沥青船热应力分析及总纵强度评估

王朋 王文庆

摘 要：本文以某沥青船为研究对象，依据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021）的相关要求，对该船的总纵强度进行计算。计算工况选取满载出港、满载到港、压载出港、压载到港、半载出港和半载到港六种情况，运用大型有限元软件MSC Patran/Nastran，对该船进行基于温度场效应的总纵强度分析。计算结果表明，该沥青船结构强度满足规范要求。

关键词：沥青船;总纵强度;有限元计算

中图分类号：U674.133.2文献标识码：A文章编号：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

基于國内大力发展交通基建事业的市场环境，我国对沥青的需求量逐年增加。据统计，2006—2012年，国内沥青市场的交易量从1 352万t上升到2 126万t，“十二五”期间，仅西部高速公路建设的沥青使用量就接近800万t。与此同时，国内沥青工业产能明显已经满足不了国内市场需求，所以通过国际市场购买沥青变成一个普遍的选择。但进入“十三五”时期以后，由于国内石油工业的迅速发展和大量国际沥青购买通道的形成，沥青产业的产能明显过剩，过剩趋势不断变大，国内沥青生产企业在满足本国沥青市场需求的同时，需要出口过剩的产能。由于沥青的进出口贸易属于廉价大宗货物运输，海上运输方式是最优选择，因此专用于沥青货物运输的沥青船应运而生。

由于沥青船是专门运输高温液态的散装石油沥青的特殊船舶，运载的货物温度通常控制在120～180 ℃，高温会给船舶结构带来明显的附加温度应力，甚至使局部结构产生破坏，从而危及船舶运营安全。因此，为保证沥青船在航行过程中的安全性、可靠性和持久性，必须在沥青船的结构设计中考虑温度场效应。本文以一艘106 m长的整体式沥青液货船为研究对象，采用有限元软件MSC Patran/Nastran，对该沥青船在温度场作用下的总纵强度进行计算，并根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021）进行校核[1]。

1 有限元模型

1.1 主尺度

该沥青船采用整体隔热模式，运用双底、双舷侧和单层甲板这一典型的油船结构，主尺度参数如表1所示。

1.2 坐标系定义

本次计算取直角坐标系，坐标原点位于船体中心线#56处，[X]轴沿船长指向船首为正，[Y]轴沿船宽指向左舷为正，[Z]轴沿型深向上为正。

1.3 舱段有限元模型

本次计算根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021）液货舱结构及其热应力分析中分析模型的规定进行建模，温度场分析模型包含模型范围内所有参与作用的热绝缘材料和结构。

1.3.1 模型范围。按中国船级社《油船结构强度直接计算指南》（2003）的规定，取“l/2+1+l/2”的舱段有限元分析模型。舱段模型的纵向范围从肋位Fr56到Fr96，建模符合模型长度要求，在#66、#86处设置横向槽形舱壁，船中纵剖面处设置纵向槽形舱壁，采用全宽模型;纵向范围为船体型深。

1.3.2 结构单元。单元类型和网格划分等建模原则要求遵循中国船级社《油船结构强度直接计算指南》（2003）[2]。

1.3.3 绝缘单元。对于岩棉保温隔热层的绝缘单元类型，一般取实体（Solid）单元，厚度取绝缘层厚度（不包括不锈钢内胆），其余建模原则与网格划分类似，但在某些结构（绝缘）的复杂交汇处，比如，纵、横舱壁与顶凳相交部位，可酌情简化。

根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021）规定，模型的材料参数选取如下：碳钢的热传导系数为60.6 W/（m·℃），用于传热分析（温度分析）;碳钢的线膨胀系数为11×10-6 ℃-1，用于热应力分析（结构分析）;隔热材料岩棉的热传导系数为0.05 W/（m·℃）[3]。舱段有限元模型和内部隔热材料有限元模型分别如图1和图2所示。

1.4 边界条件

根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021），在热力学分析中，整体液货舱模型所施加的边界条件遵循《油船结构强度直接计算分析指南》（2003）的规定。根据《油船结构强度直接计算分析指南》（2003）关于边界条件的要求，在Fr56剖面（A剖面）和Fr96剖面（B剖面）中和轴处分别建立刚性点A、B，在刚性点上施加相应约束。舱段模型边界条件如表2所示。

