（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）不锈钢舱化学品船温度场及温度应力分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 化学品船作为一种运载危险液体货物的特殊船舶，经常运输一些对人体或环境有害 的液体或气体，这些物质在运输途中一般需要保持一定的特殊存贮环境，例如运输沥青、 木馏油、硫磺等化学物质时，通常需要持续加热并使其维持在高温状态( 9 0 0 2 5 0 c ) ， 以防止货物凝固。这就要求化学品船能够经受住长时间高热源作用下引起的温度应力， 保证船体结构不发生屈服或开裂破损等问题。因此对化学品船进行专门的温度场及温度 应力分析，确保其符合强度要求，对保证其在运输过程中的安全具有重要意义和价值。 本文首先介绍了化学品船温度应力分析的研究背景及意义，回顾了国内外对此问题 的研究现状。然后对温度场及温度应力问题的基本概念和计算原理进行了较为详细的介 绍，并详细推导了温度应力分析的有限元计算方法。文中还介绍了利用有限元方法计算 装载高温液货时的化学品船货舱温度场及温度应力分析过程及要点和a n s y s 有限元软 件的应用。最后结合“十五国家高技术船舶项目计划：船体结构设计研究”的子课 题，重点对实际化学品船算例进行了求解分析。分析过程是以某公司建造的4 6 0 0 0 d w t 化学品船为模型，利用大型通用有限元分析软件a n s y s 对其进行不同温度场下的热应 力分析计算。研究了因不锈钢液货舱内装载的货物和相邻液货舱内装载的货物温度不 同，而产生不均匀的温度场，以及由不均匀温度场引起的船体结构内部热应力分布及变 化状况，探讨由此引起的船体局部强度。通过研究给出了船体结构所能承受的热载荷极 限值，得出以下主要结论：( 1 ) 温度较高的地方，温度应力也较大，并且与总纵弯曲应力 达到相同量级：( 2 ) 甲板，内底板等构件受温度载荷的影响较大，应该适当将板加厚；( 3 ) 槽型舱壁对减小温度应力作用明显，起缓冲作用：( 4 ) 满载时，温度应力作用突出，部分 装载时，甲板应力下降明显，但内底应力没有显著变化。 本论文的研究工作对化学品船的设计和装载情况具有一定的指导意义和参考价值。 关键词：化学品船9 不锈钢舱；有限元分析；温度场。9 温度应力；a n s y s 软件 不锈钢舱化学品船温度场及温度应力分析 t h e a n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s so fc h e m i c a l t a n k e rw i t hs t a i n l e s ss t e e lh o l d s a b s t r a c t t h es p e c i a ls h i pn a m e dc h e m i c a lt a n k e rc a r r i e sd a n g e r o u sl i q u i dc a r g o w h i c hi sh a r m f u l t oh u m a no re n v i r o n m e n t s o m ev e s s l e sn e e dk e e pc e r t a i nt e m p e r a t u r e ，f o re x a m p l e ，a s p h a l t 、 w o o dd i s t i l l a t eo i l 、s u l f u re t c , t h e yn e e ds u s t a i n e dh e a t i n ga tt e m p e r a t u r e9 0 t o2 5 0 t o p r e v e n tf r e e z i n g a n dc h e m i c a lt a l k e rr e q u i r e sw i t h s t a n d i n gt h e r m a ls t r e s si n d u e c db v h i g l l - t e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e ，i no r d e rt og u a r a n t e et h es t r e n g t ho fs h i ph u l l s oi ti so fg r e a t i m p o r t a n c ea n dv a l u ef o rc h e m i c a lt a n k e rt oa n a l y s i st e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s s t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e sb a c k g r o u n d 、s i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hs t a t u s t h e ni n t r o d u c e t h eb a s i cc o n c e