LNG船液货舱温度及应力场有限元分析研究

1、武汉理工大学硕士学位论文LNG船液货舱温度及应力场有限元分析研究姓名：余祥虎申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：胡勇20090501武汉理工大学硕士学位论文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。贸易量的不断增长使得的运输成了目前急需解决的问题，船舶运输是天然气跨地区远洋运输最有效的方法，因此，船的建造数量和运输频率在不断增加。为保证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一。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。因此对船进行专

2、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船液货舱温度场及温度应力分布。计算过程是以一艘薄膜型船为模型，利用大型通用有限元分析软件对其个液舱段进行建模，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

3、好和殷钢膜主屏壁绝热膜破损种工况下，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：（）殷钢膜主屏壁绝热膜破损时，液舱温度分布不能满足同蒸发率小于的要求；（）液舱温度梯度与温度应力成正比；（）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船的设计和满载情况分析具有一定的参考价值。关键词：船；有限元分析；温度场；温度应力；软件武汉理大学硕士学位论文，。，：（）武汉理工大学硕士学位论文，；（）（），：；独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师

4、指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生（签名）：盆让同期：弓学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉

5、理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：蛳导师（签名）：胁卫武汉理：亡大学硕士学位论文第章绪论作为世界能源三大支柱之一的天然气，是当今世界能源消耗中的重要组成部分。近几十年来，由于石油危机的冲击和煤炭、石油带来的环境污染问题日益突出，天然气作为一种高热值、清洁无污染的新型能源，在许多发达国家已经广泛应用于工业生产和市政民用。而我国虽然拥有丰富的天然气资源，但都与经济发达的地区距离较远。随着国际能源市场对天然气的需求每年以的速度增长，对天然气的开发利用越来越受到人们的重视。许多国家已经把天然气作为和石油一

6、样具有战略意义的能源之一，积极进行产业结构的调整，使得天然气在常规能源消费构成中的比重不断上升。在发达国家，天然气消费已占到了左右。目前液化天然气已经成为我国需求量增长最快的能源产品，年均增长速度达到。尽管近年来我国液化天然气产量的年均增长幅度达到，仍不能满足市场需求，不得不大量依靠进口，这使得我国成为亚太地区最大的液化气买主之一。由于以液态来贮存和运输天然气具有很高的经济性、灵活性等优点，同时在天然气贸易中又主要依靠海运，所以液化天然气（）船舶得到了飞速的发展。随着中国能源结构的调整，进口量的大幅度增长，必将进一步促进我国船建造和运输业的发展【】。可见，发展液化天然气的海上运输对于解决我国能

7、源结构的不合理现象、保护生态环境以及加快国民经济发展具有极其深远的意义。研究背景的运输问题，特别是以海运这种方式来实现的运输具有很大的特殊性和难度。由于液化天然气在标准大气压下的沸点低达，仅就运输低温液货这一特点而言，液化天然气船是一种高技术、高难度、高附加值的船舶。在国外，液化天然气船的设计、建造和营运技术已经相当的成熟。发展大型、高技术、高附加值船舶业已成为世界船舶航运市场竞争的焦点和热点。多年来，我国造船界和航运界都一直在关注、酝酿和研讨发展液化天然气运输船。交通部己经把“高技术性能船舶设计制造工程”项目列为十二大高技术工程项目之一，武汉理工大学硕学位论文将船列为该项目中的主要新船型之一

8、。在十五规划中也提出：远洋、沿海船舶要向大型化、专业化方向发展，重点发展液化气船，特别是液化天然气船、大型散货船、大型油轮、集装箱船、滚装船。可以预见，船的发展前景令人看好】【。中国作为世界上的造船大国，在船的设计和建造上还一直都处于跟踪和模拟国外先进技术的阶段。相关的科研院所也只是做了些基础性的理论研究工作。虽然江南造船集团早在年就设计和制造了我国第一艘液化石油气（）船，并且到目前为止已经建造了艘这样的船舶。但由于船的技术要求和建造难度要比船高很多，所以至今船技术在我国还处于一个比较落后的阶段。目前，其关键技术主要是集中于液货舱的围护系统及其绝热性能上。因为液货舱围护系统结构性能的好坏直接影

