LNG船液货舱温度及应力场有限元分析研究

摘要

天然气是一种非常重要的资源，它燃烧清洁，污染小，通常生产与输送成本低廉。其储量十分巨大，在将来将成为世界上主要能源。 LNG贸易量的不断增长使得LNG的运输成了目前急需解决的问题，LNG船舶运输是天然气跨地区远洋运输最有效的方法，因此，LNG船的建造数量和运输频率在不断增加。为保证LNG在运输过程中的经济性和安全性，这就要求液货舱需长时间的维持在-163℃。LNG船能够经受住长时间低温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LNG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。 本文首先介绍了LNG船温度及应力分析的研究背景和意义，回顾了国内外在此问题上的研究现状。简要介绍了天然气的性质和特点，对LNG船的船型和液货舱系统和绝热系统进行了综述，包括建造方法和建造材料，对不同船型进行了分析比较。从热传导的基础知识出发，对温度场及温度应力问题的基本概念和有限元计算原理进行了较为详细的介绍和总结。然后利用有限元方法计算了满载液货时的LNG船液货舱温度场及温度应力分布。计算过程是以一艘147000m3薄膜型LNG船为模型，利用大型通用有限元分析软件ANSYS对其1/4个液舱段进行建模，施加边界条件和载荷，计算了液舱绝热层殷钢膜主屏壁绝热膜完好和殷钢膜主屏壁绝热膜破损2种工况下，液舱温度及温度应力分布情况。研究了液货舱因内外温差巨大而产生的局部不均匀温度场，以及由不均匀温度场引起的液舱结构温度应力分布及变化，探讨其对船体强度的影响。得出以下结论：(1)殷钢膜主屏壁绝热膜破损时，液舱温度分布不能满足LNG日蒸发率小于0.15％的要求；(2)液舱温度梯度与温度应力成正比；(3)甲板，底板等构件受温度载荷的影响较大，应该适当将板加厚： 本文的研究工作对薄膜型LNG船的设计和满载情况分析具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2课题的研究意义及价值

1.3国内外研究现状

1.4本论文的主要工作和采用的方法

第2章 LNG及LNG船综述

2.1 LNG的定义及其特性

2.2天然气液化的主要方法

2.3 LNG船的应用发展及其技术特征

2.4本章小结

第3章 LNG船液货舱系统分析

3.1现有液货舱系统的分析

3.1.1独立球型(MOSS型)

3.1.2薄膜型(GTT型)

3.2两种主要液货舱舱型的对比

3.3液货舱绝热与传热分析

3.3.1绝热材料

3.3.2传热分析

3.4本章小结

第4章 温度场计算原理及液货舱温度分布计算

4.1温度场和温度应力问题论述

4.2温度场的基本原理介绍

4.2.1热传导微分方程

4.2.2热传导理论中的定律与公式

4.2.3热力学的初始条件和边界条件

4.2.4热传导问题的解法

4.2.5有限元计算温度场

4.2.6稳态温度场的有限元计算方法

4.3薄膜型LNG船液货舱温度分布有限元分析

4.3.1薄膜型液货舱的传热分析

4.3.2有限元模型的建立

4.3.3计算工况

4.3.4温度场分析结果

4.4本章小结

第5章 液货舱温度应力的有限元计算分析

5.1温度应力的有限元计算过程

5.2薄板温度应力问题求解

5.2.1薄板温度弯曲问题的内力和挠曲微分方程

5.2.2薄板温度弯曲问题的有限单元法

5.3薄壳温度应力问题求解

5.4薄膜型LNG船液舱温度应力有限元计算分析

5.4.1结果分析

5.4.2局部应力及位移分析

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文