基于MSC 軟件的大型船舶脫硫塔基座總體強(qiáng)度分析

吳燦，李其曄

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010）

1 概述

近些年來(lái)，大量含有SO2的有害氣體伴隨著著有色金屬冶煉排放，對(duì)全球大氣造成了巨大的污染與酸雨危害。國(guó)際海事組織（IMO）根據(jù)全球海域范圍內(nèi)船舶的限硫規(guī)定，要求其各成員國(guó)的船舶積極滿足該項(xiàng)要求，進(jìn)入排放控制區(qū)域的海船需于2020 年1 月1 日起，保證其使用的船用燃油硫含量不大于0.5%。我國(guó)交通運(yùn)輸部也出臺(tái)了相關(guān)海域的“限硫”規(guī)定，以加快船舶脫硫技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

脫硫塔大多數(shù)為薄壁殼體鋼結(jié)構(gòu)，可滿足除塵、脫硫原理，結(jié)合科學(xué)管理和安全運(yùn)行的需要，特別是需要消除爆炸性威脅的氣體。出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考慮，常規(guī)的做法是在筒壁表面設(shè)置各向扶強(qiáng)材對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)。在實(shí)際的工程應(yīng)用匯總，塔體與基座如何有效的連接并安裝在船舶上是值得深入研究的技術(shù)難題。

2 結(jié)構(gòu)概況

本文涉及的大型散貨船的脫硫塔主體結(jié)構(gòu)為大型薄壁殼體閉式結(jié)構(gòu)，安裝位置為船艉部通過支柱固定于艇甲板，塔體成矩形，長(zhǎng)7660mm，寬8355mm，除支柱外總高13800mm。該塔主要由塔體、立柱、料斗、底座組成，另布置有格柵板、垂向扶強(qiáng)材等加強(qiáng)附件。

3 船舶脫硫塔基座的有限元模型

3.1 有限元模型的建立

本文選用MSC 有限元軟件對(duì)基座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析計(jì)算。研究的對(duì)象為脫硫塔基座，因此有限元計(jì)算的建模范圍選取脫硫塔的主體外殼與支柱與艇甲板的部分結(jié)構(gòu)，原點(diǎn)取在船舶基線與尾垂線的交點(diǎn)，同主船體坐標(biāo)系一致。

在模型中，由于噴淋管位于脫硫塔外側(cè)且沒有支撐作用，不對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，將其質(zhì)量通過修改裝置密度的方法賦予塔壁。在塔壁內(nèi)部有一圈扁鋼對(duì)除霧器等裝置進(jìn)行支撐，在模型中以質(zhì)量點(diǎn)多點(diǎn)約束（MPC）的方式將其施加在基座結(jié)構(gòu)上。塔壁、脫硫塔底板與上甲板的受力復(fù)雜，同時(shí)受到剪力、軸力和彎矩的作用，采用殼（Shell）單元進(jìn)行模擬，其余結(jié)構(gòu)的尺寸考慮肘板、開孔（小于5cm 的開孔除外）、圓弧連接等細(xì)節(jié)，盡量按設(shè)計(jì)圖紙的尺寸標(biāo)注進(jìn)行建模。

在劃分網(wǎng)格時(shí)考慮適度的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格密度，本文在基座結(jié)構(gòu)的有限元模型建立過程中，采用人工撒種子劃分網(wǎng)格。本結(jié)構(gòu)模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)10316，單元14037。

3.2 模型結(jié)構(gòu)的材料屬性

在模型中，考慮設(shè)計(jì)圖紙中顯示脫硫塔材料使用Q235低碳鋼，支柱結(jié)構(gòu)采用Q345 低合金鋼。

4 邊界約束與載荷施加

脫硫塔基座的約束較為簡(jiǎn)單，可在基座支柱的底端施加固定約束。此外，結(jié)構(gòu)受到外殼自重、設(shè)備重、外部風(fēng)載荷、船舶搖擺慣性力、甲板載荷等各種載荷的影響，且隨著慣性力的變化而變化，因此受力情況較為復(fù)雜。其中，如何在沒有先行規(guī)范的參考下確定風(fēng)載荷船舶慣性力的關(guān)系并進(jìn)行合理的數(shù)值模擬，是載荷研究中最關(guān)鍵的問題。

