4250TEU集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)強度有限元分析

張 偉

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南京211100）

0 引言

在大中型船舶上安裝脫硫裝置是目前的主流趨勢［1］，為降低整個脫硫項目的生產(chǎn)成本，對其結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化設(shè)計，對企業(yè)而言就顯得至關(guān)重要。本文以4250TEU 集裝箱船為例，采用有限元軟件MSC.Patran/MSC.Nastran 對該集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)進行強度計算。參考勞氏船級社規(guī)范（以下簡稱“《規(guī)范》”），對脫硫塔結(jié)構(gòu)在正常操作工況和事故工況下的強度進行了校核。

1 有限元模型

1.1 主尺度

該集裝箱船的主尺度參數(shù)如表1所示。

表1 主尺度參數(shù) （單位：m）

1.2 有限元模型

參考《規(guī)范》相關(guān)要求的規(guī)定，本船有限元模型范圍為船舶肋距的#46—#63，采用板單元和梁單元模擬，脫硫塔用MPC剛性模擬［2］，模型如圖1所示。

1.3 邊界條件

按照《規(guī)范》要求，邊界條件為在新增加的脫硫塔與原脫硫塔連接部分以及上甲板邊緣部分施加簡支約束，即對各節(jié)點x，y，z3個位移分量進行約束，邊界條件如圖2所示。

2 載荷施加

2.1 慣性載荷

根據(jù)LR-Part 3，Chapter 14，14.8.1和14.8.2表格，對慣性載荷進行計算，如表2所示。對橫搖和縱搖工況均考慮靜態(tài)、動態(tài)以及動態(tài)情況下的垂蕩所產(chǎn)生的3部分力疊加而成，并施加于脫硫塔質(zhì)量點上。

以正常操作工況下的橫搖工況1為例，載荷施加情況如圖3所示。

圖1 脫硫塔結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 邊界條件

表2 慣性分力計算公式

圖3 正常操作工況（橫搖工況1）載荷施加

2.2 脫硫塔結(jié)構(gòu)自重

脫硫塔結(jié)構(gòu)的重量通過重力加速度以及鋼材的密度來施加。材料參數(shù)如下所示：

彎曲彈性模量：E=2.06e5 N/mm2；

泊松比：μ=0.3；

材料密度：ρ=7 850 kg/m3。

2.3 強度標準

集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力根據(jù)《規(guī)范》要求進行計算，許用應(yīng)力如表3所示。

表3 許用應(yīng)力 （單位：N/mm2）

表中：σ為屈服應(yīng)力，脫硫塔結(jié)構(gòu)為A 級鋼，取235 N/mm2。

許用應(yīng)力計算如下：

正應(yīng)力=0.67×235=157.4 MPa；

剪切應(yīng)力=0.4×235=94 MPa；

組合應(yīng)力=0.86×235=202.1 MPa。

3 計算結(jié)果

通過對8種載荷工況的計算，得到該集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和組合應(yīng)力結(jié)果［3-4］，如表4 所示。脫硫塔結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力為115 MPa，未超過許用應(yīng)力157.4 MPa。最大剪切應(yīng)力為74.8 MPa，未超過許用應(yīng)力94 MPa。最大組合應(yīng)力為136 MPa，未超過許用應(yīng)力202.1 MPa。經(jīng)過有限元數(shù)值模擬計算，4250TEU 集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)強度滿足《規(guī)范》要求。

以正常操作工況下的橫搖工況1為例，給出集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)的有限元計算應(yīng)力云圖，如圖4所示。

4 結(jié)語

本文以4250TEU 集裝箱船為研究對象，采用大型有限元軟件MSC.Patran/MSC.Nastran 對船上的脫硫塔結(jié)構(gòu)強度進行了分析，選取正常操作和事故工況，分別考慮橫搖和縱搖兩種情況，并參考《規(guī)范》要求，對脫硫塔結(jié)構(gòu)強度進行了校核。得到結(jié)論如下：

（1）該集裝箱船脫硫塔結(jié)構(gòu)強度滿足勞氏船級社規(guī)范要求，應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力位于脫硫塔基座處，該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

（2）本文所研究的脫硫塔結(jié)構(gòu)已經(jīng)在船廠投入實際使用，安全性能滿足要求，降低了船廠生產(chǎn)成本，具有重大的現(xiàn)實意義。

表3 脫硫塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果匯總

圖4 正常操作工況（橫搖工況1）應(yīng)力云圖