量傳遞方式。高溫物體表面常發(fā)生對流現(xiàn)象，即高溫表面空氣受熱膨脹密度降低并向上流動，而密度較大的冷空氣下降代替原來受熱空氣，形成對流熱交換。對流換熱的基本公式是牛頓冷卻公式。并引入空氣對流換熱系數(shù)，它代表對流傳熱能力，影響對流傳熱系數(shù)的主要因素有：引起流動的原因、流動狀況、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度所引起的長度變化與它在0度時的長度之比。

2 液貨艙結(jié)構(gòu)溫度場及其熱應(yīng)力分析

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

2.1液貨艙溫度應(yīng)力計算

對于液貨艙溫度應(yīng)力計算應(yīng)包含兩個分析流程：

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

規(guī)范規(guī)定中的傳熱計算基于三維空間定常穩(wěn)態(tài)傳熱假定，即系統(tǒng)的溫度場與時間無關(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)計算中僅考慮結(jié)構(gòu)和絕緣的傳導(dǎo)作用。同時還規(guī)定熱力學(xué)計算基于“場序熱—結(jié)構(gòu)耦合（sequentially coupled problem）”假定， 即計及溫度場變化對結(jié)構(gòu)機械場產(chǎn)生的影響，但不考慮后者變化對前者的影響。另外，計算中不考慮結(jié)構(gòu)的高溫蠕變效應(yīng)。在計算中，假定船體各個構(gòu)件之間以傳導(dǎo)方式進行熱傳遞，空氣僅以自然對流方式與所接觸的船體構(gòu)件進行對流換熱。一般熱傳導(dǎo)計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分布值作為熱力學(xué)計算的溫度載荷，計算出溫度場中任一結(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，通過改變分析的類型，再進一步完成結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力應(yīng)變分析。

2.2基于MSC.PATRAN&NASTRAN平臺完成液貨船熱應(yīng)力的計算

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 個貨艙+1 個貨艙+1/2 個貨艙長度。必要時（溫度梯度較大），應(yīng)考慮對最前一個液貨艙的前端區(qū)域和最后一個液貨艙的后端區(qū)域進行建模分析。對獨立液貨艙，至少應(yīng)取整個液貨艙結(jié)構(gòu)。對于熱傳導(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。一般來講，船體的外板結(jié)構(gòu)、強框架、縱桁、艙壁，等采用4節(jié)點板殼單元模擬，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。對于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強材，肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強筋可采用梁單元模擬。船底縱桁和肋板在垂直方向布置應(yīng)不少于3個單元。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。對于巖棉保溫隔熱層的決議單元類型一般去實體單元，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喕?。完成建模工作后需要定義材料和對構(gòu)件賦予屬性，此時應(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，因為在Thermal模式下不能創(chuàng)建具有剖面特性的偏心梁單元。

第二步熱分析。轉(zhuǎn)入Thermal模式進行熱分析，定義材料的熱參數(shù)，修改單元屬性，其中梁單元還要輸入剪切面積。因此在Structural模式下創(chuàng)建梁單元起名字的時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)力計算（結(jié)構(gòu)分析）

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

完成材料屬性的調(diào)整后，就可以對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)境可能達到的最低溫度，如 -20℃等 ;

（2）對于計算最大溫度應(yīng)力的傳熱分析，應(yīng)按液貨溫度與營運航線上外界環(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時所能達到的最高穩(wěn)定溫度;

（4）對于雙層底和雙舷側(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流傳熱設(shè)定（假定空氣的熱傳導(dǎo)非常?。部蓪⒃摽臻g劃為空氣單元的三維有限元模型，且一并計入傳熱有限元模型。但通常在熱傳導(dǎo)計算中，不考慮空氣的熱傳導(dǎo)作用。若對液貨艙周界的最高溫度指標(biāo)有特殊要求時，按要求指定的表面溫度進行定義。

在《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（CCS 2018）及其修改通報第二篇第二章中規(guī)定了熱應(yīng)力計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，即可求解計算各計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)分析過程中隔熱層不參與強度分析，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)船級社同意，在計算模型兩端可不施加船體梁總縱彎矩。

接下來的步驟就是常規(guī)的油船艙段分析，只是附加溫度載荷罷了。

根據(jù)筆者以往的計算經(jīng)驗，對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，同時對于控制溫度應(yīng)力也有不小的貢獻。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，不但會對液艙的保溫效果大打折扣，同時還會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，會使內(nèi)膽損毀的概率極大增加。

參考文獻：

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2018[S]. 北京：人民交通出版社，2018.

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

[3] 中國船級社.散裝運輸危險液體化學(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.