不锈钢热应力分析.doc

不锈钢舱化学品船温度应力分析 房玉慧 马 骏 大连理工大学 摘要：本文以某不锈钢舱化学品船为研究对象，借助于大型工程软件ANSYS，建立了2舱段有限元模型，然后进行温度场求解，算出等效节点温度载荷后，将热分析单元转换成结构分析单元，将计算出的温度载荷作为体载荷施加到船体结构上，再施加外力载荷，进行热与结构应力耦合计算。最后，分析结果。结果表明：加强筋由于温度载荷的影响，变形很大，并且在端部产生了应力集中，因此应适当优化加强筋形状。 关键词：不锈钢舱；温度场；热应力；有限元分析 1 引 言 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、硫黄等化学物质时，通常需要持续加热并使其维持在高温状态(90℃-250℃)，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。 2计算原理 2.1温度场计算原理 热分析遵循热力学第一定律。即能量守恒定律。 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：，则系统处于热稳态。稳态热分析的能量平衡方程为： 式中：为传导矩阵；为节点温度向量；为节点热流率向量。 、、由ANSYS自动生成，前提条件是输入模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件。 2.2温度应力计算原理 有限元法的分析过程，概括起来可分为下列六个步骤： 结构离散化 选择位移模式 分析单元的力学特性 计算等效节点力 集合所有单元的刚度方程建立结构平衡方程 将边界条件代入，求解未知节点位移并进行单元分析 3计算模型及计算条件 3.1有限元模型 计算模型均包括1个整舱和2个半舱（1/2+1+1/2模型）内的全部结构构件（包括不锈钢舱壁）。计算模型见图3-1、图3-2和图3-3所示。 图5.3有限元计算模型 图3 温度场物理模型 3.2材料参数 计算采用的材料特性及主要参数见表1和表2 表1 船体材料特性 20 oC S31803双相不锈钢 普通钢 密 度 8000 kg/m3 7850 kg/m3 弹性模量 2.0×1011 2.1×1011 泊松比 0.3 0.3 热传导系数 20 W/(m2 oC) 60 W/(m2 oC) 热膨胀系数 1.3×10-6 oC-1 1.3×10-6 oC-1 表2 温度场计算的主要参数 项 目 数 值 货物对内底板、舷侧内板的对流换热系数 100 W/(m2 oC) 海水对外底板、舷侧外板的对流换热系数 8606 W/(m2 oC) 空气对甲板、舷侧外板的对流换热系数 23.3 W/(m2 oC) 舷边舱内空气对舷侧外板的对流换热系数 10 W/(m2 oC) 舷边舱内空气对甲板的对流换热系数 10 W/(m2 oC) 货物温度 130 oC，恒温 海水、空气温度 0 oC，恒温 3.3计算条件 本文在求解温度场时，忽略辐射的影响，考虑的热传递过程具体如下： 高温货物以自然对流方式将热量传递给甲板、舱壁和内底板等； 舷边舱内空气以对流方式与舷侧内板、舷侧外板换热； 外界空气与海水以强迫对流方式与甲板、舷侧外板和外底板进行热交换； 结构构件之间以热传导方式进行热传递； 对于双层底内空气与内底板、外底板之间不发生对流换热。 在进行结构应力分析时，计算模型的边界条件采用CCS规范规定的边界条件 3.4计算工况 根据规范要求的一道纵舱壁油船所规定9种计算工况（见表3.1）和所考虑附加的危险计算工况以及强度校核所得结论，在不锈钢舱热应力分析中，选取1、5、9等三种主要结构构件合成应力最大的计算工况为分析工况。这三种工况对应不同的装载要求，使两个不锈钢舱分别为满载和部分装载；同时不锈钢舱内设定最高液货温度为130度，相邻普通液货舱温度为0度，这时不锈钢舱内和相邻液货舱船体结构构件承受的温度应力和结构耦合应力均达到最大值。所以按这三种工况校核所得到结构耦合应力应为船体构件在营运中所承受载荷的峰值应力，这样得到的分析结果对实际工程是偏于安全的。 表3.1一道纵舱壁油船计算工况 4计算成果 本文建立两舱段的有限元计算模型，采用CCS船级社的计算处理方法，用ANSYS对该有限元模型进行了详细的计算。计算得到大量的数据结果。 4.1 温度场与温度应力计算情况 图4.1 船体温度场云图（满载） 图4.2 船体温度场云图（部分装载） F