4.1 結(jié)構(gòu)自重

在軟件中，自重載荷以慣性載荷（inertial loads）的方式施加，考慮到建模過程中忽略掉的小孔、附屬非承載性的構(gòu)件與零件（如螺栓、基座排水孔、結(jié)構(gòu)內(nèi)管道和電纜等），本結(jié)構(gòu)在垂向（Z 向）施加9850mm/s2的慣性載荷。

4.2 設(shè)備重量

本船的脫硫塔為單個(gè)設(shè)備，重24 噸。如圖1 所示，模型中在結(jié)構(gòu)的重心位置施加集中載荷，并采用MPC（多點(diǎn)約束）的方式加于圓形基座環(huán)形面板上。

圖1 MPC 連接

4.3 基座慣性力

基座慣性力的加速度取自于船舶設(shè)計(jì)信息，使用MPC 連接施加在設(shè)備質(zhì)量重心處，具體數(shù)值為：船長(zhǎng)方向0.3g，船寬方向0.6g，垂向0.5g,g 為重力加速度系數(shù)。

4.4 甲板載荷

甲板載荷以均布載荷的方向施加，根據(jù)《材料與焊接規(guī)范2015》（DNVGL-RU-SHIP-Pt3Ch4）的說(shuō)明，取值2.5kN/m2。

4.5 外部壓載荷

對(duì)于主尺度較大的船舶，需要計(jì)及上層建筑的外部壓載。根據(jù)散貨船共同規(guī)范CSR-H C4-S5 4.3.1 的要求：

4.6 風(fēng)載荷

上層建筑的風(fēng)載荷計(jì)算根據(jù)共同規(guī)范的要求，取值1049.8N/m2。

4.7 工況匯總

表1 載荷匯總表

綜上所示，涉及的6 種載荷的具體取值匯總?cè)绫?。

在模型載荷的實(shí)際施加時(shí)，需考慮到各種載荷之間的關(guān)系，除自重始終不變之外，選取不同方向的慣性力組合施加，以校核各種危險(xiǎn)情況下的強(qiáng)度，本文共選取16 種典型工況。

5 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5.1 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

本課題選用許用應(yīng)力法進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)于多載荷的結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)取1.11。對(duì)于Q235 材料，最大的允許應(yīng)力212MP；對(duì)于Q345 材料，最大的允許應(yīng)力311MP。

5.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述的載荷分析進(jìn)行加載，可得16 種工況的靜力計(jì)算結(jié)果?；路降闹е锥思s束處可提取支柱反力。各項(xiàng)正應(yīng)力結(jié)果查看的均為中面力。各工況應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 最大應(yīng)力與位移示意圖（LC15）

從結(jié)果看出，各工況的最大應(yīng)力水平均小于許用應(yīng)力212MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。脫硫塔四周塔壁的總體應(yīng)力值都較小，16 種工況中最危險(xiǎn)的工況發(fā)生在LC15，結(jié)構(gòu)的最大變形為16mm，出現(xiàn)在塔體頂端；最大應(yīng)力值為136MPa，最大的應(yīng)力點(diǎn)為基座下方的艇甲板縱桁的面板處，出現(xiàn)的原因可能是由于LC15 中，塔壁外部壓載荷與風(fēng)載的作用方向相同時(shí)，疊加效應(yīng)導(dǎo)致了局部應(yīng)力較大。

6 結(jié)語(yǔ)

與陸用設(shè)備的基座受力相比，船用脫硫塔基座除需考慮自重載荷、設(shè)備重量、風(fēng)載，還需考慮船舶運(yùn)動(dòng)加速度的影響，即動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的綜合作用。本文針對(duì)大型船舶上使用的脫硫塔基座進(jìn)行了建模，參考相近的規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的載荷進(jìn)行了分析，針對(duì)實(shí)際情況確定了16 組分析工況，強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可見本設(shè)計(jì)滿足許用應(yīng)力要求，其計(jì)算過程可對(duì)其他船用脫硫塔基座的強(qiáng)度校核提供參考。