Lng加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，涉及LNG加注趸船舱室测试领域。该方法包括以下步骤：取LNG加注趸船舱室的四分之一构建舱段有限元模型；根据温度应力参数、材料属性和正常热传导率，计算得到正常温度载荷；根据温度应力参数、材料属性和损坏热传导率，计算得到损坏温度载荷；根据正常温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到各个构件的正常应力；根据损坏温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到各个构件的损坏应力；根据各个构件的正常应力和损坏应力，确定LNG加注趸船舱室的构件是否需要进行优化。本发明不仅能够保证LNG加注趸船舱室的安全，而且使用比较方便。
【专利说明】LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及LNG加注趸船舱室测试领域，具体涉及一种LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法。
【背景技术】
[0002]天然气是一种非常重要的资源，天然气燃烧时污染小，比较清洁，其生产与输送成本较低。天然气的储量十分巨大，在将来将成为世界上主要能源。
[0003]随着天然气使用的增多，LNG(liquefied natural gas,液化天然气)贸易量不断增长；为了保证LNG在储存和运输过程中的安全性，存放LNG的储罐或液货舱的温度需要长时间保持在_163°C。LNG加注趸船舱室能够承受长时间低温源作用下引起的温度场及温度应力，保证船体结构不易屈服或者开裂，防止LNG的泄露等问题。
[0004]LNG加注趸船的储罐内液货是温度为_163°C的LNG，LNG加注趸船储罐区域内低温源热交换非常频繁。LNG加注趸船在载货运营时，储罐内LNG的温度和外界的温度差可达到200°C以上，储罐和区域内舱室热平衡状态非常不稳定，安全存在一定的隐患。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，不仅能够保证LNG加注趸船舱室的安全，而且使用比较方便。
[0006]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:一种LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，包括以下步骤:
[0007]Ajf LNG加注趸船舱室平均分成四等份，取LNG加注趸船舱室的四分之一构建舱段有限元模型；采集LNG加注趸船储罐绝热层完好时的正常工况参数、以及LNG加注趸船储罐绝热层损坏时的损坏工况参数；
[0008]B、定义温度应力参数，温度应力参数包括水对外底板的对流换热系数、水对舷侧外板的对流换热系数、空气对甲板的对流换热系数、空气对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、LNG加注趸船储罐的货物温度；
[0009]将舱段有限元模型的类型设置为温度类型；加载温度应力参数、舱段有限元模型中各个构件的材料属性、LNG加注趸船储罐绝热层完好时舱段有限元模型的正常热传导率、LNG加注趸船储罐绝热层损坏时舱段有限元模型的损坏热传导率；
[0010]C、根据温度应力参数、材料属性和正常热传导率，计算得到舱段有限元模型的正常温度载荷；根据温度应力参数、材料属性和损坏热传导率，计算得到舱段有限元模型的损坏温度载荷；根据正常温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常温度；根据损坏温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏温度；
[0011]D、将舱段有限元模型的类型调整为应力类型，加载正常温度载荷、损坏温度载荷、舱段有限元模型中各个构件的应力参数和材料属性；根据正常温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常应力；根据损坏温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏应力；
[0012]E、根据舱段有限元模型中各个构件的正常应力和损坏应力，确定LNG加注趸船舱室的构件是否需要进行优化。
[0013]在上述技术方案的基础上，步骤A中所述舱段有限元模型包括横舱壁、底板、甲板、底纵桁、甲板纵桁和舷侧纵桁。
[0014]在上述技术方案的基础上，步骤A中所述正常工况参数和损坏工况参数均包括空气温度、水温度和风速。
[0015]在上述技术方案的基础上，步骤B中所述材料属性包括材料密度、材料厚度和材料强度。
[0016]在上述技术方案的基础上，步骤D中所述应力参数包括密度、刚度系数和泊松比。
[0017]在上述技术方案的基础上，步骤E包括以下步骤:判断舱段有限元模型中各个构件的损坏应力是否在正常应力以上，若是，确定LNG加注趸船舱室的构件需要进行优化，否则确定LNG加注趸船舱室能够安全使用。
[0018]在上述技术方案的基础上，步骤E中所述LNG加注趸船舱室的构件需要进行优化包括以下步骤:需要提高LNG加注趸船舱室的构件的强度、需要更换LNG加注趸船舱室的构件或者需要维修LNG加注趸船舱室的构件。
[0019]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0020]本发明的工作原理如下:
