计及温度载荷的沥青船结构强度有限元计算分析

陈第一，王 伟，谢永和，鲁 昕

（浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022）

计及温度载荷的沥青船结构强度有限元计算分析

陈第一，王 伟，谢永和，鲁 昕

（浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022）

沥青船在运载高温沥青时，过高的温度会对其船体结构产生不可忽略的影响。以6600DWT沥青船为例，运用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元软件，对其在计及温度载荷时的结构强度进行有限元计算研究。分析温度场载荷对沥青船结构强度的影响，对不满足强度要求的结构提出合理的加强方案。

沥青船；温度载荷；有限元；结构强度

0 引 言

随着我国的现代化建设逐步加快，石油沥青的需求量不断增大，沥青船在沥青运输中的作用日益凸显[1]。沥青船是专门用来运输高温、散装的液态石油沥青的船舶，所运载货物的温度通常控制在120～180℃[2-3]。

沥青船的液货舱分为独立式和整体式2种。虽然采用整体式液货舱的沥青船具有货舱舱容利用率高和便于清理等优势[4]，受到越来越多的船东青睐，但其装载的高温液态沥青易损坏船体结构[5-6]，且钢材的屈服强度在高温下会随温度的升高而降低，因此需对沥青船进行热应力分析。

本文对沥青船货舱作考虑温度场[7]和不考虑温度场的结构强度直接计算，分析温度场对沥青船结构强度的影响，并对不满足强度要求的结构提出合理的加强方案，提高结构设计的合理性，为货舱结构优化及今后沥青船的改造提供可靠的数据来源。

以6600DWT的整体式液货舱沥青船为例，采用规范要求的计及温度的加载方式，同时进行考虑温度场[7]作用的应力分析。对不满足强度要求的结构提出合理的加强方案，提高结构设计的合理性。此外，研究岩棉层的厚度和隔热系数对热传导的影响，为今后沥青船的强度校核、结构设计及改造提供参考。

1 沥青船概括

该整体式液货舱沥青船全长113.6m，垂线间长107.4m，型宽16.80m，型深8.80m，设计吃水6.60m，方形系数0.7892，肋骨间距700mm，强框架间距2800mm，双层底高1200mm，双舷侧间距1000mm。

该船货油舱区为双壳、双底结构，并被1道槽型纵舱壁和4道槽型横舱壁分隔成10个货舱。货舱区域的顶部、底部及内侧部均敷设厚度为100mm的岩棉保温材料，横舱壁四周到边界900mm，1000mm及1100mm处设有厚度为100mm的岩棉保温材料。沥青船强框架的典型横剖面图及带岩棉层的强框架的典型横剖面图见图1和图2。

2 有限元直接计算

本文基于以下假设[8]对计及温度载荷作用的结构强度进行直接计算研究。

1) 有限元中的传热计算是基于三维空间定常稳态传热假定，且材料参数和边界条件为不随温度变化的线性热传导，并在计算中仅考虑结构和绝缘的传导效应。

2) 热力学计算是基于“场序热—结构耦合”假定，即计及温度场变化对结构产生的影响，但不考虑后者变化对前者的影响。此外，计算中不考虑结构的高温蠕变效应。

3) 计算中假定船体各构件之间以传导的方式进行热传递，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。

2.1 舱段有限元模型

依据6600DWT沥青船的相关设计建造图纸，运用大型有限元软件MSC/PATRAN及MSC/NASTRAN进行数值模拟计算分析。

依据中国船级社《钢质海船入级规范》[8]第二篇要求，采用三维有限元模型进行沥青船主要构件的强度直接计算研究。舱段模型范围为船中货舱区的近3个货舱，其中：纵向范围为从肋位Fr49到肋位Fr113；垂向范围为船体型深，采用全宽模型。货舱区内的岩棉材料采用三维体单元建模，其余各船体构件采用板、梁单元。坐标系采用右手坐标系，原点位于Fr49号船底中线处，x轴指向船首为正方向，y轴指向左舷为正方向，z轴指向上为正方向。舱段有限元模型见图3，体单元的岩棉绝缘层模型见图4。

对于热传导分析，模型中应包含模型范围内所有参与作用的热绝缘材料和结构，但可忽略不锈钢内胆；对于热应力分析，模型仅为结构模型。钢材的材料属性及温度场计算所需参数见表1。

表1 钢材的材料属性及温度场计算所需参数

2.2 边界条件

根据《钢质海船入级规范》[8]的要求，边界约束参考双壳油船。在端面A及端面B内中和轴与纵中剖面相交处建一个独立点H，在独立点上施加总纵弯矩，端面各纵向构件节点自由度Tx，Ty，Tz与独立点相关。总体载荷工况的边界条件见表2。局部载荷工况的边界条件见表3。

表2 总体载荷工况的边界条件

表3 局部载荷工况的边界条件

2.3 计算工况和载荷

2.3.1 沥青船的装载工况

对于该沥青船的整体液货舱的装载工况，按照《钢质海船入级规范》[8]取用，即：且对于(a)，(b)，(c)，均考虑上述模式下的满载和半载状态。具体装载工况见图5a)～图5c)，分别包括水平剖面图和纵剖面图。

2.3.2 沥青船的局部和总体工况

局部工况主要包含的载荷有沥青载荷、舷外海水载荷、压载水载荷和液货舱结构温度分布引起的温度载荷。总体工况中对应的总体载荷为舱段两端通过MPC点加载的垂向弯矩，分别对应中拱状态和中垂状态。最终的应力计算结果需将局部工况下的计算结果与总体工况下的计算结果相叠加。具体载荷工况结果叠加明细表见表4。

