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。