溫度載荷對化學品船貨艙結構應力的影響分析

(中國船級社 廣州分社，廣州 510235 )

由于化學品的運輸要求將貨物溫度維持在一定的范圍內，因此，溫度場計算以及熱應力影響成為化學品船船舶結構設計人員必須面對的問題。任何物體在溫度變化時均會產生熱脹冷縮，船體結構也不例外，然而由于溫度場的不均勻性以及結構物內部各構件之間的相互制約，使得船舶各構件的熱脹冷縮不能自由地進行，因而就產生了溫度應力即熱應力。溫度場和熱應力分析在其它行業已經得到了廣泛的應用，目前ANSYS，Patran/Nastran，ABAQUS等有限元結構通用程序均已發展了成熟的溫度場和熱應力分析模塊，借助這些工具可以對受溫度載荷影響的船舶結構應力進行定量分析，找出規律和關鍵影響區域，便于結構設計和優化。本文針對一艘大型化學品船的貨艙結構，在不同溫度條件下進行溫度場分布及熱應力計算，通過比較分析，試圖找出溫度變化對結構應力的影響規律[1-3]。

1 計算模型

以一艘載重約20 000 t的化學品船為例，該船為雙殼雙底單甲板結構，設縱橫槽型艙壁，甲板骨材布置在甲板面之上。根據文獻[4]的結論，1/2+1+1/2艙段模型已經足夠精確地反映貨艙溫度分布。所以模型縱向范圍取1/2個貨艙+1個貨艙+1/2貨艙，橫向范圍包括整個船寬，垂向范圍為基線至主甲板。計算中采用右手坐標系，x軸向船艏為正，y軸向左舷為正，z軸向上為正。邊界條件依據CCS《油船結構強度直接計算指南》(2003)的規定，在前后端面中和軸與中縱剖面相交處建立一個獨立點，端面各縱向構件節點自由度δx,δy,δz,θy,θz與獨立點相關。模型后端面的獨立節點約束δx=δy=δz=θx=θz=0,施加端面彎矩；模型前端面的獨立點上約束δy=δz=θx=θz=0，施加端面彎矩。計算模型見圖1。

圖1 計算模型

2 計算參數及假定

根據CCS《鋼質海船入級規范》(2012)和《散裝運輸危險化學品船舶構造與設備規范》(2009)的規定，船體結構熱應力分析中取海水溫度為0 ℃，空氣溫度為5 ℃。碳鋼的熱傳導系數為60.6W/(m·℃)，線膨脹系數11×10-6(1/℃)，空氣的對流換熱系數11.6 W/(m·℃)。由于貨物運輸時溫度維持在某一設定范圍內，因此溫度場計算采用3維穩態溫度場分析。本船的熱應力計算基于“場序熱-結構耦合(sequentially coupled problem)”假定，即計及溫度場變化對結構機械場的影響，但不考慮后者變化對前者的影響。計算中僅考慮船體各構件之間以熱傳導的方式進行傳熱，不考慮空氣的熱傳導，空氣僅以自然對流的方式與所接觸的船體構件進行對流換熱。不考慮結構的熱輻射。也不考慮溫度變化對鋼材屈服強度的影響，熱應力分析仍然采用線性靜力分析。

3 計算結果

熱應力計算一般分兩步進行：第一步計算溫度場分布；第二步以溫度場作為輸入條件，計算結構溫度應力。另外由于本文著重考察的是不同溫度載荷對結構應力的影響，因此只選取滿載工況進行分析，其它工況不予考慮。文中考慮常溫(不計溫度載荷)及65 ℃及80 ℃等3種溫度工況，圖2和圖3是80 ℃下典型橫向構件和典型縱向構件溫度場分布圖。其它溫度條件下由于溫度分布規律一致，只是最高溫度不同，所以不再羅列。模型計算結果見表1、2。

圖2 典型縱向構件溫度分布示意

圖3 典型橫向構件溫度分布示意

表1 各溫度下船體構件的相當應力值以及艙段中垂變形量

溫度/℃相當應力/MPa船底板船底縱桁甲板板實肋板舷側強框架內殼板橫艙壁板縱艙壁板舷側板中垂變形量/mm常溫10512413554.593.611344.956.0111-23.865176149172105.0191.017966.071.6170-18.980195159182124.0237.019881.576.1188-18.1

表2 各溫度下船體構件單向應力值

4 分析及結論

上述數據是通過對一艘大型化學品實船在不同溫度載荷下進行熱應力計算之后得到的結果，在對整體溫度分布及應力數據進行分析后有一些結論值得在需要考慮溫度載荷的船舶結構設計期間參考。

1)整個貨艙溫度從貨艙內殼到外板之間均勻衰減，但在開口處會有溫度集中現象出現，這是由于開口處傳熱面積減小所導致。再加上開口處本身就存在應力集中，所以設計時應該注意在開口位置設置必要的屈服和屈曲加強筋。

2)隨著溫度的升高應力呈加速上升的趨勢。

3)不考慮溫度載荷時，橫艙壁最大應力點出現在艙壁上端或下端，考慮溫度載荷后橫艙壁應力最大點出現在底邊斜艙與內殼交點處。設計時應該充分注意橫艙壁下角點的應力變化情況，適當增加該區域的板厚，以免該區域應力超限。

4)對于船底板和甲板板而言，隨著溫度的升高，橫向應力的增加比縱向應力增加更加顯著。

5)對于舷側外板而言，未考慮溫度載荷之前，舷側外板的應力分布呈現出典型的船體梁應力特征，上下部分應力高，而中和軸附近的應力小；隨著溫度的升高，中和軸附近的應力會迅速增加，這主要是由于z向應力增加所致。因此，舷側外板中和軸附近的外板厚度應有所增加，以適應溫度載荷導致的應力變化。

6)隨著溫度載荷的增加，雙層底縱桁以及實肋板的垂向應力增加較快，屈曲強度應成為校核重點，尤其是縱桁，設置屈曲加強筋是必要的。

7)貨物溫度在80℃時，相對于常溫狀態表列各船體構件的相當應力平均上升了76.5%，可見溫度載荷對于貨艙應力的影響很大。

從上述分析可以看出，溫度載荷對貨艙區域的結構應力影響十分顯著，尤其是雙殼間結構開口位置，橫艙壁的下角點位置，中和軸附近的外板以及雙層底縱桁是受溫度載荷影響較大的區域，在設計時應該予以重點核算，以避免結構缺陷產生。

[1] 中國船級社.油船結構強度直接計算指南[S].北京：人民交通出版社,2003.

[2] 張少雄,楊永謙.油船強度研究[J].武漢交通科技大學學報,2000,24(1):29-34.

[3] 杜忠仁.船體縱向構件的熱應力計算與比較衡準[J].中國造船,1991(2):56-65.

[4] 騰曉青,顧永寧.單殼雙底貨船艙段結構瞬態溫度場和熱應力[J].船舶力學,2003,7(2):51-60.