9、响到船舶航运的安全性和经济性。世界上许多造船企业花费了大量的财力和物力对液货舱的围护系统进行研究和开发，获得了专利。并得到了广泛的应用，在船市场中占据了绝大多数的份额。因此，要使我国的船技术能达到国际先进水平并参与国际天然气贸易的竞争就必须对船液货舱围护系统进行必要的跟踪研究，为研究开发具有自己专利的船液货舱围护系统创造条件。鉴于现阶段的实际，首先我们要做的是：对船液货舱围护系统进行全面、详细、深入的调查研究，对它们的优缺点和发展前景进行综合分析与比较。本论文是结合船建造技术特点，主要针对船液货舱的围护系统从结构、构造材料、绝热性能和液舱温度分布及应力等几个方面进行了系统分析和比较。并以薄膜型

10、船【】液货舱作为母船船型对其进行了有限元传热分析与计算，并在特定条件下做了定性和定量分析，同时用对液舱进行了建模并进行理论分析研究，从热传导理论知识出发，详细论述了温度场和温度应力的有限元计算方法，并利用有限元程序进行计算。得出了薄膜型船在满载航行时液货舱的温度分布情况和温度应力分布，并得出了一些计算数据。课题的研究意义及价值船舶在海洋中航行，所受的外力是十分复杂的。这些外力除了船舶所载货物及其他装备的重量外，还包括：水压力、波浪动压力、冲击力以及船舶在运武汉理大学硕士学位论文动中的惯性力等等。在考虑船体强度时，把船舶整体当作一根梁置于静水中或波浪上，计算船舶在纵向分布的重力与浮力作用下的弯曲

11、变形与应力，可以分析出船体受力和变形的主要特征，这种将船作为一整体来研究的强度问题就叫做船体的总纵强度问题或总强度问题，它是船体强度校核的重要方面。除了总强度外，船体的横向构件（如横梁、肋骨、肋板等）及船体的局部构件（如船底板及船底纵桁）也会因局部载荷过大而发生大的变形或破坏，因此同样需要研究这些横向构件或局部构件的强度问题。这类问题通常称为横向强度问题或局部强度问题。除此之外，当船体结构或构件因温度变化发生变形时，由于受到各种约束不能自由变形或者存在温度梯度，结构及构件中就会产生热应力。以往的研究表明，温度应力对船体的总体应力水平及安全性有重要影响。通常来说，船体温度的变化和分布的不均匀性的

12、原因之一是阳光的照射以及水与空气的温差，船体甲板和水面以上的舷侧板，在阳光照耀下温度有时升至，而外底板和水面以下的舷侧板处于海水中，温度可能保持在左右，故船体结构在环境的影响下会产生不均匀的温度场。在船体结构强度分析中，通常将这种因素引起的温度效应作为不确定因素隐含在许用应力或安全系数中，而不做专门的考虑。导致温度应力的另一个重要的原因是装载货物的温度很高或很低，例如，液化天然气船装载的液货温度低达，而沥青船为了快速装卸，通常使沥青温度维持在以上。一般温度应力有一定的量级，一艘力吨级钢船在一昼夜温度改变之下，温度应力可达，高温货物造成的温度应力甚至会引起构件的局部屈服。温度应力还曾经是早期全焊

13、接船发生脆性断裂事故的直接原因之一。虽然在一般船舶设计中并不考虑温度应力，但是对于运输高温或低温货物的特种船舶（如船、化学品船等），由于温度梯度巨大并且持续时间长，就需要在设计中对温度应力加以考虑。船在满载运输货物时，液货舱温度通常需要持续保持在（左右，因此需要对运输低温货物的船考虑温度场和温度应力对液货舱及船体结构的影响，对其在低温载荷条件下进行专门的温度场和温度应力分析，给出船舶所能承受的低温载荷的极限强度，并在船设计和建造中予以重点考虑，使其满足整体强度要求，保证船舶正常服役过程中的安全，同时要考虑到长期低温环境对船舶结构和运输经济性的影响。只有考虑到了各方面的因素，我们才能更好的使船为

14、社会服务。武汉理大学硕士学位论文国内外研究现状船体强度是船舶设计过程中需要重点考虑的要点之一。船体梁理论提出以来就一直主宰着船体总强度分析。该理论把整艘船简化为一根直梁，将其静置于波浪上进行分析。然而，船舶的实际结构及其受力是相当复杂的，如存在着各种问断构件、不同的连接方式、货舱大开口、复杂的波浪载荷等，并且实际构件的受力是多种因素共同作用的结果，将其人为的分开计算会带来较大的误差。设计建造单位为了保证安全，不得不规定较大的安全系数，从而导致材料的浪费和建造与营运费用的增加。所以，船体梁理论是比较粗略和不完善的。目前，国内外主要发展以薄壁梁理论为基础的有限梁方法，即把船体离散为阶梯形薄壁梁段，