p ma n dp r i n c i p l e sc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s si nd e t a i l s ， a n dd e d u c e df e mf o r m a t t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e sa p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s a cl a s t c o m b i n i n gw i t ht h es u b s u b j e c to ft h e “t e n t hf i v e y e a rs t a t e sh i g h t e c h s h i pp r o j e c tp l a n ：t h er e s e a r c ho nt h es h i ps t r u c t u r a ld e s i g n ”，t h es o l u t i o na n a l y s i so ft h e a c t u a lc h e m i c a lt a n k e re x a m p l ei se m p h a t i c a l l yd o n e t h ea n a l y s i sp r o c e s si st h a tt a k i n gt h e 4 6 0 0 0d 、tc h e m i c a lt a n k e ra st h em o d e la n dd o i n gt h ea n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o no ft h e t h e r m a ls t r e s si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e l d sb yt h el a r g eu n i v e r s a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s t h ed i s t r i b u t i o no ft h eu n e v e nt e m p e r a t u r ef i e l dg e n e r a t e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r e i ns t a i n l e s ss t e e lh o l d sw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e si nt h ea d j a c e n tl i q u i dt a n k si ss t u d i e di n t h i sp a p e r f u r t h e r m o r e ，t h et h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g i n gc o n d i t i o no ft h e i n t e r n a ls h i ps t r u c t u r ec a u s e db yt h ea b o v et w od i f f e r e n tk i n d so ft h eu n e v e nt e m p e r a t u r e f i e l d sa r ea n a l y z e di nd e t a i l 1 1 坞s h i pl o c a ls t r e n g t ha n dt h ed a m a g es t r e n g t ha r ef u r t h e r d i s c u s s e da n dt h eh e a tl o a dl i m i tv a l u et h es h i ps t r u c t u r ec a l lb e a ri sa l s oi n d i c a t e dh e r e t h e m a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r e ：( 1 ) t h ep l a c ew i t hh i g h e rt e m p e r a t u r eh a st h el a r g e r t e m p e r a t u r es t r e s sa n d c a no b t a i nt h es a m eo r d e ro ft h eo v e r a l ll o n g i t u d i n a lb e n d i n gs t r e s s ；( 2 ) t h ec o m p o n e n t so ft h ed e c k , i n n e rb o t t o ma n ds oo na r eg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h