Lng加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，涉及LNG加注躉船艙室測試領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：取LNG加注躉船艙室的四分之一構(gòu)建艙段有限元模型；根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和正常熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到正常溫度載荷；根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和損壞熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到損壞溫度載荷；根據(jù)正常溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到各個構(gòu)件的正常應(yīng)力；根據(jù)損壞溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力；根據(jù)各個構(gòu)件的正常應(yīng)力和損壞應(yīng)力，確定LNG加注躉船艙室的構(gòu)件是否需要進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明不僅能夠保證LNG加注躉船艙室的安全，而且使用比較方便。
【專利說明】LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LNG加注躉船艙室測試領(lǐng)域，具體涉及一種LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002]天然氣是一種非常重要的資源，天然氣燃燒時污染小，比較清潔，其生產(chǎn)與輸送成本較低。天然氣的儲量十分巨大，在將來將成為世界上主要能源。
[0003]隨著天然氣使用的增多，LNG(liquefied natural gas,液化天然氣)貿(mào)易量不斷增長；為了保證LNG在儲存和運(yùn)輸過程中的安全性，存放LNG的儲罐或液貨艙的溫度需要長時間保持在_163°C。LNG加注躉船艙室能夠承受長時間低溫源作用下引起的溫度場及溫度應(yīng)力，保證船體結(jié)構(gòu)不易屈服或者開裂，防止LNG的泄露等問題。
[0004]LNG加注躉船的儲罐內(nèi)液貨是溫度為_163°C的LNG，LNG加注躉船儲罐區(qū)域內(nèi)低溫源熱交換非常頻繁。LNG加注躉船在載貨運(yùn)營時，儲罐內(nèi)LNG的溫度和外界的溫度差可達(dá)到200°C以上，儲罐和區(qū)域內(nèi)艙室熱平衡狀態(tài)非常不穩(wěn)定，安全存在一定的隱患。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，不僅能夠保證LNG加注躉船艙室的安全，而且使用比較方便。
[0006]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，包括以下步驟:
[0007]Ajf LNG加注躉船艙室平均分成四等份，取LNG加注躉船艙室的四分之一構(gòu)建艙段有限元模型；采集LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時的正常工況參數(shù)、以及LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時的損壞工況參數(shù)；
[0008]B、定義溫度應(yīng)力參數(shù)，溫度應(yīng)力參數(shù)包括水對外底板的對流換熱系數(shù)、水對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、LNG加注躉船儲罐的貨物溫度；
[0009]將艙段有限元模型的類型設(shè)置為溫度類型；加載溫度應(yīng)力參數(shù)、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的材料屬性、LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時艙段有限元模型的正常熱傳導(dǎo)率、LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時艙段有限元模型的損壞熱傳導(dǎo)率；
[0010]C、根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和正常熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的正常溫度載荷；根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和損壞熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的損壞溫度載荷；根據(jù)正常溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常溫度；根據(jù)損壞溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞溫度；
[0011]D、將艙段有限元模型的類型調(diào)整為應(yīng)力類型，加載正常溫度載荷、損壞溫度載荷、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的應(yīng)力參數(shù)和材料屬性；根據(jù)正常溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力；根據(jù)損壞溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力；
[0012]E、根據(jù)艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力和損壞應(yīng)力，確定LNG加注躉船艙室的構(gòu)件是否需要進(jìn)行優(yōu)化。