15、应用迁移矩阵法或一维有限元法进行计算。用经典薄壁梁理论推导出船体薄壁梁段的扭转刚度矩阵，采用一维有限元法求解，但这种方法未考虑不同剖面间的协调问题。应用修下的薄壁梁理论，用迁移矩阵法进行计算，并首次提出不同剖面间的协调准则，但这种方法没有考虑船体剖面的扭转与水平弯矩的耦合。也应用修下的薄壁梁理论，考虑了船体弯扭及轴向力，建立弯扭组合刚度矩阵，用一维有限元法求解，并在最小二乘法意义上保证不同剖面薄壁梁单元问的协调。目前，在前期设计阶段，薄壁梁理论仍起到一定的作用，但是，薄壁梁理论采用确定性的方法，仍存在一定的局限性，由于波浪载荷是随机的，这样船体各个部分的应力分布也应该满足一定的分布规律。随着计

16、算机软硬件技术的发展，将整艘船划分为有限元来进行分析的全船分析的有限元技术成为可能，通过大规模有限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确完善的方法。但由于其工作量很大、涉及许多因素，并且对计算机软硬件有较高的要求，故它的应用尚不广泛。相比其它载荷作用下的船体强度分析研究，船体的温度场及温度应力问题很长时间以来一直没有受到足够的重视。对于气温和阳光等自然环境引起的船体温度应力（如船舶甲板和船舷侧板温度应力）在进行船体结构设计分析时，通常是作为不确定因素包含在许用应力或安全系数当中，不作专门考虑。但对于各种特种船舶（如船）来说，船体温度应力问题就需要进行专

17、门的分析研究，不再适于用一个安全系数来简单的考虑。国内一些学者，在给定船体结构温度场条件下，对船体纵向构件热应力的武汉理工大学硕士学位论文计算建立了一般表达式，并对船体纵向构件热应力的计算与比较标准中的一些具体问题进行了论述。但由于船体结构较为庞大，边界条件也十分复杂，采用解析方法很难得到其准确的温度场及温度应力分布。对于船体结构的热结构耦合问题，解析方法更是难以解决。计算机及数值计算技术的发展使得有限元方法用于分析复杂边界条件和荷载条件下的大型结构成为可能。由于能够模拟几何形状复杂的结构并易于处理各种边界条件，有限元法已经成为解决复杂物理场问题的有效方法，是目前工程热应力分析中普遍采用的数值

18、计算方法。陈伯真、胡毓仁提出一种适于在船舶设计中使用的船体温度分布和温度应力的计算方法，该方法采用变剖面薄壁梁船体模型【，船体的温度分布根据热传导理论计算，船体的温度应力根据弹性理论处理平板温度应力问题的思想，并结合梁弯曲的有限元法计算。滕晓青、顾永宁分析了双壳型船体结构在运载高温液货时的温度场【】。胡毓仁，陈一帆对船球形液舱系统的温度应力进行了有限元分析【，分别用基于简化模型的解析方法和有限元数值方法，计算了货舱区域船体结构在特定液货温度下的温度场，同时根据温度场分析结果，对货舱区域舱段结构在温度载荷作用下的响应进行了有限元分析，并与货物压力、海水静动压力以及总纵弯矩作用下的响应特点做了比较

19、。其研究结果表明：对于热传递这种复杂的物理现象，即使采用大型程序进行分析，仍需要大量的简化和假设：高温货物大幅度增加船体构件纵向应力及板格内的横向应力，而且会加剧结构不连续处的应力集中，在船体强肋框横向强度校核中，必须计入温度载荷的影响；槽型舱壁具有良好的释放温度载荷的能力，有利于改善其自身强度，并减小对相连构件的作用。此后他们又运用通用非线性有限元程序对单壳双底货船舱段结构瞬念温度场和热应力进行了分析，得到了单壳双底货船舱段结构瞬态温度场和热应力的分布规律。结果表明，基于简化的解析分析可用于设计初期结构温度场的评估。国外少数发达国家在这方面己经具备了很成熟一套计算方法，其根据液货舱的温度及应

20、力分布设计的船技术及建造材料，并凭着其技术上的优势在国际市场占据了一席之地，拥有了自己的船队。目前，国外三大液货舱设计制造厂商都致力于提高船营运的安全性和经济性研究。然而，我国对船的核心技术即液货舱围护系统的设计与建造还处于非常落后的水平【。所以，我国航运业在经营和运输的方面的经验还很不足。目前，国内一些船厂已经有技术，有能力建造船，但国内建造船舶存在有许多困难和问题。在船液货舱温度及应武汉理大学硕士学位论文力场有限元分析研究上也很少。本论文的主要工作和采用的方法本文是在介绍船船型，液货舱系统和传热学及热应力知识的基础上，采用有限元程序，选用热分析单元，以一艘薄膜型运输船实船为研究对象，计算出

