日照温度对船体分段变形的影响研究

袁 刚，向祖权

（1. 湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430060；2. 武汉理工大学，武汉 430063）

日照温度对船体分段变形的影响研究

袁 刚1，向祖权2

（1. 湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430060；2. 武汉理工大学，武汉 430063）

结合船厂实际遇到的问题，以某船厂建造的57000DWT散货船的船体双层底分段为模型，使用ANSYS有限元分析软件对其在不同环境温度场下热应力引起的变形进行分析计算，得出其在X、Y、Z三个方向的变形量。这将有利于船厂对船体分段的精度进行控制。

船体分段；有限元分析；温度场热；变形分析

0 引言

船体分段结构暴露在自然环境中，由于太阳照射的影响，导致结构各个表面的温度存在一定的差异。温度差异的存在使结构产生了温度应力［1］。此时，结构又受到内、外约束的作用，导致结构产生局部变形，以及船体双层底分段结构整体产生上拱变形和分段结构长、宽尺寸的伸缩。因此，本文探讨了日照温度对船体双层底分段结构的变形到底有多大的影响，量化船体双层底分段结构的变形量与温度场之间的关系，给船体双层底分段结构的余量加放、余量切割和完工测量等提供参考性意见。

1 温度场的测定和建立计算模型

温度场的测定是2014年8月23日在武汉某船厂进行，测定的是船台搭载好的57000DWT散货船双层底分段，长11.9m，宽11.9m，高1.7m。双层底分段结构图如图1所示。双层底分段上、下表面钢板的温度随时间的变化值见表1（风速3级）。双层底分段上表面钢板的水平高度差见表2（垂直向上为正，分段堆放架在FR83和FR95肋位处）。钢材的热力学参数见表3，双层底分段结构的主要尺寸见表4和表5（表5是通过剖面模数相等转换而来）。双层底分段结构在14时刻时的温度场模型计算结果（图2），结构模型的三个方向变形量的计算结果如图3、图4和图5所示（假设分段在20℃室温下建造）。

图1 船体双层底分段结构图

表1 双层底分段的上、下表面钢板的温度

表2 双层底分段上表面钢板的水平高度差（mm）

表3 Q235钢材的热力学参数［2］

表4 双层底结构分段的主要尺寸

表5 球扁钢尺寸及对应的T型材尺寸［3］

图2 14时船体分段的温度场模型计算结果

图3 14时船体分段结构在温度场下X方向变形量的计算模型

在14到17时刻的双层底分段结构的计算结果见表6（X、Y＞0，表示在该方向伸长，Z＞0表示分段上拱），其变化曲线见图6。

图4 14时船体分段结构在温度场下Y方向变形量的计算模型

图5 14时船体分段结构在温度场下Z方向变形量的计算模型

表6 双层底分段X、Y、Z三个方向的变形量

图6 双层底分段X、Y、Z三个方向的变形量曲线

2 不同温度场下变形量的对比

2014年7月30日，武汉市当年夏季的最高气温出现在这天，当天的最高温度为38℃，最低为28℃，微风。由于现场环境比较恶劣，所有没有进行现场测量。这里采用李鸿猷的经验公式对高温下的钢板温度进行计算［4］。

式中，td·max为太阳辐射等效温度峰值，℃；tw为出现td·max值时刻相应的室外气温，℃；tw·p为一天室外气温的昼夜平均值，℃；θt·w为在太阳辐射等效温度峰值时的室外气温波动值，℃，其值按表7选取；Jmax为太阳辐射强度峰值，W/m2，依据纬度按表9选取；ε为结构的外表面对太阳辐射热的吸收系数，按表10选用；αw为结构外表面的热转移系数，W/m2·K，依据夏季室外风速按表11选用。

在计算钢板温度时，取θt·w=10，ε=0.7，αw=24.4。通过经验公式的计算，得到12时刻～17时刻时钢板上的温度，如表12所示。

表7 太阳辐射等效温度峰值时刻的室外气温波动值θt·w［5］

表8 地理环境参数表［5］

表9 北纬30°太阳总辐射强度Jmax（W/m2）［5］

表10 结构外表面对太阳辐射热的吸收系数ε［5］

表11 结构外表面热转移系数αw［5］

表12 2014年7月30日钢板随时间变化的温度

在此温度下，通过ANSYS对同样的分段进行有限元计算，得到其三个方向的变形量（见表13，其随时间变化的曲线见图7）。

表13 2014年7月30日船体分段结构在不同温度场下的变形量

图7 2014年7月30日船体分段结构在不同温度场下的变形量曲线

3 结论

将船体双层底分段结构的变形情况与《中国造船质量标准》里面相对应的双层底分段精度标准进行比较［6］。尺寸偏差如图14所示。

表14 平面分段装配尺寸偏差

虽然在2014年8月23日分段的测量值和在2014年7月30日的38℃高温下，X、Y、Z三个方向的变形量没有超过允许极限值，但是变形量的数值还比较大，影响分段在船台的搭载，需要现场对多余的余量进行切割和对分段上拱进行校正。分段长时间在高温环境下必然产生一定的塑性变形，对船台搭载的精度控制产生不利影响，所以建议将分段堆放在通风的地方，同时避免高温时段进行分段的搭载和余量切割。

［1］ 陈伯真， 胡毓仁. 船体温度分布及温度应力计算［J］.上海交通大学学报， 1995， 29（3）： 33-41.

［2］ 杨世铭， 陶文铨. 传热学［M］. 北京： 高等教育出版社，2006.

［3］ 孙承猛， 管官， 纪卓尚. 基于CSR有限元分析球扁钢等效方法研究［J］. 船舶， 2009（2）： 58-62.

［4］ 李鸿猷. 高层建筑结构日照影响的研究［J］. 工程力学，1990，7（3）： 65-81.

［5］ GB50019-2003. 采暖通风与空气调节设计规范［S］.中华人民共和国建设部， 北京： 中国计划出版社，2003.

［6］ CB/T4000-2005. 中国造船质量标准［S］. 国防科学技术工业委员会， 2005.

Research on Influence of Sunshine Temperature on Hull Section Deformation

Yuan Gang1， Xiang Zu-quan2
（1. Hubei Marine Engineering Equipment Research Institute Co.， Ltd. Wuhan 430060 China； 2. Wuhan University of Technology，Wuhan 430063， China）

Combining with the actual problem of the shipyard， taking the hull double bottom section of 57000 DWT bulk carrier built in the shipyard as the model， using ANSYS finite element analysis software，the paper analyzes and calculates the deformation caused by thermal stress under different temperature fields. The results of three directions deformation of X， Y and Z are gained. It helps the shipyard to control the accuracy of hull sections.

hull section； finite element analysis； temperature field； deformation analysis

U671.8

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.014

袁刚（1986—），男，助理工程师，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋工程。