et e m p e r a t u r e l o a d ，t h e r e f o r et h ep l a t e ss h o u l db et h i c k e np r o p e r l y ；( 3 ) t h ec o r r u g a t e db u l k h e a dh a st h e e v i d e n te f f e c to i ld e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r es t r e s sa n dp l a y st h er o l eo ft h eb u f f e re f f e c t ；( 4 ) w h e nt h es h i pi sf u l ll o a d , t h et e m p e r a t u r es t r e s se f f e c ti so u t s t a n d i n g ；w h e nt h es h i pi si np a r t l o a d , t h ed e c ks t r e s sd e c r e a s e se v i d e n t l y ，b u tt h ei n n e rb o t t o ms t r e s sh a sn oe v i d e n tc h a n g e 皿cr e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a st h eg u i d a n c es i g n i f i c a n c ea n dt h er e f e r e n c ev a l u et ot h e d e s i g na n dt h el o a d i n gc o n d i t i o no ft h ec h e m i c a lt a n k e r - n - 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c h e m i c a lt a n k e r ；s t a i n l e s ss t e e lh o l d s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； t h e r m a ls t r e s s ；a n s y s m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文q 倘t 7 明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：廑垂董 导师躲写虹 大连理t 大学硕士研究生学位论文 1绪论 1 1 研究背景 随着世界经济的持续快速发展，全球经济一体化进程加剧，各国分工明显细化，国 际贸易急剧增加。船舶作为国际贸易的主力运输工具，其需求量不断增加。原本属于世 界船队中的小船种的化学品船队伍也越来越壮大，并且呈现不断增长的趋势。从1 9 4 9 年第一艘由油船改建的化学品船在美国投入运营以来，化学品船队经过了五十多年的发 展后，已经成为世界海上运输中一股举足轻重的运输力量，而且随着世界化学品贸易的 发展，仍将保持较高的增长势头。统计资料表明，1 9 9 1 年化学品船数量和载重吨位在世 界总船队中分别占4 1 9 和1 0 4 ，2 0 0 0 年为5 6 3 和3 1 6 ，到2 0 0 5 年已达到9 左 右。据来自克拉克松的有关数据表明近几年化学品船每年的新建数量都保持在2 0 0 艘以 上，约占世界每年新建船舶总量的2 5 ，从2 0 0 3 2 0 0 7 年的5 年时间里化学品船新船 完工量依次为1 7 0 、1 7 0 、2 0 0 、1 9 0 、2 3 0 万载重吨不等i ”。图1 1 和图1 2 分别是2 0 0 1 年2 0 0 6 年世界化学品船的数量和吨位保有量的统计情况。 图1 1 是历年来化学品船新增数量分布情况 f i g 1 1n u m b e rd i s t r i b u t i o no f h i s t o r i c a l c h e m i c a lt a n k g l 图1 2 是历年来化学品船吨位分布情况 f i g 1 2 t o n n a g e d i s t r i b u t i o n o f h i s t o r i c a l c h e m i c a lt a n k e r 近年来，作为“世界工厂”的广大发展中国家对化工产品的需求不断增加，特别是 来自中国和印度的需求增速加快( 其中我国进口液体化工产品保持每年1 0 以上的增长 速度) ，使化学品船的市场需求日益旺盛。另外，对生物燃料如乙醇需求的增加也将进 一步推动对化学品船的需求。此外，目前市场营运的许多化学品船都将达到退役年龄， 这些船退出市场需要新船来替代，加之新规则的实施使得部分船只失去了运送化学品的 资格，这将进一步加大化学品船的新的市场需求。因此，可以断定在今后很长一段时期 大连理工大学硕士研究生学位论文 内，世界化学品船市场将会继续保持强劲增长势头。