2 载荷施加

根据《油船结构强度直接计算分析指南》（2003）关于船舶设计载荷的要求，载荷包括舷外水压力和货物压力，还需要在模型边界处施加靜水弯矩和波浪弯矩，故将该工况下的船舶端面弯矩作为总纵强度直接计算的弯矩载荷施加于模型两端刚性点A、B上。此外，由于石油沥青船运送的沥青处于恒定高温状态，计算热应力时还需要将温度场施加到舱段模型上[4]。

2.1 计算工况

根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021），装载工况按相应规定选用，如图3所示。本计算选取的工况有满载出港、满载到港、半载出港、半载到港、压载出港及压载到港，共计六种。

2.2 端面弯矩

本研究根据型线图、稳性计算书以及静水力计算书等相关资料，利用Maxsurf软件和Hydromax软件对该沥青船的静水弯矩和静水剪力进行计算。同时，根据《钢质内河船舶建造规范》（2021），对船中剖面波浪弯矩进行计算。结合静水弯矩和波浪弯矩，可得该沥青船舱段有限元模型端面的弯矩总和，如表3所示。以满载工况为例，弯矩加载如图4所示。

2.3 舷外水压力

根据《油船结构强度直接计算分析指南》（2003），下面对舷外水压力进行计算，并在有限元模型上进行加载，以满载工况为例，如图5所示。

2.4 货物压力

根据《油船结构强度直接计算分析指南》（2003），下面对货物压力进行计算，并在有限元模型上进行加载，以满载工况为例，如图6所示。

2.5 温度场分析

温度场计算中，由于压载工况下不装载货物，即不存在闪点超过80 ℃的温度场，因此无须考虑温度场对其的影响。此外，同一货物装载情况下的出港与到港工况只存在微小的吃水区别，在实际有限元分析过程中可以忽略其影响[5]。综上所述，温度场计算选取满载和半载工况。根据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021）传热分析的边界条件，对舱段有限元模型进行温度加载，温度场的分析结果如表4所示。以满载为例，舱段整体温度场云图如图7所示。

3 计算结果

3.1 许用应力

根据《钢质海船入级规范》（2021）的结构强度直接计算补充规定，本船各构件许用应力如表5所示。本船采用低碳钢，其材料换算系数[M]为1.0。

3.2 应力结果汇总

通过对六种计算工况的计算，得到该沥青船舱段结构的组合应力和剪切应力结果，以满载出港工况为例，如表6所示[5]。由应力计算结果可知，沥青船结构最大组合应力和剪切应力均未超过许用应力。经过有限元数值模拟计算，该100 m沥青船总纵强度满足规范要求。

3.3 总纵强度直接计算结果

由于A端1/2舱和B端1/2舱仅作为边界，因此该沥青船舱段有限元模型的应力云图仅显示中间1舱结果，如图8和图9所示（以满载出港工况为例）。

1

4 结语

本文以106 m沥青船为研究对象，采用大型有限元软件MSC Patran/Nastran对主要舱段的总纵强度进行分析，选取满载出港、满载到港、半载出港、半载到港、压载出港及压载到港六种工况，考虑了温度场效应，对其结构进行载荷施加。其间，依据中国船级社《钢制海船入级规范》（2021）和《油船结构强度直接计算分析指南》（2003）的相关要求，对本船的总纵强度进行有限元方法直接计算。该106 m沥青船总纵强度满足《钢质海船入级规范》（2021）要求。本文所研究的106 m沥青船已经在船厂投入实际使用，安全性能满足要求。对于沥青船而言，由于其承受极端温度载荷，温度应力是其组合应力的主要成分，设计时需要重点考虑。

参考文献：

[1]中国船级社.钢制海船入级规范（2021）[S].北京：中国标准出版社，2021.

[2]中国船级社.油船结构强度直接计算分析指南（2003）[S].北京：中国标准出版社，2003.

[3]魏斌.3 200 t沥青船基于温度场的有限元计算[J].广州航海学院学报，2019（2）：33-37.

[4]尹辉，古国忠，陈炜鑫，等.3 500 t级沥青船温度场分析与组合应力计算[J].船舶标准化工程师，2018（6）：25-29.

[5]陈第一，王伟，谢永和，等.计及温度载荷的沥青船结构强度有限元计算分析[J].船舶与海洋工程，2017（6）：7-12.