[0013]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟A中所述艙段有限元模型包括橫艙壁、底板、甲板、底縱桁、甲板縱桁和舷側(cè)縱桁。
[0014]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟A中所述正常工況參數(shù)和損壞工況參數(shù)均包括空氣溫度、水溫度和風(fēng)速。
[0015]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟B中所述材料屬性包括材料密度、材料厚度和材料強(qiáng)度。
[0016]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟D中所述應(yīng)力參數(shù)包括密度、剛度系數(shù)和泊松比。
[0017]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟E包括以下步驟:判斷艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力是否在正常應(yīng)力以上，若是，確定LNG加注躉船艙室的構(gòu)件需要進(jìn)行優(yōu)化，否則確定LNG加注躉船艙室能夠安全使用。
[0018]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟E中所述LNG加注躉船艙室的構(gòu)件需要進(jìn)行優(yōu)化包括以下步驟:需要提高LNG加注躉船艙室的構(gòu)件的強(qiáng)度、需要更換LNG加注躉船艙室的構(gòu)件或者需要維修LNG加注躉船艙室的構(gòu)件。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0020]本發(fā)明的工作原理如下:
[0021](I)本發(fā)明取LNG加注躉船艙室的四分之一構(gòu)建艙段有限元模型，根據(jù)定義的溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和正常熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的正常溫度載荷；根據(jù)正常溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力。根據(jù)定義的溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和損壞熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的損壞溫度載荷；根據(jù)損壞溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)中儲罐和區(qū)域內(nèi)艙室不穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)相比，本發(fā)明將艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力和損壞應(yīng)力進(jìn)行比較，能夠確定LNG加注躉船艙室是否安全，進(jìn)而即時優(yōu)化LNG加注躉船艙室的構(gòu)件，保證LNG加注躉船艙室的安全。
[0023](2)本發(fā)明的溫度應(yīng)力參數(shù)包括水對外底板的對流換熱系數(shù)、水對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、LNG加注躉船儲罐的貨物溫度；溫度應(yīng)力參數(shù)較少，進(jìn)而減少溫度載荷的計(jì)算量，簡化溫度和應(yīng)力的計(jì)算過程，使用比較方便。

【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明實(shí)施例中的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，包括以下步驟:
[0026]S1:將LNG加注躉船艙室平均分成四等份，取LNG加注躉船艙室的四分之一作為研究對象，構(gòu)建艙段有限元模型。艙段有限元模型包括完整的橫艙壁、船底至甲板的所有構(gòu)件(底板和甲板)、船中至舷側(cè)的左右構(gòu)件(底縱桁、甲板縱桁和舷側(cè)縱桁)。
[0027]S2:采集LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時的正常工況參數(shù)、以及LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時的損壞工況參數(shù)，正常工況參數(shù)和損壞工況參數(shù)均包括空氣溫度、水溫度和風(fēng)速。
[0028]S3:定義溫度應(yīng)力參數(shù)，溫度應(yīng)力參數(shù)包括水對外底板的對流換熱系數(shù)、水對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、LNG加注躉船儲罐的貨物溫度。
[0029]S4:將艙段有限元模型的類型設(shè)置為溫度類型；加載溫度應(yīng)力參數(shù)、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的材料屬性(材料強(qiáng)度、材料密度、材料厚度等)、LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時艙段有限元模型的正常熱傳導(dǎo)率、LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時艙段有限元模型的損壞熱傳導(dǎo)率。
[0030]S5:根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和正常熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的正常溫度載荷；根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和損壞熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的損壞溫度載荷。