图1 3 和图1 4 给出了未来五年全 球各大主要船厂接到的化学品船的订单情况( 截至2 0 0 7 年1 0 月份统计资料) 。从这些数 据中可以看出近年来化学品船的数量和吨位均有较大增长，并且在今后一个时期还将会 有一个需求高峰。 图1 3 是未来五年世界化学品船订单数量统计 f i g 1 3i n d e n tn u m b e ro fc h e m i c a lb n k e l i nt h ef i v ec o m i n gy e a r s 图1 4 是未来五年世界化学品船订单吨位统计 f i g 1 4i n d e n tt o n n a g eo f c h e m i c a l t a n k e r i nt h ef i v ec o m i n gy e a r s 随着造船工艺的发展，化学品船也在向着大型化的趋势发展，从原来几千吨到上万 吨，一直到现在开始设计生产5 0 ，0 0 0 d w t 以上的大型现代化化学品船，可以预见未来 的化学品船将会变得更大。所以，为保证这类特殊船舶的结构安全性，可靠性以及耐久 性，需要认真进行分析研究其在各种状况下的应力应变分布。 图1 5 化学品船舶外观 f i g 1 5a p p e a r a n c eo f c h e m i c a l t a n k e r 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 此外，化学品船是一种高技术、高附加值的船型，由于需要满足运输物品的特殊性 和安全性要求，使得建造化学品船的技术要求更严，造价更高，一般为巨型油船的五倍 左右。化学品船作为一种运载危险液体货物的特殊船舶。经常运输一些对人体或环境有 害的液体或气体，这些物质在运输途中一般需要保持一定的特殊存贮环境，例如运输沥 青、木馏油、硫磺等化学物质时，通常需要持续加热并使其维持在高温状态( 9 0 0 2 5 0 ) ，以防止货物凝固【2 】。这就要求化学品船能够经受住长时间高温作用下引起的温度应 力，保证船体结构不发生屈服或开裂破损等问题。此外，化学品船对航行性能、工作性 能和具有可靠的强度及耐腐蚀性能有更高要求，因此，对化学品船这类特殊船舶进行服 役条件下的船体结构受载荷影响进行严格的计算分析，并进行专门的温度场及温度应力 分析，确保其能够符合强度要求，对保证其在服役过程中安全运行具有重要意义和价值。 不锈钢舱化学品船【3 】是一种附加值比较高的船舶，其造价较传统的碳钢结构的液货 舱化学品船要高，一般为普通油船的1 5 倍左右，而其技术难度又相对较低，因此。近 几年越来越受国内造船企业的欢迎和重视。本论文就是根据这一需要，对不锈钢舱化学 品船在装载高温液货时的温度场及温度应力分布进行研究，为此类船舶的设计制造提供 依据。 1 2 课题的研究意义及价值 船舶在海洋中航行，所受的外力是十分复杂的。这些外力除了船舶所载货物及其他 装备的重量外，主要是水作用于船体的力，这包括：水压力、波浪动压力、冲击力以及 船舶在运动中的惯性力等等。在考虑船体强度时，把船舶整体当作一根梁置于静水中或 波浪上，计算船舶在纵向分布的重力与浮力作用下的弯曲变形与应力，可以分析出船体 受力和变形的主要特征，这种将船作为一整体来研究的强度问题就叫做船体的总纵强度 闯题或总强度闯题，它是船体强度校核的重要方面。除了总强度外，船体的横向构件f 如 横梁、肋骨、肋板等) 及船体的局部构件( 如船底板及船底纵桁) 也会因局部载荷过大而发 生大的变形或破坏，因此同样需要研究这些横向构件或局部构件的强度问题。这类问题 通常称为横向强度问题或局部强度问题。 除此之外，当船体结构或构件因温度变化发生变形时，由于受到各种约束不能自由 变形或者存在温度梯度，结构及构件中就会产生热应力。以往的研究表明，温度应力对 船体的总体应力水平及安全性有重要影响【4 】【习。通常来说，船体温度的变化和分布的不 均匀性的原因之一是阳光的照射以及水与空气的温差，船体甲板和水面以上的舷侧板， 在阳光照耀下温度有时升至4 5 ，而外底板和水面以下的舷侧板处于海水中，温度可能 保持在2 0 c 左右同，故船体结构在环境的影响下会产生不均匀的温度场。在船体结构强 3 大连理工大学硕士研究生学位论文 度分析中，通常将这种因素引起的温度效应作为不确定因素隐含在许用应力或安全系数 中，而不做专门的考虑。导致温度应力的另一个重要的原因是装载货物的温度很高或很 低，例如，液化天然气船装载的液货温度低达1 6 2 ，而沥青船为了快速装卸，通常使 沥青温度维持在2 5 0 以上。一般温度应力有一定的量级，一艘万吨级钢船在一昼夜温 度改变之下，温度应力可达3 0 7 0 m p a ，高温货物造成的温度应力甚至会引起构件的局 部屈服【刀。温度应力还曾经是早期全焊接船发生脆性断裂事故的直接原因之一嗍。虽然 在一般船舶设计中并不考虑温度应力，但是对于运输高温或低温货物的特种船舶( 如化 学品船、液化气船等) ，由于温度梯度巨大并且持续时间长，就需要在设计中对温度应 力加以考虑。化学品船在运载沥青、木馏油、硫磺等化学物质时，通常需要持续加热并 使其维持在高温状态( 9 0 c 2 5 0 c ) ，以防止货物凝固1 2 1 。同时，化学品船通常需要采用 双壳结构，以防止碰撞或搁浅损坏货舱时液货外泻对环境造成污染。