瀝青船熱應力分析及總縱強度評估

王朋 王文慶

摘 要：本文以某瀝青船為研究對象，依據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021）的相關要求，對該船的總縱強度進行計算。計算工況選取滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載到港、半載出港和半載到港六種情況，運用大型有限元軟件MSC Patran/Nastran，對該船進行基于溫度場效應的總縱強度分析。計算結果表明，該瀝青船結構強度滿足規范要求。

關鍵詞：瀝青船;總縱強度;有限元計算

中圖分類號：U674.133.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0036-04

Thermal Stress Analysis and Longitudinal Strength Evaluation of Asphalt Ship

WANG Peng 1 WANG Wenqing2

（1. Jiangsu Xinyangzi Shipbuilding Co. LTD， Jiangsu Jinjiang 214533;2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212100）

Abstract： Taking a certain asphalt ship as the research object， this paper calculates the longitudinal strength of the ship according to the relevant requirements of China Classification Society's "Rules for Classification of Sea-going Steel Ships" （2021）. The calculation conditions select six situations， namely full load departure， full load arrival， ballast departure， ballast arrival， half-load departure and half-load arrival， and the large-scale finite element software MSC Patran/Nastran is used to analyze the longitudinal strength of the ship based on the temperature field effect. The calculation results show that the structural strength of the asphalt ship meets the requirements of the specification.

Keywords： asphalt ship;longitudinal strength;finite element calculation

基于國內大力發展交通基建事業的市場環境，我國對瀝青的需求量逐年增加。據統計，2006—2012年，國內瀝青市場的交易量從1 352萬t上升到2 126萬t，“十二五”期間，僅西部高速公路建設的瀝青使用量就接近800萬t。與此同時，國內瀝青工業產能明顯已經滿足不了國內市場需求，所以通過國際市場購買瀝青變成一個普遍的選擇。但進入“十三五”時期以后，由于國內石油工業的迅速發展和大量國際瀝青購買通道的形成，瀝青產業的產能明顯過剩，過剩趨勢不斷變大，國內瀝青生產企業在滿足本國瀝青市場需求的同時，需要出口過剩的產能。由于瀝青的進出口貿易屬于廉價大宗貨物運輸，海上運輸方式是最優選擇，因此專用于瀝青貨物運輸的瀝青船應運而生。

由于瀝青船是專門運輸高溫液態的散裝石油瀝青的特殊船舶，運載的貨物溫度通常控制在120～180 ℃，高溫會給船舶結構帶來明顯的附加溫度應力，甚至使局部結構產生破壞，從而危及船舶運營安全。因此，為保證瀝青船在航行過程中的安全性、可靠性和持久性，必須在瀝青船的結構設計中考慮溫度場效應。本文以一艘106 m長的整體式瀝青液貨船為研究對象，采用有限元軟件MSC Patran/Nastran，對該瀝青船在溫度場作用下的總縱強度進行計算，并根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021）進行校核[1]。

1 有限元模型

1.1 主尺度

該瀝青船采用整體隔熱模式，運用雙底、雙舷側和單層甲板這一典型的油船結構，主尺度參數如表1所示。

1.2 坐標系定義

本次計算取直角坐標系，坐標原點位于船體中心線#56處，[X]軸沿船長指向船首為正，[Y]軸沿船寬指向左舷為正，[Z]軸沿型深向上為正。

1.3 艙段有限元模型

本次計算根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021）液貨艙結構及其熱應力分析中分析模型的規定進行建模，溫度場分析模型包含模型范圍內所有參與作用的熱絕緣材料和結構。

1.3.1 模型范圍。按中國船級社《油船結構強度直接計算指南》（2003）的規定，取“l/2+1+l/2”的艙段有限元分析模型。艙段模型的縱向范圍從肋位Fr56到Fr96，建模符合模型長度要求，在#66、#86處設置橫向槽形艙壁，船中縱剖面處設置縱向槽形艙壁，采用全寬模型;縱向范圍為船體型深。

1.3.2 結構單元。單元類型和網格劃分等建模原則要求遵循中國船級社《油船結構強度直接計算指南》（2003）[2]。

1.3.3 絕緣單元。對于巖棉保溫隔熱層的絕緣單元類型，一般取實體（Solid）單元，厚度取絕緣層厚度（不包括不銹鋼內膽），其余建模原則與網格劃分類似，但在某些結構（絕緣）的復雜交匯處，比如，縱、橫艙壁與頂凳相交部位，可酌情簡化。

根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021）規定，模型的材料參數選取如下：碳鋼的熱傳導系數為60.6 W/（m·℃），用于傳熱分析（溫度分析）;碳鋼的線膨脹系數為11×10-6 ℃-1，用于熱應力分析（結構分析）;隔熱材料巖棉的熱傳導系數為0.05 W/（m·℃）[3]。艙段有限元模型和內部隔熱材料有限元模型分別如圖1和圖2所示。