[0031]S6:根據(jù)正常溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常溫度；根據(jù)損壞溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞溫度。
[0032]S7:將艙段有限元模型的類型調(diào)整為應(yīng)力類型，加載正常溫度載荷、損壞溫度載荷、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的應(yīng)力參數(shù)(密度、剛度系數(shù)、泊松比等)和材料屬性。
[0033]S8:根據(jù)正常溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力；根據(jù)損壞溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力。
[0034]S9:對艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力和損壞應(yīng)力進(jìn)行比較，判斷艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力是否在正常應(yīng)力以上，若是，確定LNG加注躉船艙室的構(gòu)件需要進(jìn)行優(yōu)化(提高構(gòu)件強(qiáng)度、更換或維修構(gòu)件等)，否則確定LNG加注躉船艙室能夠安全使用。
[0035]本發(fā)明的工作原理如下:
[0036]LNG加注躉船儲罐艙區(qū)一般為雙層底，LNG躉船存儲運(yùn)營時，船體外殼水線以下部分會與海水進(jìn)行對流換熱；船體外殼水線以上部分會與空氣進(jìn)行對流換熱；船體板材之間會傳導(dǎo)換熱；艙室外壁與船體殼體、船體縱、橫向桁材會構(gòu)成多個封閉的空腔。由于艙室外壁與船體外殼的溫差存在自然對流換熱，因此，計(jì)算LNG加注躉船的溫度和應(yīng)力，屬于一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱與自然對流換熱相互耦合的復(fù)雜傳熱問題。在溫度和應(yīng)力的研究計(jì)算過程中，需要合理的加載溫度應(yīng)力參數(shù)，以便減少計(jì)算量。
[0037]考慮到LNG加注躉船艙室的對稱性，本發(fā)明取LNG加注躉船艙室的四分之一構(gòu)建艙段有限元模型；計(jì)算艙段有限元模型中各個構(gòu)件的溫度時，僅需要考慮熱傳遞而忽略熱輻射的影響，考慮的熱傳遞的因素包括低溫貨物以自然對流方式傳遞熱量(即貨物溫度)、舷邊艙內(nèi)空氣以對流方式與甲板換熱(即舷邊艙內(nèi)空氣對甲板的對流換熱系數(shù))、舷邊艙內(nèi)空氣以對流方式與舷側(cè)外板換熱(即舷邊艙內(nèi)空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù))、外界空氣和水強(qiáng)迫對流方式與甲板進(jìn)行熱交換(即水對甲板的對流換熱系數(shù)和空氣對甲板的對流換熱系數(shù))、外界空氣和水以強(qiáng)迫對流方式與舷側(cè)外板進(jìn)行熱交換(即水對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)和空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù))和結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞，對于雙層底內(nèi)空氣與內(nèi)底板、外底板之間不發(fā)生對流換熱。
[0038]下面通過I個實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的方法。
[0039]本實(shí)施例中的LNG加注躉船的總長為90.00m，其型寬為18.0m、型深為4.20m，吃水深度為2.65m ；LNG加注躉船的主甲板上安裝有2個250m3LNG儲罐。
[0040]將LNG加注躉船艙室平均分成四等份，取LNG加注躉船艙室的四分之一構(gòu)建艙段有限元模型。
[0041]采集LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時的正常工況參數(shù)、以及LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時的損壞工況參數(shù)。正常工況參數(shù)的空氣溫度為28°C、水溫度為29°C，風(fēng)速為20km/h，損壞工況參數(shù)的空氣溫度為28°C、水溫度為29°C，風(fēng)速為20km/h。
[0042]將水對外底板的對流換熱系數(shù)、水對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)均定義為8606w/(m2.V);將空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)均定義為23.3w/(m2 *°C);將舷邊艙內(nèi)空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對甲板的對流換熱系數(shù)均定義為1w/(m2.V ) ^fLNG加注躉船儲罐的貨物溫度定義為恒溫-163°C。
[0043]將艙段有限元模型的類型設(shè)置為溫度類型；加載溫度應(yīng)力參數(shù)、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的材料屬性、LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時艙段有限元模型的正常熱傳導(dǎo)率、LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時艙段有限元模型的損壞熱傳導(dǎo)率。
