薄膜型LNG船液舱晃荡载荷与结构响应研究

摘要

随着LNG船需求日益增长，LNG船越来越大型化，同时液舱晃荡问题也愈加引人关注。载液船舶在部分装载工况下航行，容易引起剧烈晃荡，晃荡表现出强非线性特点，产生的砰击压力脉冲峰值大，作用时间短，会对舱室的结构带来危害。本文基于粘性流理论，以流体的连续方程、N-S方程与结构动力学方程为控制方程，利用动力学软件ANSYS14.0，研究了气体体积脉动对晃荡载荷的影响、液舱晃荡耦合效应、对舱室围护结构进行了强度分析以及对泵塔结构上晃荡载荷的计算方法进行了研究。论文所完成的主要工作如下：
　　1)阅读大量关于液舱晃荡问题研究的文献报告，系统介绍了液舱晃荡问题所进行的研究的内容、方法以及相关结论，对国内外晃荡研究现状进行较为全面的综述；
　　2)建立液舱晃荡的数学模型，即流体运动基本方程，结构运动方程及边界条件。考虑纵向构件与横向构件对板的力学性能的影响，对弹性模量和板厚进行了等效计算；
　　3)设置气体密度属性为理想可压缩与不可压缩，分别模拟低装载与高装载状态下棱形液舱横荡运动，通过对比可压缩气体与不可压气体监测点压强时间历程，分析了气泡体积脉动对晃荡载荷的影响；
　　4)基于动力学软件ANSYS14.0建立了棱形舱室运动与液体晃荡双向耦合数值模型，通过对比监测点压强时间历程，分析了不同频率、不同板厚、不同幅值、不同材质对晃荡载荷的影响及不同监测点处压强变化特点；建立二维矩形液舱模型，将舱壁运动简化为单质点运动，利用纽马克法，结合形函数，用VC++语言编写舱壁变形运动的响应程序，分析柔性舱壁变形对晃荡压强的影响；
　　5)提取出70％D装载时数值仿真计算得到的最大晃荡载荷，利用相似定律将数值模型中晃荡压强转化为实尺寸液舱的晃荡压强；利用体单元建立了围护结构，分析了在均匀静压力下、五种不同边界约束条件下的围护结构的应力响应、屈曲载荷与失效模式，在此基础之上，结合流体弹性影响系数，对围护结构应力最大值达到失效应力时的载荷进行分析计算；
　　6)简化泵塔结构，分别模拟无泵塔装置与有泵塔装置液舱晃荡，对比不同深度处晃荡速度与载荷，分析泵塔管路对速度与晃荡载荷的影响及晃荡载荷在管路高度方向上分布；假定泵塔管路温度分布，利用 ANSYS软件中结构分析模块来确定泵塔管路在重力、温度、晃荡力联合作用下的结构应力。

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第1章 绪 论

1 .1 课题研究的背景及意义

1 .2 国内外研究现状

1.3 LNG船特点

1 .4 尚需开展的工作

1 .5 本文主要工作

第2章 弹性液舱晃荡的数学模型及数值解法

2 .1 引言

2 .2 弹性液舱晃荡的数学模型

2 .3 数值解法

2 .4 本章小结

第3章 液舱晃荡双向耦合数值模拟方法

3 .1 流固双向耦合计算方法

3 .2动网格设置方法

3 .3液舱模型简化

3 .4本章小结

第4章 气体体积脉动对晃荡载荷的影响

4 .1 引言

4 .2 气泡体积脉动方程及壁面对脉动气泡运动的影响

4.3利用VOF法分析气泡体积脉动

4 .4 数值模拟

4 .5本章小结

第5章 液舱晃荡耦合数值模拟

5 .1 引言

5 .2 液舱晃荡数值模拟

5 .3 液舱晃荡耦合分析

5 .4 本章小结

第6章 围护结构强度分析

6 .1 引言

6.2 LNG液舱晃荡数值模拟

6 .3晃荡压力转换

6 .4 围护结构有限元分析

6 .5 本章小结

第7章 泵塔晃荡载荷的计算

7 .1 引言

7 .2 泵塔载荷分类

7 .3 数值模拟

7 .4 泵塔结构有限元模型计算

7 .5 本章小结

第8章 总结

8 .1 总 结

8 .2 展 望

参考文献

攻读学位期间发表的学位论文

致谢