双壳之间的舷边舱、 双底舱充满空气，对高温货物还具有保温的作用。然而由于双壳结构的内外壳分别处于 不同介质中，因而加大了构件之间的温度梯度。钢材在高温作用下，其屈服强度随温度 升高而降低。根据d n v 规范【2 】，钢材在8 0 以上时温度每升商5 0 1 2 其屈服强度降低 2 0 榭栉2 。因此高温液货不仅大幅度增加双壳结构的温度梯度，给船体构件带来显著 的附加温度应力，同时还减弱了高温构件的屈服强度，从而危及结构的安全。同时，a b s 规范【9 l 中也指出：对于那些专用船舶如装载高温货物或航行于寒冷区域，在估算船体结 构强度时应考虑热载荷和冰载荷的作用。因此需要对运输高温液货的化学品船考虑温度 应力对船舱的影响，对其在热载荷或冰载荷条件下迸行专门的温度场和温度应力分析， 给出船舶所能承受的热载荷和冰载荷的极限强度，保证船舶正常服役过程中的安全。 1 3 国内外研究现状 船体强度是船舶设计过程中需要重点考虑的要点之一。船体梁理论l l o 1 1 1 】提出以来就 一直主宰着船体总强度分析。该理论把整艘船简化为一根直梁，将其静置于波浪上进行 分析。然而，船舶的实际结构及其受力是相当复杂的，如存在着各种间断构件、不同的 连接方式、货舱大开口、复杂的波浪载荷等，并且实际构件的受力是多种因素共同作用 的结果，将其人为地分开计算会带来较大的误差。设计建造单位为了保证安全，不得不 规定较大的安全系数，从而导致材料的浪费和建造与营运费用的增加。所以，船体梁理 论是比较粗略和不完善的。 目前，国内外主要发展以薄壁梁理论为基础的有限梁方法【1 2 1 ，即把船体离散为阶梯 形薄壁梁段，应用迁移矩阵法或一维有限元法进行计算。k a w a i 用经典薄壁梁理论推导 出船体薄壁梁段的扭转刚度矩阵，采用一维有限元法求解，但这种方法未考虑不同剖面 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 间的协调问题。h a s l 应用修正的薄壁粱理论，用迁移矩阵法进行计算，并首次提出不同 剖面问的协调准则，但这种方法没有考虑船体剖面的扭转与水平弯矩的耦合。p d e e s m e 也应用修正的薄壁梁理论，考虑了船体弯扭及轴向力，建立弯扭组合刚度矩阵，用一维 有限元法求解，并在最小二乘法意义上保证不同剖面薄壁梁单元间的协调。目前，在前 期设计阶段，薄壁梁理论仍起到一定的作用，但是对于波浪载荷，薄壁梁理论采用确定 性的方法，而波浪载荷是随机性的，因此这些由薄壁梁理论所得到的结果有很大的局限 性，不能对船体的各个部分给出较详细和准确的应力分布。随着计算机软硬件技术的发 展，将整艘船划分为有限元来进行分析的全船分析有限元技术成为可能，通过大规模有 限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析 最准确完善的方法。但由于其工作量很大、涉及许多因素，并且对计算机软硬件有较高 的要求，故它的应用尚不广泛。 相比其它载荷作用下的船体强度分析研究，船体的温度场及温度应力闯题很长时间 以来一直没有受到足够的重视。对于气温和阳光等自然环境引起的船体温度应力( 如船 舶甲板和船舷侧板温度应力) 在进行船体结构设计分析时，通常是作为不确定因素包含 在许用应力或安全系数当中，不作专门考虑【卯。但对于各种特种船舶( 如化学品船、液 化气船等) 来说，船体温度应力问题就需要进行专门的分析研究，不再适于用一个安全 系数来简单的考虑。 国内杜忠仁【1 3 l 根据t i m o s h e n k o 粱理论，在给定船体结构温度场条件下，对船体纵 向构件热应力的计算建立了一般表达式，并对船体纵向构件热应力的计算与比较标准中 的一些具体问题进行了论述。但由于船体结构较为庞大，边界条件也十分复杂，采用解 析方法很难得到其准确的温度场及温度应力分布。对于船体结构的热一结构耦合问题， 解析方法更是难以解决。计算机及数值计算技术的发展使得有限元方法用于分析复杂边 界条件和荷载条件下的大型结构成为可能。由于能够模拟几何形状复杂的结构并易于处 理各种边界条件，有限元法已经成为解决复杂物理场问题的有效方法，是目前工程热应 力分析中普遍采用的数值计算方法。陈伯真、胡毓仁【5 , 1 4 提出一种适于在船舶设计中使 用的船体温度分布和温度应力的计算方法，该方法采用变剖面薄壁梁船体模型，船体的 温度分布根据热传导理论计算，船体的温度应力根据弹性理论处理平板温度应力问题的 思想，并结合梁弯曲的有限元法计算。滕晓青、顾永宁【3 】分析了双壳型船体结构在运载 高温液货时的温度场，分别用基于简化模型的解析方法和有限元数值方法，计算了货舱 区域船体结构在一特定液货温度下的温度场，同时根据温度场分析结果，对货舱区域舱 段结构在温度载荷作用下的响应进行了有限元分析，并与货物压力、海水静动压力以及 总纵弯矩作用下的响应特点做了比较。其研究结果表明；对于热传递这种复杂的物理现 5 大连理工大学硕士研究生学位论文 象，即使采用大型程序进行分析，仍需要大量的简化和假设：高温货物大幅度增加船体 构件纵向应力及板格内的横向应力，而且会加剧结构不连续处的应力集中，在船体强肋 框横向强度校核中，必须计入温度载荷的影响；槽型舱壁具有良好的释放温度载荷的能 力，有利于改善其自身强度，并减小对相连构件的作用。