21、在满载航行时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种工况下，船体液货舱各部分的温度分布情况和日蒸发率。计算结果表明，船的热维护系统是有效的，并在计算液货舱温度分布的基础上有限元计算和分析温度应力的分布及对船体结构的影响，得出结论。综合论文的工作，主要采用的方法和工作步骤有以下几个方面（）介绍了液化天然气的性质和特点。研究了船的类型，船液货舱围护系统的建造，材料及其优点和缺点，并进行比较。（）详细论述和总结了温度场和温度应力分布的有限元计算方法。（）通过有限元软件对薄模型船舱段进行建模，施加边界条件，计算条件及载荷，进行温度场和热应力场计算。（）对计算结果进行分析研究，比较了热

22、应力在强度分析中所占的应力比重，得出结论。武汉理工大学硕士学位论文第章及船综述的定义及其特性天然气在标准大气压下，冷却至约一。时，由气态转变为液态，称为液化天然气（，缩写为）。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的，的重量仅为同体积水的左右。天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分是甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重质碳氢化合物，还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物。此外，在天然气成分中还发现含有水分。与其他化工燃料相比，天然气燃烧时仅排放少量的二氧化碳粉尘和极少量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物。因此，天然气是一种清洁的能源。纯净的是无色、无味、无毒和透明的液体，比水

23、轻，不溶于水。当其蒸汽温度高于一。时，比空气轻，货物泄漏时蒸气往上升，易于扩散，因此发生爆炸的危险性相对较轻。它的化学性质稳定，与空气、水及其他液化气货品在化学上相容，不会引起危险反应（与氯可能有危险反应）。液体会使人的眼睛和皮肤严重冻伤，高浓度的蒸气会使人晕眩困倦，可能会造成空间缺氧而使人窒息。天然气液化的主要方法一般来说，气体液化的目的，主要在于压缩体积，加大密度，增大装载量。因为在常温、常压下的气体状态运输需要庞大的运输设备，这既不方便又不经济。因此，为了能装载并运输更多的气体货物，常采用如下四种方法处理：使之溶解于液体（如水等）中；使之变为压缩气体；使之变为液化气；使之变为冷却固体；武

24、汉理工大学硕士学位论文目前天然气的处理方法为使之变为液化气，实践证明，将气体液化后进行运输既经济又安全，同时在技术上，该方法也已十分成熟。因此，气体液化有三种基本方法，即加压法、制冷法或两者并用。目前天然气液化采用的主要循环过程有【】：）串联蒸发冷凝循环它的原理是以单独组分，即丙烷、乙烯（或乙烷）和甲烷等制冷剂组成阶式循环，使整个制冷循环的不可逆损失降低。）混合制冷剂循环（）其原理与串联蒸发冷凝循环相同，但采用的制冷剂是由的碳氢化合物及氮等五种以上多组分混合制冷剂，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度位的制冷量，既达到类似串联蒸发冷凝循环的目的，又克服了串联蒸发冷凝循环压缩机型号多的缺点。

25、）膨胀机循环其原理是以一台或多台膨胀机对外作功，以产生在一个或多个温度位所需的冷量。船的应用发展及其技术特征液化天然气船（）是为载运在标准大气压下沸点为一。的大宗液化天然气货物的专用船舶。这类船舶目前的标准载货量在加万之间。一般它们在年船龄期内，从事专门的航行计划。表世界船舶统计表舱容（研）以下数量（艘）以上合计由于船所运输的货物具有低温、高压、易燃易爆、不易腐蚀、易发生化学相容等特性，所以建造船在材料、设备、工艺技术上除了要满足一般的国际规范外，还必须符合国际液化气和化学品装运的特殊要求。般建造一艘船大约需要三年，建造周期是油船或散货船的两倍。一艘标准的武汉理大学硕士学位论文船需要花费亿到亿

26、美元。综合起来，船的技术特征主要表现为以下两个方面（）液货舱的围护系统是由液货舱的主屏壁绝热层和次屏壁绝热层，绝热箱以及壁间空间和支撑结构组成，该围护系统对液货舱能起到防护绝热作用。鉴于特殊的理化性质，液货舱的围护系统及其相关设施长期处在低温条件下运行。这对它们的保冷、材质、防渗漏等诸方面要求极高。特别是液货舱的双重屏壁及其绝热系统的设计、制造技术复杂，难度大。可以看出，船是一种高科技、高含量、高附加值的船舶。（）液货舱必须要有非常良好的绝热性能。若有相当的漏热进入，则容易产生蒸发气。即使在绝热条件较好的情况下，液货舱的蒸发率也有每天。过多的蒸发气会使得液货舱内压力和温度升高，加剧液货的蒸发速

