不锈钢热应力分析

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：

q流入q生成q流出0，则系统处于热稳态。稳态热分析的能量平衡方程为：

KTQ

式中：K为传导矩阵；T为节点温度向量；Q为节点热流率向量。

K、T、Q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： (1) 结构离散化 (2) 选择位移模式

(3) 分析单元的力学特性 (4) 计算等效节点力

(5) 集合所有单元的刚度方程建立结构平衡方程

(6) 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 密 度 弹性模量 泊松比 热传导系数 热膨胀系数

表2 温度场计算的主要参数 项 目 货物对内底板、舷侧内板的对流换热系数 海水对外底板、舷侧外板的对流换热系数 空气对甲板、舷侧外板的对流换热系数 舷边舱内空气对舷侧外板的对流换热系数 舷边舱内空气对甲板的对流换热系数 货物温度 海水、空气温度 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：

数 值 100 W/(m2 ºC) 8606 W/(m2 ºC) 23.3 W/(m2 ºC) 10 W/(m2 ºC) 10 W/(m2 ºC) 130 ºC，恒温 0 ºC，恒温 S31803双相不锈钢 8000 kg/m3 2.0×1011 0.3 20 W/(m2 ºC) 1.3×10-6 ºC-1 普通钢 7850 kg/m3 2.1×1011 0.3 60 W/(m2 ºC) 1.3×10-6 ºC-1

1. 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； 2. 舷边舱内空气以对流方式与舷侧内板、舷侧外板换热；

3. 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； 4. 结构构件之间以热传导方式进行热传递；

5. 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）

Fig.4.1 Nephogram of Hull Temperature Field Fig.4.2.Nephogram of Hull Temperature Field

(Full Load) (Partial Load)

图4.3 船体结构应力云图，（Seqv,满载） 图4.4 船体结构应力云图（Seqv，部分装载） Fig.4.3.Nephogram of Structural Stress Fig.4.4.Nephogram of Structural Stress (Seqv，Full Load） （Seqv，Partial Load）

图4.5 船体结构应力云图（Sx，满载） 图4.6 船体结构应力云图（Sy，部分装载） Fig.4.5. Nephogram of Structural Stress Fig.4.6. Nephogram of Structural Stress

(Sx，Full Load）） （Sy，Partial Load）

将船体构件的温度场及温度应力绘出曲线如下所示：

内底板纵向温度分布甲板纵向温度分布120100温度（℃）806040200-2006.6613.32纵向坐标（m)19.9826.64

图4.7温度场纵向分布曲线

Fig.4.7 Longitudinal distribution of temperature field

内底横向温度场分布甲板横向温度场分布140120温度（℃）100806040200-20-10-200横向位置(m)1020

图4.8温度场沿横向分布曲线

Fig.4.8 Transversal distribution of temperature field

400350300内底纵骨温度应力甲板纵骨温度应力温度应力(MPa)25020015010050006.6613.32纵向位置(m)19.9826.64

图4.9 温度应力沿纵向分布曲线

Fig.4.9 Longitudinal distribution of thermal stress

内底温度应力沿船宽分布甲板温度应力沿船宽分布450400350300250200150100500-20-100横向位置(m)1020 温度应力(MPa)

图4.10 温度应力沿横向方向分布曲线

Fig.4.10Transversal distribution of thermal stress

从图中可以看出，温度场在纵向、横向分布各不相同，但是温度场关于模型中横剖面和中纵剖面呈对称分布。从总体来看，船体内部靠近高温液货的构件温度较高，受到温度载荷的影响很大。 下面列出温度和结构载荷的耦合应力

表4.11耦合应力结果（工况一）

Tab.4.11Results of coupling stress (loading condition one)

最大应力（MPa）

工况一

位置

Sx

甲板 甲板纵骨 内底板 内底纵骨 纵舱壁 横舱壁 不锈钢舱壁 甲板

部分装载

甲板纵骨 内底板 内底纵骨

289 342 369 299 133 100 165 172 208 341 302

计算值 Sy 180 359 54 139 27 120 309

Sz 90 158 127

许用值 [S] 206 243 206 243 206 206 206 206 243 206 243

满载

纵舱壁 横舱壁 不锈钢舱壁

133 100 151

54 139 18

90 158 73

206 206 206

另外，本文专门对加强筋进行了应力分析，结果如下：

图4.12 应力云图（Seqv） 图4.13 位移云图（Usum）

Fig.4.12. Nephogram of Stress（Seqv） Fig.4.13. Nephogram of Displacement（Usum）

分析结果表明：加强筋左部靠近高温液货的地方，受到较大的温度应力，甚至两端出现了温度应力集中，从位移云图中可以得到，由于温度载荷作用，加强筋的变形很大，但是，加强筋的存在，减小了温度载荷对其他连接构件的影响。

5结 论

本文利用大型通用有限元分析软件ANSYS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。

在一定假设条件下，根据实际模型，进行了有限元计算，得到了大量计算数据，完成了不锈钢舱化学品船的温度场和温度应力分析，计算结果表明：接触高温液货的船体构件或靠近高温液货的构件，不仅温度较高，而且温度应力也较大，某些构件受到的耦合应力甚至超过许用应力，因此温度应力不能忽视。槽型舱壁对减小温度应力作用明显，起缓冲作用。对于与不锈钢舱壁连接的加强筋，受温度影响也较大，产生较大的变形，因此造成在内底板上的应力集中，应考虑适当优化加强筋形状。

参考文献:

[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] 陈辉，袁海庆等.温度作用对钢筒仓结构影响的有限元分析[J].四川建筑科学研究，2006，32(6)：47-49. [3] 滕晓青，顾永宁.双壳型船体结构稳态温度场和温度应力[J].中国造船，2000，41(2):59-64.

[4] Det Norske Veritas. Hull structural design ships with length 100 metres and above , Part 3 Chapter 1, 1997