此后他们又运用通用非线性有 限元程序a b a q u s 对单壳双底货船舱段结构瞬态温度场和热应力进行了分析，得到了 单壳双底货船舱段结构瞬态温度场和热应力的分布规律。结果表明，基于简化的解析分 析可用于设计初期结构温度场的评估m 】。 司马俊华，张世联等【1 6 1 7 】对喷射热气流下的甲板结构进行了研究，计算得到了非稳 态导热的甲板瞬态温度场和结构热应力，并对单元网格大小和骨材有限元网格类型对热 应力的影响进行了探讨，得到一些有益结论：在工程应用上可以采用温度载荷曲线的离 散化及用同心圆区域来确定有限元单元的温度载荷；有限元热分析中，敏感区域的单元 网格划分要尽量细化；大骨材要采用二维板单元，以减少用一维单元划分带来的误差： 承受温度载荷的船舶局部结构骨材，可以通过适当加大腹板的尺寸而减少面板的尺寸来 优化设计；温度载荷在局部结构( 特别是舱壁处) 的附近会造成不可忽视的热应力和热变 形，对结构安全和性能有很大影响。不同的温度载荷，单元网格大小选择不当，计算热 应力值的误差会很大。王俊、潘斌、徐伟【埔】以船舶甲板板格为研究对象，利用m s c 软 件的t h e r m a l 和s t r u c t u r a l 模块进行建模，讨论加强筋的建模方式及单元网格 密度对温度场分布、应力场分布和变形的影响。通过分析研究，对热载荷作用下的结构 建模方法提出了可行性建议。 国外一些学者也从不同角度对这类问题进行了研究。c o r l e t t 2 1 】和j a s p e r 挖 将弹性理 论中处理平板温度应力问题的方法推广用于船体应力的计算；s k ic ta l 删从提高船体梁 应变仪精度出发，研究了日常温度场对船体结构带来的附加温度应力。n o b u k a w a 等四】对 双壳型船体结构在运载高温液货时的温度场进行了试验研究，并与程序计算值进行了比 较，又分别用梁理论和有限元程序计算了船体结构的温度应力。 除了温度应力分析外，更多的有关船舶温度应力分析的研究工作集中在水火弯板的 加热成型方面。东京大学n 0 m o t o 嘲例采用简化的非线性弹性板弯曲模型代替线加热热 弹塑性大变形分析来求解厚板的成形问题；k a t s u t a | 篮l 闭对线加热过程进行了没有热传导 分析的三维弹性分析；m o h s a i o v 和l a t o 伽例最早采用了该高斯正态分布模型，研究了 板材火焰成形过程的时历温度场模型。他们通过使用有限元程序求解该瞬态分析问题。 刘玉君、纪卓尚l 丛卜例等人对中厚度钢板表面受线状加热条件下准稳态温度场进行了理 论分析，并提出了求解薄板表面受线加热条件下瞬态温度场的有限元求解方法。日本的 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 t o m i t a 等i 儿】研究了火焰和钢板表面之间的热传导问题，确定了温度场计算中的对流换热 系数，计算了钢板表面的温度分布和热流率。 此外，针对经常发生的船舶火灾问题，川董华1 3 2 3 3 】对船舶密闭舱室内的火灾过程进 行了模拟计算；同时还对舰船火灾中烟气沿通道蔓延特征进行了计算机模拟。邹高万等 人l 州对船舶机舱火灾热流场特性进行了研究。 1 4 本论文主要工作 本论文以某公司建造的4 6 0 0 0 d w t 化学品船为模型，利用大型通用有限元分析软件 a n s y s 对其进行不同温度场下的热应力分析计算。研究了同一不锈钢液货舱内装载不 同温度的高温货物和相邻液货舱内装载不同温度高温货物两种条件下产生的不均匀温 度场的分布，以及由此两种不均匀温度场引起的船体结构内部热应力分布及变化状况， 探讨由此引起的船体局部强度，给出了船体结构所能承受的热载荷极限值。 本课题涉及热学和船体结构两大部分内容，问题较为复杂。由于条件和时间的限制， 以及本人水平有限，不可能对这样一个庞大的议题进行全方位的彻底研究，本文仅结合 “十五国家高技术船舶项目计划：船体结构设计研究”的子课题的要求作了部分工 作，具体内容如下： 1 ) 对船体结构温度场及温度应力方面的研究进行了论述和总结； 2 ) 对有关温度场和温度应力的基本理论和研究现状进行了回顾总结，详细推导了 温度应力的有限元计算方法，并与承担的实际工程项目进行结合。 3 ) 以某公司建造的4 6 0 0 0 d w t 化学品船为基础，对实例船体结构进行舱段建模， 选择合理的单元类型，并进行有效的有限元网格划分。 4 ) 确定合理的边界条件，施加温度场及载荷条件，对计算模型进行求解，得到其 湿度应力分布状况。 5 ) 将热单元转换成对应的结构单元，通过将第一次温度场分析的结果作为第二次 结构分析的载荷的办法来实现温度场及荷载场的耦合作用求解。 6 ) 依据现行船舶规范及标准，进行船体结构强度计算。 7 ) 利用有限元软件a n s y s 计算耦合应力，并对计算结果进行了详细分析，探讨 由此引起的船体局部强度，并提出解决方案。 7 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 温度场及温度应力计算原理 2 1 温度场和温度应力问题概述 温度应力问题普遍存在于船舶、土木、水利、机械等工程结构中，是一个十分重要 的问题。