27、率。严重时还会对液货舱的结构造成损害。所以，对船液货舱围护系统绝热性能的要求较一般常规船舶更高和更严格。本章小结本章首先介绍了的定义、特殊的理化特性；气体液化的方法；进而从液化天然气的理化特性出发介绍了船的应用发展状况、技术特征。可以从整体上获得对和船的初步认识，为进行下一步的研究工作奠定了基础。武汉理工大学硕士学位论文第章船液货舱系统分析船作为一种大型越洋运输液化天然气的工具，是目前最有效的输送手段。市场上对船的需求不断提高，船市场前景被一致看好。本章主要介绍了几种船液货舱系统的建造材料，建造方法，绝热性等特点，并进行分析比较。现有液货舱系统的分析【】【】【】随着天然气市场需求的不断增长，世

28、界范围内投入使用的船的数量正逐年增加，为使船在运营过程中保证安全和效益，在船的建造过程中，对液货舱有严格的要求，目前使用较多的船型如下：独立球型（型）独立型液货舱：这类液货舱完全由自身支持，并不构成船体的一部分，也不分担船体强度。即船体与液货舱的结构是分别独立的，独立液货舱设置在船体的中央区。这样，液货舱的热膨胀变形，温度应力不会直接影响船体。因为液货舱承载着液货的重量，所以绝热材料不直接受液货的影响。液货舱载重全部由舱的支撑结构承受。为了防止的泄漏，该类型的液货舱需要设置次屏壁。该型系统的液货蒸气处所最大许用压力设计值为。球形液货舱几乎专门用于液化天然气船。它属于独立式液货舱。近年来建造的多

29、属这种型式。液货舱由¨个球形储罐组成。在建造时便于采用流水作业法和自动焊接。其结构如图所示。这种型式的液货舱在设计时已经对下述问题进行了可靠性试验和计算：）波浪负荷和船舶运动的加速度、剪应力、弯矩和扭矩；其它波浪负荷，即底部动压、球盖上的海水效应、舱内液体运动。）对舱与支撑裙间的连接，或赤道环这些重要部件进行了有限元分析和疲劳试验。）结构分析时计入了赤道区的温度应力、舱壳热应力、船壳的扭曲效应及武汉理工大学硕学位论文其对球和支撑裙的影响。舱和支撑裙在各种可预见负荷下的稳定性。）镍钢的疲劳特性，特别是在某应力范围内裂纹扩散的性质。这是整个设计方案的关键。图独立球型液货舱液舱液舱壳体保护

30、钢罩带绝热层的防溅屏壁压载水舱绝热层该型液货舱由挪威首创，年首次推出。其后，依次为美国、德国、同本、韩国和芬兰所采用，已建成的型液货舱的船舶总数居第一位。它的主屏壁（球体）为镍钢或铝合金，球体上的绝热材料为聚氨酯泡沫、酚醛泡沫和聚苯乙烯泡沫的隔热板块系统。整个球形舱由球赤道处的一个圆柱形筒裙支撑，液货的所有重量是通过液货舱板材的膜应力来承受，避免了应力集中，也使得舱壳所受的负荷最小。裙与船体支撑结构焊接并能吸收船体的扰曲变形。柔性裙可以吸收球的水平收缩，球壳本身不会承受过大的弯曲负荷。裙座的上半部使用与液货舱相同的材料，下半部采用低温钢。液货舱结构的底部安装了一个滴漏盘，把不可避免的液滴汇集回

31、收起来，以免四处溅湿。这种液货舱的优势在于压力式的液货舱不需要提供次屏壁，液面晃动效应少。由于液舱带压（），操作灵活，增加了安全性。紧急情况下，在装卸液货的任何阶段都能离港；在货物泵失灵的情况下，卸货的可能性也较好，并且卸货完后清舱也较简便。和传统的棱柱型液货舱相比，更适宜于低温货物，且结构简单，减少了金属材料的消耗量，从而降低了成本。从球形液货舱的结构和型式可知：该液舱允许任何程度的不满舱装载，而且绝热层易于检验和维修。但是它的不足之处在于：船上安装作业相对困难，货物容积效率低；且球形液货舱的上部伸出主甲板，满足盲区要求的难度加大。从热应力控制的角度看，液货舱内部温度的控制相对复杂；另外液货

