大型液化天然气船超低温作用下结构安全问题研究

【摘要】： 大型LNG船具有航速高、结构复杂、航行海域广和装载工况多样的特点,为确保船舶航行安全需要克服LNG超低温和晃荡载荷的作用。薄膜型货舱是目前主流的LNG船围护系统,其技术专利还都掌握在少数造船强国手中,提高液化天然气船自主研发水平是保障我国能源安全的切实需要。 本论文以工程实际运用为研究背景,考虑漫长服役期中可能出现的各种海洋环境、潜在的事故工况等,对大型LNG船体结构在超低温作用下的安全性问题展开研究:分析了超低温作用下船舶系统的热传递问题,评估了材料性能随温度的非线性变化对结构强度计算的影响,研究了多种环境下船体结构强度问题,预报了LNG船潜在的事故工况及对结构强度的危害,分析了超低温、晃荡联合作用对LNG船结构强度的影响。论文开展的主要工作如下: (1)简要介绍了天然气产业现状、LNG海运市场潜力、LNG船技术难点、课题意义等,并针对LNG船结构安全研究所涉及的不同学术领域,介绍了目前国内外主要科研成果和研究进展。 (2)提出了采用等效对流换热耦合系数来模拟船体内外壳之间热传递的思路。分析了多个环境温度下典型局部船舶系统的热传递规律,计算了船体内壳温度、封闭空间的热对流系数,修正了环境变化、加筋等因素对热对流系数的影响,开发了用于模拟船体内外壳之间对流关系的专用计算模块,并研究了船体不同部位处的等效对流耦合系数,研究结果表明采用搜索等效对流耦合系数的方法可以较准确模拟船体内外壳之间空气的传热作用。 (3)提出了计及低温下材料非线性对LNG船结构热应力计算结果影响的修正方法。归纳总结了大量工程材料在温度变化情况下的极限强度、屈服强度、杨氏模量、热膨胀系数、导热系数等材料特性的变化规律,分析了影响LNG船强度计算的关键材料参数,采用非线性热-弹塑性耦合计算理论,对多工况下船体局部结构进行非线性分析,进而研究了材料温度非线性变化对结构强度计算结果的影响,回归得到线性热应力计算结果的修正公式。 (4)考虑了货舱内温度分布变化和环境温度变化,研究了超低温作用下LNG船结构温度场和热应力问题。基于对货舱围护系统的热分析,研究了装载工况对船舶货舱内温度的影响,计算了多装载工况下货舱内温度分布规律,并推导了不同装载工况下货舱内不同位置处的温度计算公式,以大型LNG船常见的装载工况为研究条件,计算了船舶压载、满载情况下船体温度场分布,在此基础上研究了船体热应力问题,并对最终计算结果进行材料温度非线性修正。 (5)假定了多种LNG船事故工况,研究了事故工况下的船体结构安全问题。根据货舱绝热层载荷、结构特点,分析了可能出现的局部绝热层失效形式,在此基础上假定了一系列潜在的事故工况,研究了绝热层失效对船体结构安全性的影响,模拟了LNG泄漏、超低温直接作用下船体结构响应问题,分析了参数变化对结构超低温响应的影响,并进一步研究了船体隔舱加热设备故障、薄膜损坏主绝热层失效等其他事故对船体结构安全的影响。 (6)基于货舱内液体晃荡模拟,研究了超低温和晃荡联合作用下船体结构安全问题。根据LNG船的自身特点及航行规律,选取了4种纵向变速晃荡激励条件,采用有限体积法(VOF),模拟了不同激励条件下满载、压载时货舱内液体的晃荡问题,并以特定激励条件下的液体晃荡、超低温为研究背景,分析了二者联合作用下的大型LNG船结构安全问题,评估了晃荡和超低温因素对结构强度的影响。 从理论和工程实际相结合的角度,论文针对LNG船服役期中超低温作用下可能面临的各种结构安全问题展开了深入研究,其研究方法、重要结论可以为我国自主研发LNG新船型、开发新型货舱围护系统提供有益参考。 【关键词】：液化天然气船 温度场 热应力 液体晃荡 结构强度分析
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：U674.924
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题研究的意义和背景11-13
• 1.2 船体结构温度场及热应力问题的研究现状13-19
• 1.3 论文的主要工作19-21
• 第二章 LNG 船局部传热解析计算及船体内外壳传热模拟21-41
• 2.1 LNG 船热传递问题简述及理论基础21-26
• 2.2 LNG 船封闭空间内热传递解析计算26-36
• 2.2.1 封闭空气传热计算26-29
• 2.2.2 环境温度和结构加强筋对空气传热效率的影响29-32
