大型液化天然氣船超低溫作用下結(jié)構(gòu)安全問題研究.pdf

1、大型LNG船具有航速高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、航行海域廣和裝載工況多樣的特點(diǎn)，為確保船舶航行安全需要克服LNG超低溫和晃蕩載荷的作用。薄膜型貨艙是目前主流的LNG船圍護(hù)系統(tǒng)，其技術(shù)專利還都掌握在少數(shù)造船強(qiáng)國手中，提高液化天然氣船自主研發(fā)水平是保障我國能源安全的切實(shí)需要。
　　 本論文以工程實(shí)際運(yùn)用為研究背景，考慮漫長服役期中可能出現(xiàn)的各種海洋環(huán)境、潛在的事故工況等，對(duì)大型LNG船體結(jié)構(gòu)在超低溫作用下的安全性問題展開研究：分析了超低溫作用下船

2、舶系統(tǒng)的熱傳遞問題，評(píng)估了材料性能隨溫度的非線性變化對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的影響，研究了多種環(huán)境下船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，預(yù)報(bào)了LNG船潛在的事故工況及對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危害，分析了超低溫、晃蕩聯(lián)合作用對(duì)LNG船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。論文開展的主要工作如下：
　　 (1)簡要介紹了天然氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、LNG海運(yùn)市場潛力、LNG船技術(shù)難點(diǎn)、課題意義等，并針對(duì)LNG船結(jié)構(gòu)安全研究所涉及的不同學(xué)術(shù)領(lǐng)域，介紹了目前國內(nèi)外主要科研成果和研究進(jìn)展。
　　 (2)

3、提出了采用等效對(duì)流換熱耦合系數(shù)來模擬船體內(nèi)外殼之間熱傳遞的思路。分析了多個(gè)環(huán)境溫度下典型局部船舶系統(tǒng)的熱傳遞規(guī)律，計(jì)算了船體內(nèi)殼溫度、封閉空間的熱對(duì)流系數(shù)，修正了環(huán)境變化、加筋等因素對(duì)熱對(duì)流系數(shù)的影響，開發(fā)了用于模擬船體內(nèi)外殼之間對(duì)流關(guān)系的專用計(jì)算模塊，并研究了船體不同部位處的等效對(duì)流耦合系數(shù)，研究結(jié)果表明采用搜索等效對(duì)流耦合系數(shù)的方法可以較準(zhǔn)確模擬船體內(nèi)外殼之間空氣的傳熱作用。
　　 (3)提出了計(jì)及低溫下材料非線性對(duì)LNG船

4、結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果影響的修正方法。歸納總結(jié)了大量工程材料在溫度變化情況下的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等材料特性的變化規(guī)律，分析了影響LNG船強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵材料參數(shù)，采用非線性熱.彈塑性耦合計(jì)算理論，對(duì)多工況下船體局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，進(jìn)而研究了材料溫度非線性變化對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的影響，回歸得到線性熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的修正公式。
　　 (4)考慮了貨艙內(nèi)溫度分布變化和環(huán)境溫度變化，研究了超低溫作用下LNG船

5、結(jié)構(gòu)溫度場和熱應(yīng)力問題。基于對(duì)貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的熱分析，研究了裝載工況對(duì)船舶貨艙內(nèi)溫度的影響，計(jì)算了多裝載工況下貨艙內(nèi)溫度分布規(guī)律，并推導(dǎo)了不同裝載工況下貨艙內(nèi)不同位置處的溫度計(jì)算公式，以大型LNG船常見的裝載工況為研究條件，計(jì)算了船舶壓載、滿載情況下船體溫度場分布，在此基礎(chǔ)上研究了船體熱應(yīng)力問題，并對(duì)最終計(jì)算結(jié)果進(jìn)行材料溫度非線性修正。
　　 (5)假定了多種LNG船事故工況，研究了事故工況下的船體結(jié)構(gòu)安全問題。根據(jù)貨艙絕熱層載荷

6、、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了可能出現(xiàn)的局部絕熱層失效形式，在此基礎(chǔ)上假定了一系列潛在的事故工況，研究了絕熱層失效對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全性的影響，模擬了LNG泄漏、超低溫直接作用下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題，分析了參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)超低溫響應(yīng)的影響，并進(jìn)一步研究了船體隔艙加熱設(shè)備故障、薄膜損壞主絕熱層失效等其他事故對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全的影響。
　　 (6)基于貨艙內(nèi)液體晃蕩模擬，研究了超低溫和晃蕩聯(lián)合作用下船體結(jié)構(gòu)安全問題。根據(jù)LNG船的自身特點(diǎn)及航行規(guī)律，選取了4種

7、縱向變速晃蕩激勵(lì)條件，采用有限體積法(VOF)，模擬了不同激勵(lì)條件下滿載、壓載時(shí)貨艙內(nèi)液體的晃蕩問題，并以特定激勵(lì)條件下的液體晃蕩、超低溫為研究背景，分析了二者聯(lián)合作用下的大型LNG船結(jié)構(gòu)安全問題，評(píng)估了晃蕩和超低溫因素對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。
　　 從理論和工程實(shí)際相結(jié)合的角度，論文針對(duì)LNG船服役期中超低溫作用下可能面臨的各種結(jié)構(gòu)安全問題展開了深入研究，其研究方法、重要結(jié)論可以為我國自主研發(fā)LNG新船型、開發(fā)新型貨艙圍護(hù)系統(tǒng)提供有