32、的重心高，甲板有大开口，甲板结构不连续，使其对船体结构有很高的要求，板厚要比一般船体厚，以满足船体的总纵强度。武汉理工大学硕士学位论文薄膜型（型）薄膜型液货舱：这类液货舱的概念是基于非常薄的主屏壁薄膜，它是非自身支持的液舱，其整个重量是由绝热层通过船体予以支持。为安全起见，对于采用这种液货舱的船舶，要求有完整的双重结构。即除第一层主屏壁外，液货舱还要求有一个完整的次屏壁。其结构就是在船体内部设置绝热材料，液舱内壁覆盖金属薄膜，目的是减少低温盒属材料的用量。薄膜的作用是防止液货的泄漏，它不具备液货舱所具有的强度。目前，薄膜型船最具代表性的是法国的和型。）薄膜型液货舱（以下简称）薄膜型液货舱是由法

33、国开发，年首次推出，先后为美国和日本所用。其结构如图所示。这种薄膜型结构是棱型非自持式的双层屏壁，双层绝热。采用厚的薄膜波纹不锈钢作为主屏壁，波纹部分变形能吸收热伸缩的影响，可以避免产生热应力。第二层屏壁采用铝箔纤维加强板，绝热层材料为聚氨醋泡沫板。它的特点是第一层的不锈钢波纹板在低温作用下，能有效吸收收缩变形。第二层屏壁铝箔纤维加强板是为了降低船舶建造价格和提高船舶运输可靠性。图薄膜型液货舱主屏壁薄膜绝热层内壳压载水主屏壁不锈钢薄片规格为，薄片之间通过自动焊接在一起。建造时，首先将螺钉焊接在船壳上以固定的聚氨酯泡沫板。其后将聚氨酯泡沫板上涂上具有粘性的树脂绳，然后将板压在船壳上，以保证两者之

34、间紧密地粘贴在一起。板上的螺栓孔用聚氨酯塞满，板与板之间的空隙用纤维绝缘材料填满，这样就可以保证铺设铝箔纤维加强板隔膜之前绝武汉理工大学硕十学位论文缘体表面是平整的，有利于隔膜的密封性。铝箔纤维加强板与胶合板的胶接，需要采用不同的技术，同时由于这些胶接大多是人工操作，所以需要对工人进行专门的培训。铝箔纤维加强板隔膜层上将再粘结一层由胶合板贴边的聚氨酯泡沫板，然后将带皱褶的不锈钢薄片固定在聚氨酯泡沫板上，最后通过焊接形成一个密封的液舱。这种类型的液货舱到目前为止还没有因液货晃荡而造成损坏的记录，因此可以称之为较安全的薄膜型液货舱。）薄膜型液货舱（以下简称）薄膜型液货舱也是由法国开发，年首次推出。

35、先后为瑞典、比利时、意大利及韩国所采用，在已建成的船舶种类中居第二位。结构如图所示。它有两种型号的产品。第一种为箱型绝热系统，主屏壁与次屏均为厚镍钢（，殷钢），绝热材料为充满膨胀珍珠岩的胶合板箱。第二种为法国公司和美国公司共同开发的式薄膜型液舱。产品的主屏壁也为厚镍钢，它覆盖在厚的用作主绝热层渗有珍岩层压板壳的内冷表面上。内层同样采用殷钢，次屏壁覆盖在厚的渗有珍岩层压板壳的次绝热层上。珍珠岩经过硅化处理，使它不渗水和湿气。次屏壁的绝热材料为玻璃纤维增强型聚氨酯。与箱型绝热系统比较而言，开发的型薄膜舱提高了强度和绝热性能，降低了蒸发率。由于主屏壁采用到厚的殷钢，镍钢的使用量降低约，所以降低了产品

36、的成本，是最为经济的型式之一。本产品的绝热性能比较好，但是安装难度相对增加，相应增加了工人劳动量。图薄膜型液货舱压载水屏壁间处所殷钢主屏壁膜内壳殷钢次屏壁膜木箱绝热层由于薄膜型液舱采用了殷钢作屏壁，其线性热膨胀系数非常小，所以几武汉理：大学硕十学位论文乎没变形的影响。同薄膜型液舱相类似，薄膜型液舱也可以降低钢材的使用从而降低船舶建造成本，并能充分利用液货舱的容积。两者共同的特点是：船的主要尺寸较小、低温钢材用量少，低功率、燃料消耗低；可见度大，视觉宽广，船体受风面积少；设置完整的第二防漏隔层，对高级计算要求少，不需要复杂的温度应力计算。它们的优点是：由于内屏壁采用薄膜做成，高镍钢消耗少，从而减