[0021](I)本发明取LNG加注趸船舱室的四分之一构建舱段有限元模型，根据定义的温度应力参数、材料属性和正常热传导率，计算得到舱段有限元模型的正常温度载荷；根据正常温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常应力。根据定义的温度应力参数、材料属性和损坏热传导率，计算得到舱段有限元模型的损坏温度载荷；根据损坏温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏应力。
[0022]与现有技术中储罐和区域内舱室不稳定的热平衡状态相比，本发明将舱段有限元模型中各个构件的正常应力和损坏应力进行比较，能够确定LNG加注趸船舱室是否安全，进而即时优化LNG加注趸船舱室的构件，保证LNG加注趸船舱室的安全。
[0023](2)本发明的温度应力参数包括水对外底板的对流换热系数、水对舷侧外板的对流换热系数、空气对甲板的对流换热系数、空气对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、LNG加注趸船储罐的货物温度；温度应力参数较少，进而减少温度载荷的计算量，简化温度和应力的计算过程，使用比较方便。
【具体实施方式】
[0024]以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
[0025]本发明实施例中的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，包括以下步骤:
[0026]S1:将LNG加注趸船舱室平均分成四等份，取LNG加注趸船舱室的四分之一作为研究对象，构建舱段有限元模型。舱段有限元模型包括完整的横舱壁、船底至甲板的所有构件(底板和甲板)、船中至舷侧的左右构件(底纵桁、甲板纵桁和舷侧纵桁)。
[0027]S2:采集LNG加注趸船储罐绝热层完好时的正常工况参数、以及LNG加注趸船储罐绝热层损坏时的损坏工况参数，正常工况参数和损坏工况参数均包括空气温度、水温度和风速。
[0028]S3:定义温度应力参数，温度应力参数包括水对外底板的对流换热系数、水对舷侧外板的对流换热系数、空气对甲板的对流换热系数、空气对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、LNG加注趸船储罐的货物温度。
[0029]S4:将舱段有限元模型的类型设置为温度类型；加载温度应力参数、舱段有限元模型中各个构件的材料属性(材料强度、材料密度、材料厚度等)、LNG加注趸船储罐绝热层完好时舱段有限元模型的正常热传导率、LNG加注趸船储罐绝热层损坏时舱段有限元模型的损坏热传导率。
[0030]S5:根据温度应力参数、材料属性和正常热传导率，计算得到舱段有限元模型的正常温度载荷；根据温度应力参数、材料属性和损坏热传导率，计算得到舱段有限元模型的损坏温度载荷。
[0031]S6:根据正常温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常温度；根据损坏温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏温度。
[0032]S7:将舱段有限元模型的类型调整为应力类型，加载正常温度载荷、损坏温度载荷、舱段有限元模型中各个构件的应力参数(密度、刚度系数、泊松比等)和材料属性。
[0033]S8:根据正常温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常应力；根据损坏温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏应力。
[0034]S9:对舱段有限元模型中各个构件的正常应力和损坏应力进行比较，判断舱段有限元模型中各个构件的损坏应力是否在正常应力以上，若是，确定LNG加注趸船舱室的构件需要进行优化(提高构件强度、更换或维修构件等)，否则确定LNG加注趸船舱室能够安全使用。
[0035]本发明的工作原理如下:
[0036]LNG加注趸船储罐舱区一般为双层底，LNG趸船存储运营时，船体外壳水线以下部分会与海水进行对流换热；船体外壳水线以上部分会与空气进行对流换热；船体板材之间会传导换热；舱室外壁与船体壳体、船体纵、横向桁材会构成多个封闭的空腔。由于舱室外壁与船体外壳的温差存在自然对流换热，因此，计算LNG加注趸船的温度和应力，属于一个复杂结构的三维稳态导热与自然对流换热相互耦合的复杂传热问题。在温度和应力的研究计算过程中，需要合理的加载温度应力参数，以便减少计算量。
[0037]考虑到LNG加注趸船舱室的对称性，本发明取LNG加注趸船舱室的四分之一构建舱段有限元模型；计算舱段有限元模型中各个构件的温度时，仅需要考虑热传递而忽略热辐射的影响，考虑的热传递的因素包括低温货物以自然对流方式传递热量(即货物温度)、舷边舱内空气以对流方式与甲板换热(即舷边舱内空气对甲板的对流换热系数)、舷边舱内空气以对流方式与舷侧外板换热(即舷边舱内空气对舷侧外板的对流换热系数)、外界空气和水强迫对流方式与甲板进行热交换(即水对甲板的对流换热系数和空气对甲板的对流换热系数)、外界空气和水以强迫对流方式与舷侧外板进行热交换(即水对舷侧外板的对流换热系数和空气对舷侧外板的对流换热系数)和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。
[0038]下面通过I个实施例详细说明本发明的方法。
[0039]本实施例中的LNG加注趸船的总长为90.00m，其型宽为18.0m、型深为4.20m，吃水深度为2.65m ；LNG加注趸船的主甲板上安装有2个250m3LNG储罐。
[0040]将LNG加注趸船舱室平均分成四等份，取LNG加注趸船舱室的四分之一构建舱段有限元模型。
