4250TEU集装箱船脱硫塔结构强度有限元分析

2020-10-22张伟

江苏科技信息 2020年23期

张伟

（江苏海事职业技术学院，江苏南京211100）

0 引言

在大中型船舶上安装脱硫装置是目前的主流趋势［1］，为降低整个脱硫项目的生产成本，对其结构形式进行优化设计，对企业而言就显得至关重要。本文以4250TEU 集装箱船为例，采用有限元软件MSC.Patran/MSC.Nastran 对该集装箱船脱硫塔结构进行强度计算。参考劳氏船级社规范（以下简称“《规范》”），对脱硫塔结构在正常操作工况和事故工况下的强度进行了校核。

1 有限元模型

1.1 主尺度

该集装箱船的主尺度参数如表1所示。

表1 主尺度参数（单位：m）

1.2 有限元模型

参考《规范》相关要求的规定，本船有限元模型范围为船舶肋距的#46—#63，采用板单元和梁单元模拟，脱硫塔用MPC刚性模拟［2］，模型如图1所示。

1.3 边界条件

按照《规范》要求，边界条件为在新增加的脱硫塔与原脱硫塔连接部分以及上甲板边缘部分施加简支约束，即对各节点x，y，z3个位移分量进行约束，边界条件如图2所示。

2 载荷施加

2.1 惯性载荷

根据LR-Part 3，Chapter 14，14.8.1和14.8.2表格，对惯性载荷进行计算，如表2所示。对横摇和纵摇工况均考虑静态、动态以及动态情况下的垂荡所产生的3部分力叠加而成，并施加于脱硫塔质量点上。

以正常操作工况下的横摇工况1为例，载荷施加情况如图3所示。

图1 脱硫塔结构有限元模型

图2 边界条件

表2 惯性分力计算公式

图3 正常操作工况（横摇工况1）载荷施加

2.2 脱硫塔结构自重

脱硫塔结构的重量通过重力加速度以及钢材的密度来施加。材料参数如下所示：

弯曲弹性模量：E=2.06e5 N/mm2；

泊松比：μ=0.3；

材料密度：ρ=7 850 kg/m3。

2.3 强度标准

集装箱船脱硫塔结构的许用应力根据《规范》要求进行计算，许用应力如表3所示。

表3 许用应力（单位：N/mm2）

表中：σ为屈服应力，脱硫塔结构为A 级钢，取235 N/mm2。

许用应力计算如下：

正应力=0.67×235=157.4 MPa；

剪切应力=0.4×235=94 MPa；

组合应力=0.86×235=202.1 MPa。

3 计算结果

通过对8种载荷工况的计算，得到该集装箱船脱硫塔结构的正应力、剪切应力和组合应力结果［3-4］，如表4 所示。脱硫塔结构最大正应力为115 MPa，未超过许用应力157.4 MPa。最大剪切应力为74.8 MPa，未超过许用应力94 MPa。最大组合应力为136 MPa，未超过许用应力202.1 MPa。经过有限元数值模拟计算，4250TEU 集装箱船脱硫塔结构强度满足《规范》要求。

以正常操作工况下的横摇工况1为例，给出集装箱船脱硫塔结构的有限元计算应力云图，如图4所示。