37、轻了液货舱的结构重量，预冷的时间可以缩短。而且它们的内屏壁和绝热层体结构连接在一起，液货舱容积的利用率比自持式液货舱可提高。缺点是：结构复杂，全部液货舱的薄膜和绝热装置都要进行全面试验，包括在低温条件下周期性载荷和疲劳试验。由于不能完全正确估计到薄膜液货舱内每个部件的工况，薄膜液货舱的一些部件有时会产生裂缝。以上两者均设有完整的二级防漏隔层，以防液货泄漏，其专利属于法国燃气公司的子公司，燃气海上运输技术公司（）。两种主要液货舱舱型的对比）液货舱建造成本对比以日本建造的两艘不同舱型的船为例。球型舱在货舱区域，球与内壳之间和球与球之阃以及球与脂、船体之间都有很多的空问，所以整个船舶的容积利用率较低

38、。在两船具有相同的装载容积的条件下，使用球型液货舱不可避免地使船舶的尺度加大，因此必然会增加建造的成本。有资料表明：球型液货舱约比薄膜型液货舱的建造成本高出左右。另外，球形舱采用的低温金属材料的消耗量要远比薄膜型舱多。但近些年来，船东对货物低蒸发率的要求越来越强烈。在降低液货蒸发率方面，球形液货舱比薄膜液货舱所需费用低。）总体布置结构的对比球型舱的贮罐伸出占去甲板的大部分面积，货物管系只能安装在舱盖上，而且位置要高于集通管较多。管系的支撑区域受到限制。集通管也只能限制在贮罐之间的区域内。而薄膜型液货舱有一个宽广的甲板可以利用，因此甲板管系的布置和维修都非常理想。管系的设计易于做到在装卸货物之后

39、，靠其自身的重量作用，使自动流进舱内。另外，通岸接头的位置也有较大的调整余地，可以适应岸上较多的接收和贮存设备。武汉理工大学硕士学位论文在型线的设计方面，采用球型舱将使船舶型线的设计受到很大制约。而采用薄膜型舱由于其长度、宽度和深度均有较大的选择余地，设计者将易于设计出阻力和推进性能都非常良好的型线。）驾驶台视野的对比船与常规船不同，由于运载货物密度小（一般小于），即使在满载的条件下，与自身的尺寸相比，吃水也明显偏小。船与常规船在尺度相同的条件下，前者盲区要比后者大些。这种趋势在球形液舱的船上更加突出。以装载量为的船为例，薄膜型液舱在驾驶台视野方面具有非常明显的优势。球形舱的船盲区相对比前者增

40、加一倍以上，球形舱严重阻碍了驾驶台的视野，虽然在艏部设置了了望设备可以从某种程度上改善视野，但在航行时仍需倍加小心。）航向稳定性的对比众所周知，航向的稳定性对于船舶航行安全来说是十分重要的。船与常规船舶相比，要使船舶具有良好的回转性能，则需要更大的舵叶面积。而航向稳定性和回转性是船舶操纵中同矛盾的两个对立方面，正因为如此，船的航向稳定性更容易出现问题，更应该引起设计者足够的重视。根据研究发现，在把球型舱和薄膜型舱的船在受风情况下的航向稳定性做了对比，结果是薄膜型液货舱船的操纵性能要比球型液货舱船好。在慢速通过狭窄航道和进出港口时，船的操纵性能是必须注意的一个问题。在低速航行时将会使得舵效急剧下

41、降，在强风作用下，有失控的危险。当然在较大受风面积的情况下，船则更具有危险性。）防碰撞和底部磨损能力对比为了防止船舶的碰撞和底部磨损，国际海事组织在（国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则）中对液货舱的位置做出了具体规定，并要求船必须是双底双壳结构。因此，可以说两种不同舱型液货舱船对底部磨损而言都是足够安全的。直到目前为止，船还没有因为底部磨损而使液货舱遭到破坏的记录。对于船大范围的碰撞，不论是薄膜型舱还是球型舱都不能认为是安全的。因为就现阶段的技术发展而言，还不能准确、具体地掌握碰撞的物理过程。但是一些已经生效的公约和规则中规定：载有危险货物的船舶（例如船等），不允许在夜间进出港口；不允许夜