[0041]采集LNG加注趸船储罐绝热层完好时的正常工况参数、以及LNG加注趸船储罐绝热层损坏时的损坏工况参数。正常工况参数的空气温度为28°C、水温度为29°C，风速为20km/h，损坏工况参数的空气温度为28°C、水温度为29°C，风速为20km/h。
[0042]将水对外底板的对流换热系数、水对舷侧外板的对流换热系数均定义为8606w/(m2.V);将空气对甲板的对流换热系数、空气对舷侧外板的对流换热系数均定义为23.3w/(m2 *°C);将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均定义为1w/(m2.V ) ^fLNG加注趸船储罐的货物温度定义为恒温-163°C。
[0043]将舱段有限元模型的类型设置为温度类型；加载温度应力参数、舱段有限元模型中各个构件的材料属性、LNG加注趸船储罐绝热层完好时舱段有限元模型的正常热传导率、LNG加注趸船储罐绝热层损坏时舱段有限元模型的损坏热传导率。
[0044]根据温度应力参数、材料属性和正常热传导率，计算得到舱段有限元模型的正常温度载荷；根据温度应力参数、材料属性和损坏热传导率，计算得到舱段有限元模型的损坏温度载荷。
[0045]根据正常温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常温度；根据损坏温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏温度。
[0046]参见表1所示，舱段有限元模型中底板的正常温度为28.9°C，损坏温度为28.7V;底纵桁的正常温度为24.9°C，损坏温度为23.10C ;甲板的正常温度为27.4°C，损坏温度为26.9°C ;甲板纵桁的正常温度为23.4°C，损坏温度为21.1°C ;横舱壁的正常温度为24.8°C,损坏温度为24.3 0C ;舷侧纵桁的正常温度为27.5°C，损坏温度为27.(TC。
[0047]表1舱室各构件的温度分布表(V )
【权利要求】
1.一种LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于，包括以下步骤: A、将LNG加注趸船舱室平均分成四等份，取LNG加注趸船舱室的四分之一构建舱段有限元模型；采集LNG加注趸船储罐绝热层完好时的正常工况参数、以及LNG加注趸船储罐绝热层损坏时的损坏工况参数； B、定义温度应力参数，温度应力参数包括水对外底板的对流换热系数、水对舷侧外板的对流换热系数、空气对甲板的对流换热系数、空气对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、LNG加注趸船储罐的货物温度； 将舱段有限元模型的类型设置为温度类型；加载温度应力参数、舱段有限元模型中各个构件的材料属性、LNG加注趸船储罐绝热层完好时舱段有限元模型的正常热传导率、LNG加注趸船储罐绝热层损坏时舱段有限元模型的损坏热传导率； C、根据温度应力参数、材料属性和正常热传导率，计算得到舱段有限元模型的正常温度载荷；根据温度应力参数、材料属性和损坏热传导率，计算得到舱段有限元模型的损坏温度载荷；根据正常温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常温度；根据损坏温度载荷计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏温度； D、将舱段有限元模型的类型调整为应力类型，加载正常温度载荷、损坏温度载荷、舱段有限元模型中各个构件的应力参数和材料属性；根据正常温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的正常应力；根据损坏温度载荷、应力参数和材料属性，计算得到舱段有限元模型中各个构件的损坏应力； E、根据舱段有限元模型中各个构件的正常应力和损坏应力，确定LNG加注趸船舱室的构件是否需要进行优化。
2.如权利要求1所述的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于:步骤A中所述舱段有限元模型包括横舱壁、底板、甲板、底纵桁、甲板纵桁和舷侧纵析。
3.如权利要求1所述的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于:步骤A中所述正常工况参数和损坏工况参数均包括空气温度、水温度和风速。
4.如权利要求1所述的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于:步骤B中所述材料属性包括材料密度、材料厚度和材料强度。
5.如权利要求1所述的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于:步骤D中所述应力参数包括密度、刚度系数和泊松比。
6.如权利要求1至5任一项所述的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于，步骤E包括以下步骤:判断舱段有限元模型中各个构件的损坏应力是否在正常应力以上，若是，确定LNG加注趸船舱室的构件需要进行优化，否则确定LNG加注趸船舱室能够安全使用。
7.如权利要求6所述的LNG加注趸船罐区舱室温度及应力的有限元分析方法，其特征在于:步骤E中所述LNG加注趸船舱室的构件需要进行优化包括以下步骤:需要提高LNG加注趸船舱室的构件的强度、需要更换LNG加注趸船舱室的构件或者需要维修LNG加注趸船舱室的构件。
【文档编号】G06F19/00GK104200064SQ201410388863
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】余祥虎, 沈强, 罗军, 黄斌, 毛雁兵 申请人:武汉武船重型装备工程有限责任公司