• 2.2.3 船舶热系统的简化处理32-36
• 2.3 LNG 船局部传热作用模拟计算工具36-40
• 2.3.1 专用计算模块开发36-38
• 2.3.2 船体各主要部位处等效对流换热耦合系数计算38-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 低温下材料的非线性对LNG 船强度影响分析41-60
• 3.1 LNG 船材料温度非线性研究意义及理论基础41-44
• 3.1.1 温度对材料力学性能的影响41-42
• 3.1.2 热弹性力学概述42-43
• 3.1.3 热弹性力学基本理论43-44
• 3.2 材料物性非线性因素分析44-49
• 3.2.1 温度对材料力学性能的影响44-47
• 3.2.2 温度对材料热力学性能的影响47-49
• 3.3 考虑材料温度非线性局部模型分析49-56
• 3.3.1 局部模型简化49-51
• 3.3.2 典型工况条件下局部模型计算结果51-54
• 3.3.3 不考虑材料温度非线性因素的局部模型计算结果54-56
• 3.4 材料温度非线性影响研究56-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 超低温作用下LNG 船结构强度分析60-88
• 4.1 LNG 船热分析边界条件处理60-68
• 4.1.1 二维货舱模型热分析60-62
• 4.1.2 货舱内温度分布计算62-65
• 4.1.3 货舱内温度规律推导65-67
• 4.1.4 LNG 船模型及热分析边界条件设定67-68
• 4.2 温度场计算68-76
• 4.2.1 主要部位温度场计算结果68-74
• 4.2.2 温度场计算结果分析74-76
• 4.3 热应力计算76-87
• 4.3.1 主要部位热应力计算结果77-84
• 4.3.2 热应力计算结果分析84-87
• 4.4 本章小结87-88
• 第五章 货舱围护系统事故工况下LNG 船结构安全研究88-117
• 5.1 绝热层结构特性分析及绝热层局部失效假设88-93
• 5.1.1 绝热层结构分析88-90
• 5.1.2 绝热层失效模型假定90-91
• 5.1.3 绝热层局部失效情况下船舶热系统分析91-93
• 5.2 局部绝热层失效情况下船体温度场、热应力稳态分析93-100
• 5.2.1 失效模式A 情况下结构分析93-94
• 5.2.2 失效模式B 情况下结构分析94-96
• 5.2.3 失效模式C 情况下结构分析96-97
• 5.2.4 失效模式D 情况下结构分析97-100
• 5.3 超低温直接作用下结构非线性响应分析100-106
• 5.3.1 非线性计算局部模型及材料属性设定100-102
• 5.3.2 超低温直接作用下船体结构响应研究102-104
• 5.3.3 结构响应要素分析104-106
• 5.4 其他事故情况下温度场、热应力分析106-116
• 5.4.1 隔舱加热器故障情况106-111
• 5.4.2 主绝热层完全失效情况111-116
• 5.5 本章小结116-117
• 第六章 超低温和晃荡联合作用下 LNG 船结构强度研究117-143
• 6.1 液体晃荡研究117-135
• 6.1.1 液体晃荡问题描述117-118
• 6.1.2 计算模型及边界条件设定118-119
• 6.1.3 数值模拟119-135
• 6.2 超低温和晃荡联合作用下船体强度计算135-142
• 6.2.1 边界条件135-137
• 6.2.2 忽略超低温、晃荡作用下船体强度计算137-138
• 6.2.3 超低温和晃荡联合作用下船体强度计算结果138-140
• 6.2.4 超低温、晃荡对船体结构强度影响分析140-142
• 6.3 本章小结142-143
• 第七章 总结与展望143-147
• 7.1 全文总结143-144
• 7.2 论文主要创新点144-145
• 7.3 研究展望145-147
• 参考文献147-162
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文162-163
• 致谢163-165

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