42、间在狭窄航道航行；正常进出港或在狭窄航道航行时，要有航速限制等要求。所以可以认为，武汉理工大学硕士学位论文船同大尺寸的船舶产生大范围碰撞的可能性很小。但比较而言，采用薄膜型舱的船要比采用球形舱的船有一定的优势。原因如下：其一是球型舱船的甲板开口面积很大，抗扭强度低于完全是双壳体结构（包括甲板、舷侧和底部）的薄膜型液货舱船。所以，抵抗底部磨损的能力也相应的低一些。其二是球形舱船具有相对较大的受风面积，在低速航行于交通拥挤的海域或狭窄航道时，极易受到阵风的影响。因此，增加了与小船碰撞和搁浅的概率。其三是一般球形舱船的重心较高，为此设计者往往会把双层底的高度降至最低，以减少重心过高所带来的不利影响。

43、相同装载量不同舱型的船，当采用球形舱时，其双层底的高度约要减少左右，这就意味着增加了底部破损而导致货舱进水的可能性。以上从几个方面对两种不同舱型船进行了简单的介绍和比较。虽然这两种类型的液货舱各有优缺点，总的看来，它们都是已经被实践证明具有高可靠性、高安全性和高经济性的液货舱型式。从我国的实际来看，发展薄膜型液货舱应该具有更多的优势。如今沪东造船集团下引进并在建造的法国的型液货舱船便证明了这一点，本文后面对船液货舱温度及应力场有限元分析将围绕这种船型展开。液货舱绝热与传热分析【】绝热材料根据国际海事组织（）规定，全冷式船舶，液货舱的材料必须配置绝热层。绝热层绝热性能的好坏直接关系到船舶航运的安

44、全性和经济性。安装绝热层的主要功能：减少外界热量传入液货舱，从而减少液货蒸发。保护液货舱周围船体结构与低温隔绝，防止液货泄漏时对船体构件造成低温脆裂危害。防止在冷壁上形成湿气或水珠导致液货舱表面的腐蚀。因此，绝热材料应该具有下列主要特性：低的热传导率，低的吸湿、吸水率；能与液货化学相容；武汉理大学硕士学位论文耐机械损伤，高度的承载能力；质量轻，不自燃或易燃；抗冻性强，耐火性能好；船常用绝热材料的物理性质如下表：表船常见的绝热材料物理性能材料献容重硬质聚胺脂泡沫聚氯乙烯泡沫聚苯乙烯泡沫聚乙烯泡沫酚醛泡沫泡沭玻璃膨胀珍珠颗粒姆历导热率。透湿系数（）吸水率（）耐化学性最高使用温度良良溶良良优耐酸传热

45、分析液货舱运载低温液化气在航行的时候，外界环境气温有时候要达到，所以液货舱内、外壁的温差很大。这样外界热量就不可避免的要通过绝热层、防潮层、液货舱壁进入液货舱内。由于传热方式和影响传热的部位及其厚度复杂，所以液货舱传热分析及其热负荷的计算比较复杂。液货舱的热负荷主要由以下三个部分：）通过液货舱围护结构渗入的热量。）固体构件及支撑结构的漏热。）太阳的辐射热。其中第一、二部分的热量主要是通过热传导的方式进行传热。同时在液货舱的外表面还存在着和环境大气的对流换热。第三部分的热量则是以辐射的方式进行传热。此外，在液货舱内部也还存在着液货气体问的辐射换热。但是一武汉理工大学硕士学位论文般来说，由于气体辐

46、射换热对整个液货舱的传热影响不大，所以可以忽略这部分换热量。液货舱的对流换热只能发生在液货舱的内、外两壁。由于内壁和液货直接接触，因此温差极小，故可以认为是无对流换热现象。当液货舱置于甲板平面以上时，它将受到太阳辐射的作用，其外壁与环境之间温差大，因而有明显的对流换热现象。两表面的辐射换热只有当其间为透明介质或为真空时才能实现，在液货舱装运液货的情况下，其辐射换热发生在以下两个部位：）液货舱液面与液货舱的内壁。）液货舱外壁与环境大气。当换热达到稳定状态时，液货舱内壁与液货温度相等，它们之间无辐射换热，只要考虑液舱外壁与环境大气之间的辐射换热即可。本章小结本章主要从船液货舱的结构、建造材料、绝热层材料和绝热类型入手，对两种典型的液货舱进行了多方面的比较和分析。重点是分析了液货舱的结构形式。并对两种液货舱的绝热和传热原理做了简要的说明和介绍。为下一步对薄膜液货舱进行温度及应力分析做准备。武汉理大学硕十学位论文第章温度场计算原理及液货舱温度分布计算温度场和温度应力问题论