温度载荷对化学品船货舱结构应力的影响分析

(中国船级社 广州分社，广州 510235 )

由于化学品的运输要求将货物温度维持在一定的范围内，因此，温度场计算以及热应力影响成为化学品船船舶结构设计人员必须面对的问题。任何物体在温度变化时均会产生热胀冷缩，船体结构也不例外，然而由于温度场的不均匀性以及结构物内部各构件之间的相互制约，使得船舶各构件的热胀冷缩不能自由地进行，因而就产生了温度应力即热应力。温度场和热应力分析在其它行业已经得到了广泛的应用，目前ANSYS，Patran/Nastran，ABAQUS等有限元结构通用程序均已发展了成熟的温度场和热应力分析模块，借助这些工具可以对受温度载荷影响的船舶结构应力进行定量分析，找出规律和关键影响区域，便于结构设计和优化。本文针对一艘大型化学品船的货舱结构，在不同温度条件下进行温度场分布及热应力计算，通过比较分析，试图找出温度变化对结构应力的影响规律[1-3]。

1 计算模型

以一艘载重约20 000 t的化学品船为例，该船为双壳双底单甲板结构，设纵横槽型舱壁，甲板骨材布置在甲板面之上。根据文献[4]的结论，1/2+1+1/2舱段模型已经足够精确地反映货舱温度分布。所以模型纵向范围取1/2个货舱+1个货舱+1/2货舱，横向范围包括整个船宽，垂向范围为基线至主甲板。计算中采用右手坐标系，x轴向船艏为正，y轴向左舷为正，z轴向上为正。边界条件依据CCS《油船结构强度直接计算指南》(2003)的规定，在前后端面中和轴与中纵剖面相交处建立一个独立点，端面各纵向构件节点自由度δx,δy,δz,θy,θz与独立点相关。模型后端面的独立节点约束δx=δy=δz=θx=θz=0,施加端面弯矩；模型前端面的独立点上约束δy=δz=θx=θz=0，施加端面弯矩。计算模型见图1。

图1 计算模型

2 计算参数及假定

根据CCS《钢质海船入级规范》(2012)和《散装运输危险化学品船舶构造与设备规范》(2009)的规定，船体结构热应力分析中取海水温度为0 ℃，空气温度为5 ℃。碳钢的热传导系数为60.6W/(m·℃)，线膨胀系数11×10-6(1/℃)，空气的对流换热系数11.6 W/(m·℃)。由于货物运输时温度维持在某一设定范围内，因此温度场计算采用3维稳态温度场分析。本船的热应力计算基于“场序热-结构耦合(sequentially coupled problem)”假定，即计及温度场变化对结构机械场的影响，但不考虑后者变化对前者的影响。计算中仅考虑船体各构件之间以热传导的方式进行传热，不考虑空气的热传导，空气仅以自然对流的方式与所接触的船体构件进行对流换热。不考虑结构的热辐射。也不考虑温度变化对钢材屈服强度的影响，热应力分析仍然采用线性静力分析。

3 计算结果

热应力计算一般分两步进行：第一步计算温度场分布；第二步以温度场作为输入条件，计算结构温度应力。另外由于本文着重考察的是不同温度载荷对结构应力的影响，因此只选取满载工况进行分析，其它工况不予考虑。文中考虑常温(不计温度载荷)及65 ℃及80 ℃等3种温度工况，图2和图3是80 ℃下典型横向构件和典型纵向构件温度场分布图。其它温度条件下由于温度分布规律一致，只是最高温度不同，所以不再罗列。模型计算结果见表1、2。

图2 典型纵向构件温度分布示意

图3 典型横向构件温度分布示意

表1 各温度下船体构件的相当应力值以及舱段中垂变形量

温度/℃相当应力/MPa船底板船底纵桁甲板板实肋板舷侧强框架内壳板横舱壁板纵舱壁板舷侧板中垂变形量/mm常温10512413554.593.611344.956.0111-23.865176149172105.0191.017966.071.6170-18.980195159182124.0237.019881.576.1188-18.1

表2 各温度下船体构件单向应力值

4 分析及结论

上述数据是通过对一艘大型化学品实船在不同温度载荷下进行热应力计算之后得到的结果，在对整体温度分布及应力数据进行分析后有一些结论值得在需要考虑温度载荷的船舶结构设计期间参考。

1)整个货舱温度从货舱内壳到外板之间均匀衰减，但在开口处会有温度集中现象出现，这是由于开口处传热面积减小所导致。再加上开口处本身就存在应力集中，所以设计时应该注意在开口位置设置必要的屈服和屈曲加强筋。

2)随着温度的升高应力呈加速上升的趋势。

3)不考虑温度载荷时，横舱壁最大应力点出现在舱壁上端或下端，考虑温度载荷后横舱壁应力最大点出现在底边斜舱与内壳交点处。设计时应该充分注意横舱壁下角点的应力变化情况，适当增加该区域的板厚，以免该区域应力超限。

4)对于船底板和甲板板而言，随着温度的升高，横向应力的增加比纵向应力增加更加显著。

5)对于舷侧外板而言，未考虑温度载荷之前，舷侧外板的应力分布呈现出典型的船体梁应力特征，上下部分应力高，而中和轴附近的应力小；随着温度的升高，中和轴附近的应力会迅速增加，这主要是由于z向应力增加所致。因此，舷侧外板中和轴附近的外板厚度应有所增加，以适应温度载荷导致的应力变化。

6)随着温度载荷的增加，双层底纵桁以及实肋板的垂向应力增加较快，屈曲强度应成为校核重点，尤其是纵桁，设置屈曲加强筋是必要的。

7)货物温度在80℃时，相对于常温状态表列各船体构件的相当应力平均上升了76.5%，可见温度载荷对于货舱应力的影响很大。

从上述分析可以看出，温度载荷对货舱区域的结构应力影响十分显著，尤其是双壳间结构开口位置，横舱壁的下角点位置，中和轴附近的外板以及双层底纵桁是受温度载荷影响较大的区域，在设计时应该予以重点核算，以避免结构缺陷产生。

[1] 中国船级社.油船结构强度直接计算指南[S].北京：人民交通出版社,2003.

[2] 张少雄,杨永谦.油船强度研究[J].武汉交通科技大学学报,2000,24(1):29-34.

[3] 杜忠仁.船体纵向构件的热应力计算与比较衡准[J].中国造船,1991(2):56-65.

[4] 腾晓青,顾永宁.单壳双底货船舱段结构瞬态温度场和热应力[J].船舶力学,2003,7(2):51-60.