表4 载荷工况叠加明细

在局部工况的载荷加载中，装载工况a和装载工况c对应的是满载状态，装载工况b对应的是压载状态。在总体载荷工况的载荷加载中，装载工况a仅考虑中垂状态，装载工况b及装载工况c分别考虑中垂状态和中拱状态。

2.3.3 温度载荷

沥青船的6种装载工况分别对应6种温度设置方式，经热传导计算分析后，使从传热分析中得到的三维空间温度场的温度分布作为热力学计算的温度载荷[9-10]，可对应地产生6种热应力计算所需的温度载荷。温度场的温度设置见表 5；各温度场下产生的温度载荷及各温度载荷对应的局部工况见表 6；船体各结构的温度分布见图6～图9。

表5 温度场的温度设置

表6 温度场、温度载荷及局部工况的对应关系

3 计算结果及结构加强

在上述 10种工况下，考虑温度载荷对结构强度的影响，对该沥青船各船体结构的相当应力结果进行分析。通过计算发现：计及温度时的甲板、内底板、内壳板、船底纵桁、顶边舱斜板、横舱壁及双层底肋板的结构屈服强度不满足要求，其余结构满足强度要求。下面对强度不满足要求的结构提出加强方案。表7仅列出不满足强度要求的船体结构的应力值及结构加强后的相当应力结果，未列出强度满足要求的结构。结构加强后的相当应力分布见图10～图15。

1) 甲板、内底板及顶边舱斜板的板厚由12mm加强到15mm，其中顶边舱斜板用AH32高强度钢。

2) 肋位Fr65～Fr73及Fr89～Fr97的船底纵桁用高强度钢AH32代替。

3) 在距离船舯4270～5690mm非水密肋板上的开孔附近及肋位FR70和FR94处的水密肋板上距离船舯6030～8400mm位置，用高强度钢AH36；在距离船舯6730～8400mm非水密肋板上的舭部位置，板厚由10mm加强到15mm，并用AH36高强度钢。

4) 在槽型横舱壁上距离船舯 6998mm位置，加垂向尺寸为 FB100-15的球扁钢，将距离船舯 7123～7400mm处的舱壁板厚增加到16mm，并在6873～7400mm处用AH36高强度钢。

表7 原结构和结构加强后的相当应力计算结果

4 结 语

通过对计及温度作用的沥青船的船体结构强度的直接计算发现，船底纵桁是整个船体结构应力值最大的地方，远超过许用要求，通过筛选结构加强方案，用高强度钢代替普通钢是一种非常有效的方式。此外，甲板和内底板的应力计算结果只超过许用值20N/mm2左右，可通过增加板厚来加强。

研究发现，在顶边舱斜板处增加板厚很难减小应力的计算值，故建议采用AH32高强度钢来加强。双层底肋板的应力计算值只有小范围超过许用要求，通过加强发现，需采用AH36高强度钢并增加板厚来加强才更有效。由于槽型横舱壁结构相对复杂，又连接甲板、内壳板、内底板及顶边舱斜板等结构，需通过局部增添扶强材、增加板厚和用AH36高强度钢来加强。此外，由于结构的关联性，主要结构加强后，内壳板上的应力值即可得到减小。

除上述传统加强方案外，还建议通过增大岩棉层的厚度或更换岩棉层的材料使岩棉的热传导系数降低，从而降低温度对结构强度的影响。由于岩棉层是用体单元表达的，在横舱壁上的体单元与顶边舱斜板的体单元之间协调难度非常大，没有进一步计算验证增大岩棉层的厚度对降低应力值的影响，故需进一步探讨。

[1]冯国增，孙少哲，董瑞. 6000DWT沥青船液货梯级加热系统设计[J]. 船舶工程，2015 (2): 38-40.

[2]李兵. 计及温度应力的沥青船强度有限元计算[J]. 机电设备，2012, 29 (4): 50-52.

[3]杜华明. 不同舱壁形式沥青船温度场和应力有限元分析[D]. 武汉：武汉理工大学，2008: 1-3.

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[5]李俊来，王伟. 基于热变形下的沥青船货舱结构温度应力分析[J]. 浙江海洋学院学报（自然科学版），2014 (2): 180-184.

[6]李俊来，张吉萍. 基于温度应力场的沥青船货舱结构强度分析[J]. 浙江海洋学院学报（自然科学版），2008, 27 (1): 5-8.

[7]李敏. 中小型LNG船C型独立液货舱温度场及应力场分析[D]. 广州：华南理工大学，2013: 9.

[8]中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 北京：人民交通出版社，2015.

[9]许一敏. 船舶结构强度、疲劳强度直接计算技术研究[D]. 无锡：江南大学，2014: 32-35.

[10]徐松，卢金树. LNG船液舱预冷时货物维护系统温度场数值预报模型[J]. 船舶与海洋工程，2016, 32 (3): 27-33.

Finite Element Calculation and Analysis of Asphalt Carrier's Structural Strength Taking into Account the Temperature Load

CHEN Di-yi, WANG Wei, XIE Yong-he, LU Xin

（Naval Architecture and Electromechanical Engineering College, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China）

The influence of excessive high temperature on the asphalt carrier’s hull structure cannot be neglected, during its transportation of high temperature asphalt. For this, taking the 6600DWT asphalt carrier as the example, the MSC/PATRAN and MSC/NASTRAN software are used to perform the finite element calculations on the asphalt carrier’s structural strength, while taking into account the temperature load. The influence of temperature field load on the asphalt carrier’s structural strength is analyzed, and proper strengthening schemes are proposed for those structures which do not meet the strength requirements.

asphalt carrier; temperature load; finite element; structural strength

U661.43

A

2095-4069 (2017) 06-0007-06

2016-10-31

浙江省自然科学基金（LQ13E090002）

陈第一，男，硕士，1989年生。研究方向为船舶结构强度。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.002