[0044]根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和正常熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的正常溫度載荷；根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和損壞熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的損壞溫度載荷。
[0045]根據(jù)正常溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常溫度；根據(jù)損壞溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞溫度。
[0046]參見表1所示，艙段有限元模型中底板的正常溫度為28.9°C，損壞溫度為28.7V;底縱桁的正常溫度為24.9°C，損壞溫度為23.10C ;甲板的正常溫度為27.4°C，損壞溫度為26.9°C ;甲板縱桁的正常溫度為23.4°C，損壞溫度為21.1°C ;橫艙壁的正常溫度為24.8°C,損壞溫度為24.3 0C ;舷側(cè)縱桁的正常溫度為27.5°C，損壞溫度為27.(TC。
[0047]表1艙室各構(gòu)件的溫度分布表(V )

【權(quán)利要求】
1.一種LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于，包括以下步驟: A、將LNG加注躉船艙室平均分成四等份，取LNG加注躉船艙室的四分之一構(gòu)建艙段有限元模型；采集LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時的正常工況參數(shù)、以及LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時的損壞工況參數(shù)； B、定義溫度應(yīng)力參數(shù)，溫度應(yīng)力參數(shù)包括水對外底板的對流換熱系數(shù)、水對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對舷側(cè)外板的對流換熱系數(shù)、舷邊艙內(nèi)空氣對甲板的對流換熱系數(shù)、LNG加注躉船儲罐的貨物溫度； 將艙段有限元模型的類型設(shè)置為溫度類型；加載溫度應(yīng)力參數(shù)、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的材料屬性、LNG加注躉船儲罐絕熱層完好時艙段有限元模型的正常熱傳導(dǎo)率、LNG加注躉船儲罐絕熱層損壞時艙段有限元模型的損壞熱傳導(dǎo)率； C、根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和正常熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的正常溫度載荷；根據(jù)溫度應(yīng)力參數(shù)、材料屬性和損壞熱傳導(dǎo)率，計(jì)算得到艙段有限元模型的損壞溫度載荷；根據(jù)正常溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常溫度；根據(jù)損壞溫度載荷計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞溫度； D、將艙段有限元模型的類型調(diào)整為應(yīng)力類型，加載正常溫度載荷、損壞溫度載荷、艙段有限元模型中各個構(gòu)件的應(yīng)力參數(shù)和材料屬性；根據(jù)正常溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力；根據(jù)損壞溫度載荷、應(yīng)力參數(shù)和材料屬性，計(jì)算得到艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力； E、根據(jù)艙段有限元模型中各個構(gòu)件的正常應(yīng)力和損壞應(yīng)力，確定LNG加注躉船艙室的構(gòu)件是否需要進(jìn)行優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于:步驟A中所述艙段有限元模型包括橫艙壁、底板、甲板、底縱桁、甲板縱桁和舷側(cè)縱析。
3.如權(quán)利要求1所述的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于:步驟A中所述正常工況參數(shù)和損壞工況參數(shù)均包括空氣溫度、水溫度和風(fēng)速。
4.如權(quán)利要求1所述的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于:步驟B中所述材料屬性包括材料密度、材料厚度和材料強(qiáng)度。
5.如權(quán)利要求1所述的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于:步驟D中所述應(yīng)力參數(shù)包括密度、剛度系數(shù)和泊松比。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于，步驟E包括以下步驟:判斷艙段有限元模型中各個構(gòu)件的損壞應(yīng)力是否在正常應(yīng)力以上，若是，確定LNG加注躉船艙室的構(gòu)件需要進(jìn)行優(yōu)化，否則確定LNG加注躉船艙室能夠安全使用。
7.如權(quán)利要求6所述的LNG加注躉船罐區(qū)艙室溫度及應(yīng)力的有限元分析方法，其特征在于:步驟E中所述LNG加注躉船艙室的構(gòu)件需要進(jìn)行優(yōu)化包括以下步驟:需要提高LNG加注躉船艙室的構(gòu)件的強(qiáng)度、需要更換LNG加注躉船艙室的構(gòu)件或者需要維修LNG加注躉船艙室的構(gòu)件。
【文檔編號】G06F19/00GK104200064SQ201410388863
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】余祥虎, 沈強(qiáng), 羅軍, 黃斌, 毛雁兵 申請人:武漢武船重型裝備工程有限責(zé)任公司