随着对结构可靠性、安全性和耐久性要求的提高，温度应力问题越来越受到各 行各业的科研人员和工程师的重视，尤其对于大体积结构和承受较大温度梯度的结构而 言，温度应力的水平有时会对工程结构的安全性和耐久性起到决定性作用1 2 7 椰j 。 许多结构应力分析问题都涉及到机械载荷和热载荷两种荷载。当弹性结构体内有温 度改变时，材料内部便会通过热传导产生热量传递建立起相应的温度场。大部分弹性材 料都会随温度改变( 升高或降低) 产生体积改变而趋于收缩或膨胀。但是，由于弹性体所 受的外在约束以及各部分之间的相互约束，这种膨胀或收缩并不能自由发生，从而产生 内部应力，即温度应力。当温度改变足够大时，热应力可以达到致使结构破坏的水平， 尤其对于脆性材料更是如此。在某些结构中，温度应力还常常超过常规荷载产生的应力 成为主要控制因素，并易引起结构的疲劳和开裂，危及结构的安全。因此，对于那些须 要经受大幅度温度改变的工程结构，对其进行专们的温度应力的分析就很有必要1 3 5 - 3 6 1 。 热弹性力学研究弹性体内温度的变化与此有关的热应力和热应变。它涉及热传导、 弹性力学和计算方法等方面的内容。早在上世纪五、六十年代，就有许多人针对具体构 件进行了许多有关热应力的计算研究1 3 7 - 3 s 。进入七十年代，不少学者开始从连续体力学 理论出剔3 9 】，即运用质量守恒、能量守恒、熵不等式、自由能和构造理论基本定律和理 论，建立了热传导方程、热弹性材料本构关系、热弹性运动方程和其他基本方程，并进 行了深入的分析研究，把热应力理论研究向前推进了一大步。近几十年来，理论研究开 始对如热弹性耦合理论【删，热冲击理论等一些重要课题进行了广泛研究，并不断深化。 理论研究向前发展的同时，许多学者对具体构件和结构的稳态和瞬态热应力分析计算方 面的工作进行了大量研究，涉及的领域十分广泛，包括钢结构、混凝土结构、路面结构、 复合材料、结构成型及焊接等等【4 h 7 1 。近年来，对各向异性体、复合材料、断裂等方面 的热应力问题的研究进展较快，对非线性熟弹性理论、电磁热弹性理论、压电晶体的热 弹性问题的研究在发展中。有限元在温度常及温度应力分析问题中的应用，涉及方方面 面，许多研究人员进行了广泛的探索研究 4 s - 5 3 。 对于船体结构而言，其温度应力的计算主要涉及到梁、板、壳结构的温度应力问题， 下面就结合后文计算需要用到的一些知识，简要介绍一下温度场和温度应力方面的一些 基本概念。 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 2 关于温度场的基本概念 一般而论，在热传导过程中，物体内部各点的温度随着各点的空间位置和时间而变 化，因而温度t 是位置坐标0 ，y ，z ) 和时间t 的函数： t - t ( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 ) 在任一瞬时，温度在时间域和空间域中的分布，称为温度场，连接场内相同温度值的各 点，就得到此时刻的等温面( 如图2 1 所示) 。沿等温面切向，温度不变。沿着其它方向， 温度都会改变，而垂直等温面的法向，温度的变化率最大。表示一点最大增温率的矢量， 成为温度梯度。 l ，工 f - f q 图2 1 温度梯度与热流密度矢量示意图 f i g 2 1i s o t h e r m a ls u r f a c ea n dt e m p e r a t u r eg r a d i e n t 如式( 2 1 ) 所示，一个温度场如果温度随时间而变，就称为不稳定温度场或非稳定 温度场；如果温度不随温度改变就称为稳定温度场或定常温度场。在稳定温度场中，温 度只是位置的函数，即 r - t ( x , y ，z ) ，( 百o t o ) ( 2 2 ) 平面稳定温度场的数学表达式为： 丁- r ( 训) ，( 百o t 一0 i o t - o ) ( 2 3 ) 某一点p 处的温度梯度订沿等温面的法线方向，指向增温的方面，大小为娑。取 d 行 单位矢量，沿等温面的法线方向而指向增温的方面，则 9 大连理工大学硕士研究生学位论文 该点沿坐标方向的变温率为： v r 望 。锄 i a t 。8 = tc o s o ，功， 缸靓 。 a ：t a = t 。0 s o ，y ) ， 却锄 婴i 8 tc o s ( n ，办 a z砌 。 在单位时间内通过单位面积的热量，称为热流密度( 或热流量) 。 度矢量是沿等温面的法线且指向降温方向。 q - 吨石d q i a 根据热传导定律，热流密度与温度梯度成正比而方向相反： q i - a v t 其中a 为导热系数，【u 沏h ) 由( 2 4 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 三式可得到 丝 am s 叫r i 放，热流密度日的大小为 ( 2 4 ) 一点的最大热流密 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) q a 兰 ( 2 9 ) 其在毒，y ，z 轴上的投影分别为 级一罢，钐一詈，钰一a o r 赴 ( 2 1 0 ) 级。一 i ，钐一 石钰。一 赴 u j w 因为坐标轴是任意选取的，所以上式表示：热流密度在任意方向的分量等于导热系 数乘以温度在该方向上的递减率。 