1.4 邊界條件

根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021），在熱力學分析中，整體液貨艙模型所施加的邊界條件遵循《油船結構強度直接計算分析指南》（2003）的規定。根據《油船結構強度直接計算分析指南》（2003）關于邊界條件的要求，在Fr56剖面（A剖面）和Fr96剖面（B剖面）中和軸處分別建立剛性點A、B，在剛性點上施加相應約束。艙段模型邊界條件如表2所示。

2 載荷施加

根據《油船結構強度直接計算分析指南》（2003）關于船舶設計載荷的要求，載荷包括舷外水壓力和貨物壓力，還需要在模型邊界處施加靜水彎矩和波浪彎矩，故將該工況下的船舶端面彎矩作為總縱強度直接計算的彎矩載荷施加于模型兩端剛性點A、B上。此外，由于石油瀝青船運送的瀝青處于恒定高溫狀態，計算熱應力時還需要將溫度場施加到艙段模型上[4]。

2.1 計算工況

根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021），裝載工況按相應規定選用，如圖3所示。本計算選取的工況有滿載出港、滿載到港、半載出港、半載到港、壓載出港及壓載到港，共計六種。

2.2 端面彎矩

本研究根據型線圖、穩性計算書以及靜水力計算書等相關資料，利用Maxsurf軟件和Hydromax軟件對該瀝青船的靜水彎矩和靜水剪力進行計算。同時，根據《鋼質內河船舶建造規范》（2021），對船中剖面波浪彎矩進行計算。結合靜水彎矩和波浪彎矩，可得該瀝青船艙段有限元模型端面的彎矩總和，如表3所示。以滿載工況為例，彎矩加載如圖4所示。

2.3 舷外水壓力

根據《油船結構強度直接計算分析指南》（2003），下面對舷外水壓力進行計算，并在有限元模型上進行加載，以滿載工況為例，如圖5所示。

2.4 貨物壓力

根據《油船結構強度直接計算分析指南》（2003），下面對貨物壓力進行計算，并在有限元模型上進行加載，以滿載工況為例，如圖6所示。

2.5 溫度場分析

溫度場計算中，由于壓載工況下不裝載貨物，即不存在閃點超過80 ℃的溫度場，因此無須考慮溫度場對其的影響。此外，同一貨物裝載情況下的出港與到港工況只存在微小的吃水區別，在實際有限元分析過程中可以忽略其影響[5]。綜上所述，溫度場計算選取滿載和半載工況。根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021）傳熱分析的邊界條件，對艙段有限元模型進行溫度加載，溫度場的分析結果如表4所示。以滿載為例，艙段整體溫度場云圖如圖7所示。

3 計算結果

3.1 許用應力

根據《鋼質海船入級規范》（2021）的結構強度直接計算補充規定，本船各構件許用應力如表5所示。本船采用低碳鋼，其材料換算系數[M]為1.0。

3.2 應力結果匯總

通過對六種計算工況的計算，得到該瀝青船艙段結構的組合應力和剪切應力結果，以滿載出港工況為例，如表6所示[5]。由應力計算結果可知，瀝青船結構最大組合應力和剪切應力均未超過許用應力。經過有限元數值模擬計算，該100 m瀝青船總縱強度滿足規范要求。

3.3 總縱強度直接計算結果

由于A端1/2艙和B端1/2艙僅作為邊界，因此該瀝青船艙段有限元模型的應力云圖僅顯示中間1艙結果，如圖8和圖9所示（以滿載出港工況為例）。

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4 結語

本文以106 m瀝青船為研究對象，采用大型有限元軟件MSC Patran/Nastran對主要艙段的總縱強度進行分析，選取滿載出港、滿載到港、半載出港、半載到港、壓載出港及壓載到港六種工況，考慮了溫度場效應，對其結構進行載荷施加。其間，依據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2021）和《油船結構強度直接計算分析指南》（2003）的相關要求，對本船的總縱強度進行有限元方法直接計算。該106 m瀝青船總縱強度滿足《鋼質海船入級規范》（2021）要求。本文所研究的106 m瀝青船已經在船廠投入實際使用，安全性能滿足要求。對于瀝青船而言，由于其承受極端溫度載荷，溫度應力是其組合應力的主要成分，設計時需要重點考慮。

參考文獻：

[1]中國船級社.鋼制海船入級規范（2021）[S].北京：中國標準出版社，2021.

[2]中國船級社.油船結構強度直接計算分析指南（2003）[S].北京：中國標準出版社，2003.

[3]魏斌.3 200 t瀝青船基于溫度場的有限元計算[J].廣州航海學院學報，2019（2）：33-37.

[4]尹輝，古國忠，陳煒鑫，等.3 500 t級瀝青船溫度場分析與組合應力計算[J].船舶標準化工程師，2018（6）：25-29.

[5]陳第一，王偉，謝永和，等.計及溫度載荷的瀝青船結構強度有限元計算分析[J].船舶與海洋工程，2017（6）：7-12.