液化氣船C型液罐有限元分析

趙 帥,陳章蘭

(集美大學輪機工程學院,福建 廈門 361021)

液化氣船C型液罐有限元分析

趙 帥,陳章蘭

(集美大學輪機工程學院,福建 廈門 361021)

液化氣船液罐設計的主要內容是確定液罐的結構形式和尺度。利用ANSYS有限元軟件,對 3 170m3的半冷半壓式液化氣船的雙聯C型圓筒液罐進行三維有限元分析。建立了液罐有限元三維結構模型,劃分網格和加載載荷后,在一定液罐殼厚度下進行有限元數值計算,得出了液罐各部位變形分布云圖和應力分布云圖,提高了液罐的設計效率。

C型液罐;有限元分析;應力;液化氣船

0 引言

液化氣運輸船(L P G)是將氣態碳氫化合物液化后在一定溫度和一定壓強下進行運輸的,是一種新型高附加值的技術密集型船舶。按液化氣運輸的狀態,液化氣運輸船型主要有 3種:全壓式、全冷式和半冷半壓式。全冷式液化氣船對氣體運輸過程中制冷要求較高,全壓式液化氣船的運輸壓力高,給運輸的過程帶來安全隱患。而半冷半壓式液化氣船氣體設計溫度在 106～-40℃之間,設計蒸汽壓力在0.294～0.784MPa之間,溫度與氣體壓力介于全冷式和全壓式之間,降低了對材料和運輸過程的要求。另外,其采用的 C型獨立式液艙,大多為圓筒形,結構上無需采用兩層壁。從目前正在營運的船舶來看,大艙容的液化氣船普遍為半冷半壓式或全冷式。

液化氣的理化性質決定了對此類船舶液罐的結構安全性要求較高,因此必須有符合強度要求的液罐來滿足運輸需求和安全需要。液罐強度計算以往主要以材料力學、板殼理論公式為基礎,引入不同材料對應的安全系數,利用公式來計算校核液罐各部分的強度。然而實際應力與理論公式計算值之間的差異或者造成了營運過程中的安全隱患,或者對降低制造成本不利[1]。現代計算機軟硬件的發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范設計的一種補充手段,可通過分析揭示結構應力分布的不均勻性,及時發現船體高應力部位,使設計過程中能根據船體的應力分布狀態合理地分配材料,對高應力部位及早采取措施,避免船體結構在航行中產生損壞,有利于合理地進行材料選擇和焊縫位置布置。此外,對容器的分析能真實地預報結構變形,便于對容器有特殊要求的部位進行控制。

1 結構模型

根據設計要求,液化氣船液罐的結構形式采用C型圓筒形液罐,主要參數及結構形式見圖1,圖中尺寸單位為 mm。液罐全長 28m,橫剖面為雙聯圓筒形,圓筒半徑為 5m,中心距 6.9m,兩端均為球形封頭,中間設置一道縱隔壁,液罐體積約為3 170m3。

圖1 C型液罐尺寸

根據液罐的結構和受力特點,由于結構和載荷對稱于中心軸,液罐受力時殼的應力與變形必然對稱于中心軸,因此對液罐的研究可以簡化為取液罐的一半。又因為整個液罐除了開口區以外中心對稱,應力的突變必然出現在開口區處,因此,在不影響計算精度的前提下,為提高計算機效率,減少節點數量,最終僅需取液罐(包括開口區)的 1/4作為簡化模型進行研究。

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,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。在有限元數值計算中,這兩部分力作為面力加載。同時,在卡笛爾坐標系下加載水平方向分布的靜水載荷,在柱坐標系下加載徑向載荷,可方便實現不同方向載荷的加載。

3 液罐有限元分析

液罐工作環境為低溫,材料采用 15MnNiDR,最低沖擊試驗溫度-45℃,其沖擊功 AKV≥27J,液罐材料的基本數據為:

在有限元軟件中將各參數輸入到材料性能模塊中。

3.1 幾何模型建立及網格劃分

有限元建模時可采用圓筒形簡化模型進行分析。采用自頂而下建模方法,先建立圓筒體,然后建立球體,并平移和旋轉工作坐標系,進行體間布爾運算操作。由于結構的對稱型,為減少計算機運算時間,取 1/4液罐建模,再采用三角形網格劃分方法劃分單元。所建模型如圖2所示。

圖2 模型及模型的網格劃分

3.2 約束及加載

根據實際情況,在結構縱向剖面的對稱面加載X方向位移約束,結構底部鞍座位置加載 Y方向位移約束,而在縱向對稱處加載 Z方向位移約束。

依照GB150-1998《鋼制壓力容器標準》,主要考慮靜載荷的作用,不計機械振動及脈動載荷所施加的影響,且不區分短期載荷和永久載荷。因此,模型所考慮的載荷為內壓/外壓或最大壓差、液體靜壓力。此外,設計要求氣罐蒸汽壓力在0.5～0.7MPa之間,計算時取最大值,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,由于液罐和鞍座結構相對獨立,強度計算互不影響,故分開進行強度計算和校核。

3.3 求解結果

考慮結構尺度較大,運算時采用大變形模式進行計算,求解結果主要有變形分布云圖和應力分布云圖。在卡笛爾坐標系下,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,液罐結構變形最大為 20.68mm,發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,但相對頂部以下的部位變形仍較大。

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

圖4 液罐模型X方向應力分布云圖

Y方向上,液罐體中上部內側受到較大拉應力,而在大接管位置存在嚴重的應力集中現象,大接管與液罐內側為最大壓應力發生位置。除應力集中部位外,在罐體上,中部所受 Y方向應力為壓應力,較頂部和底部所受壓應力都要大,如圖5所示。

圖5 液罐模型Y方向應力分布云圖

從理論上來說,Z方向應力分布在罐體表面,有限元分析結果顯示也是如此,如圖6所示。

將頂部、中部和底部各取為應力分析特征節點,從有限元結果數據庫中可提取 到各特征節點各方向應力值,將三個方向應力值作比較,取最大應力值 σ1作為主應力,最小應力值 σ3作為第三應力,進行結果應力分析,由下面強度校核公式(1)校核該容器壁厚下的應力是否滿足設計規范要求。

圖6 液罐Z方向應力分布云圖

此外,在開孔部位,從各應力分布云圖中可以看到,圓筒殼體上的開孔存在較嚴重的應力集中現象,而減小孔的大小有助于減緩應力集中,若必須要有開孔,應盡量采取補強措施。

3.4 鞍座的設計

鞍座一方面與低溫罐體接觸,另一方面又與船體結構和空氣進行熱傳導和對流,所以,根據穩態傳熱學原理確定其工作溫度,從而可確定鞍座材質等級。通過靜力計算設計鞍座結構形式和尺寸。在結構形式上,2個鞍座與船體固接,而與液罐體連接一個為固定方式,另一側鞍座設計為活動式,以適應船體結構在服役過程中各種狀態的變化。

3.5 自動運行程序的開發思路

在軟件程序開發中,可以用圓筒壁厚作為液罐主尺度參數,提取結果數據中節點最大應力。根據G B 150-1998確定的安全系數和選用材料的許用應力,以作為控制程序出口,即需滿足式(1)。

式中:nS為安全系數,由規范確定,由于是高強鋼,取 1.5;[σ]為材料許用應力,MPa。

采用有限元參數化設計語言,編制自動程序文件,包括模型的建立、加載和運算。其中模型參數如筒殼體外徑、長度,開孔直徑等均為常量,而殼厚為變量。自動運算可得到某個壁厚時應力大小,并驗算是否滿足式(1)要求。將殼厚在一定范圍內變化,從而可得最優化的液罐主尺度參數,完成優化設計任務。

[1]陳慶強,朱勝昌,江南,等.22 000m3液化氣船整船和艙段三維有限元強度分析[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,研究方向為船舶與海洋工程結構力學;陳章蘭(1970-),女,講師,研究方向為船舶建造精度控制技術。