大连理工大学硕士研究生学位黻 2 3 温度场基本原理 2 3 1 热传导微分方程 根据热量平衡原理：在任意一段时间内，物体的任一微小部分所积蓄的热量( 也就 是温度增高所需要的热量) 等于传入改微小部分的热量加上内部热源所供给的热量，在 均匀各向同性的弹性固体内，取直角坐标系并取其中一个微小六面体为d x d y d z ( 如图2 2 所示) ，在单位时间内从左界面d y a z 流入的热量为吸咖如，经右界面流出的热量为 瓴+ a q , ) d y d z ，出入相抵后，在单位时间内流入的净热量为 j ，i 一由, a y d z - 一； 两即f z ( 2 1 1 ) z 图2 2 微小单元体热流量示意图 f i g 2 2t h e r m a lf l u xo fm i c r o e l e m e n t 在固体的热传导问题中，通常可假定热流量鼋与温度梯度a t 缸成正比，但方向相反， 如式( 2 1 0 ) 所示。 把式( 2 1 0 ) 代入式( 2 1 1 ) ，得到在单位时间内沿z 方向流入的净热量为： ， a 害鳓 ( 2 1 2 ) 同理，可求出微元沿y 方向和z 方向流入的净热流量分别为： l l 大连理工大学硕士研究生学位论文 a 鲁蚴，a 軎鳓 设物体内部有热源存在，在单位时间内单位体积释放出的热量为w ，则在体积出方出内 单位时间放出的热量为w 6 叻沈，在单位时间内物体温度升高为塑，所吸收的热量为 c p 詈d x d y d z d t ( 2 1 4 ) 1 4 ) 。 ( 2 其中：c 为比热，k j ( k g ) ；t 为时间，h ；p - - 密度，k g m 3 。由热量平衡原理， 温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内部热源提供热量之和，即； c p 等。【a ( 窘+ 旁+ 害) 蚴+ 毗批 $ 化简后得到固体中热传导方程如下： 詈- n ( 警+ 寄+ 害) + 号 q i 叫i 丽+ 可+ 可j + 石 ( 2 1 6 ) 其中a 为导温系数 口- 土c p ( 2 1 7 ) ， 单位为m 2 h 如果固体处于绝热状态，则 害+ 等+ 害一o v m 缸却。如2 一 这时的固体温度称为绝热温升，记为0 ，由式( 2 1 6 ) 可知 百。石 ( 2 1 9 ) 将其代入式( 2 1 6 ) ，可以得到热传导微分方程 詈一a ( 害+ 害+ 害卜詈 q 御 i 卅i 石+ 矿+ 可j i 百 ( 2 御 如果温度沿2 方向是常数，即詈- o ，则温度场是二维的( 平面问题) ，热传导方程 可以简化为： 大连理工大学硕士研究生学位论文 a f 阳a 2 r 、a 日 i “i 弘+ 可j 。i 如果温度不再随时间变化，即詈一詈- o ，这时，热传导方程变为： 鲁+ 害+ 鲁一。 c z 缸2 。却2 打2 。 、 这种不随时间变化的温度场就是稳定温度场。 2 3 2 热传导理论中的定律与公式 傅里叶定律：它的向量形式是 q 一- g r a d t ( 2 2 3 ) 式中，q u ，m 2 1 是热流量，是一个向量；g r a d tr c m 】称为温度梯度，也是一个向量a 在一般分析计算中，它的向量形式是； 吼一一a ；三 ( 2 2 4 ) 口” 式中 为物体边界外法线方向向置。一旦物体内部温度分布已知，由傅立叶定律可求热 流量或热流密度。因而，求解导热问题的关键在于求解获得物体中的温度分布。傅立叶 定理是实验定律，是普遍适用的，不论是否变物性、是否有内热源、物体几何形状、是 否稳态、物质的形态( 固，液，气) 。 对流换热牛顿公式：这是计算固体壁面与流体换热的公式t 即 日- 亿- t ) p m 2 1 ( 2 2 5 ) 式中a 【u ，m 2 。】为物体与周围介质的导热系数，瓦和【9 c 】分别为物体的壁面温度 和介质的平均温度。 2 ，3 3 热力学的初始条件和边界条件 由热传导方程( 2 2 ) 式可知，热传导方程建立了温度与时间、空间的关系，但满足热 传导方程的解有无限个。若要唯一确定物体的温度场，还必须知道初始条件和边界条件- 初始条件为物体内部温度场在初始瞬时的分布规律。一般情况下，在初始瞬时温度 场是坐标( x ，y ，z ) 的已知函数( x , y ，：) ，即当f o 时， t ( 而y ，：，f ) k 。- 瓦( x 。n ：) ( 2 2 6 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 边界条件是物体表面与周围介质之间的温度相互作用的规律。在温度场计算中常用 的边界条件有以下三种类型： ( 1 ) 第一类边界条件： 物体温度t 在边界c l 上是时间的已知函数l 一) ，即： r ( f ) 一瓦( f ) ( 2 2 7 ) 式中l - c 1 是已知边界温度。 ( 2 ) 第二类边界条件： 在物体的边界c 上，热流量是时间的已知函数，即： 一a 兰一霉( f ) ( 2 2 s ) a 行 式中g 一) k j m 2 1 是已知热流量，町为边界外法线方向由公式得知，凡是热量从物体 向外流出者窜( f ) 都取正号，向物体流入者取负号，如果边