談離散式主機基座優(yōu)化設計可行性

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摘要：以減小主機基座結構重量為目標，采用離散式基座代替原有主機基座，并以滿足結構尺寸、穩(wěn)定性、許用應力等方面的約束條件，創(chuàng)建了一種新型船舶主機基座結構模型，并采用有限元對主機基座的模型進行了分析。通過研究優(yōu)化設計后的基座結構，說明基座結構在設計初期主要構件尺寸留有很大的余度，分析結果表明此結構優(yōu)化策略是有效的。

關鍵詞：主機基座；離散式主機；船舶基座

引言

主機基座是船舶基座中的大型基座，在設計基座時應滿足基座結構本身足夠的強度和剛度。在滿足規(guī)范等各種要求的前提下，主機基座結構設計的合理性始終是結構設計者的首要關心問題。主機基座一般均采用高強度鋼，且使用的鋼板厚度都是比較大的，這就使得基座本身的重量很大。對于某些郵輪使用多個發(fā)電機，基座的增加，使得空船重量增加，而客船本身對于自重控制的比較嚴格，減重就成為設計過程中的一個比較關鍵的問題。本文以有限元為分析工具，結合強度分析，并以減少結構重量為目標，對某郵輪主機基座進行結構優(yōu)化設計。

1主機基座的主要作用和所受應力

主機基座的主要作用是將輔機和主機進行一個有效固定，為防止船舶發(fā)生偏移時，內部設備不受影響，可以正常運行。另外主機基座所受應力要將動力、靜力載荷的作用考慮進去[1]。

1.1船舶基座所承受的應力載荷包括：

1）機器的重量；2）螺旋槳工作時的推力；3）船舶底板架的一部分彎曲應力。

1.2船舶基座所承受的動力載荷

1）船舶運行中出現(xiàn)偏移產生的慣性力；2）船舶橫搖時機器的慣性力；3）機器工作時的振動力；4）外部水壓力，由舷外凈水壓力和薄涼水動力壓力組成。

2主機基座離散設計思路

對于此次所研究的船只，采用的是有4個發(fā)電機的電推動力系統(tǒng)。每個發(fā)電機依靠6條支撐腿（每邊3只）與基座面板相連接，這就使得將原來整個的縱向T梁結構劃分為3段提供了可行性（見圖1），每個小基座對應1個主機支撐。為保證主機中和軸位置保持原有高度，優(yōu)化后的基座高度與原有高度保持一致。由于本次優(yōu)化是為了降低重量，單個基座的設計需要在滿足強度的基礎上盡可能的減小。每個單獨基座下方使用2個防傾肘板進行支撐，增加基座防傾斜和穩(wěn)定能[2]，每個肘板下方均對應甲板下方反頂加強，以便于應力能夠順利傳遞，不出現(xiàn)硬點（見圖2）。

3基座有限元受力分析

本研究使用的是西門子公司開發(fā)的FEMAP軟件進行計算，目的是根據(jù)船級社和規(guī)范要求，證明主機基座的強度是足以支撐設計載荷的。1）艙壁、基座結構、舷側共同構成了基座有限元模型，最大程度減少施加在模型上的應力，在縱向我們選取從FR20~FR49；在橫向選取6600（PS）~6600（SB）；垂直方向選取從外底板到4500平臺處。采用4點平面單元對甲板、艙壁、梁加強筋進行模擬，采用梁單元模擬柱子，在計算中單元網(wǎng)格的尺寸為100mm×100mm。2）根據(jù)結構圖紙生成三維圖形（見圖3），從結構圖中取所有基座構件的厚度和尺寸。基座腹板以及肘板選用15-AH36，面板選用20-DH36。這里選取的材料均為高強度鋼材，其物理特性為：彈性模量：E=2.06×105N/mm2；泊松比：μ=0.3；鋼材密度：ρ＝7.85×103kg/m3；屈服應力：ReH=355N/mm2，Ry=326N/mm2。3）根據(jù)《鋼質船BV規(guī)則》的要求，采用工作應力設計（WSD）方法進行計算。結構等效許用應力按照第7章第3節(jié)B部分進行計算。4）主機設備產生的負荷。主發(fā)電機干重22510kg，濕重23095，數(shù)量：2；輔發(fā)電機干重18680kg，濕重19145，數(shù)量：2；考慮到發(fā)動機震動的動態(tài)影響，在工況分析中對濕重采用2倍放大因子。5）運輸過程中應根據(jù)加速度考慮慣性載荷，其最大加速度值取：縱向、橫向、垂直加速度均取0.5g。6）基座負荷情況分析。①基本載荷情況：結構重量，程序在-Z方向上面產生的載荷（ax=0，ay=0，az=-1.0g）設值為LC1；正X方向載荷（ax=1.0g，ay=0，az=0）設值為LC2；負X方向載荷（ax=-1.0g，ay=0，az=0）設值為LC3；正Y方向載荷（ax=0，ay=1.0g，az=0）設值為LC4；負Y方向載荷（ax=0，ay=-1.0g，az=0）設值為LC5；甲板載荷設值為LC6；舷側外板水壓值設LC7。②組合加載：LCOMB8=1.5LC1+0.5LC2+LC6+LC7；LOMB9=1.5LC1+0.5LC3+LC6+LC7；LCOMB10=1.5LC1+0.5LC4+LC6+LC7；LCOMB11=1.5LC1+0.5LC5+LC6+LC7。

4計算結果以及分析

經(jīng)過軟件計算分析，基座受力最大處為主發(fā)基座加強肘板，其受到的最大馮.米塞思應力為45.85MP（見圖4）而其許用屈服應力304MP。從結果可以看出基座結構強度足以滿足船級社及規(guī)范的要求來支撐設計載荷,且船體主要構件經(jīng)過計算均能夠滿足應力要求。本次優(yōu)化主機基座由原來的4個大基座變?yōu)閮?yōu)化后的24個小基座。原有基座主要構件的總重量為4.408t，優(yōu)化后主要構件重量為2.45t。從結構重量上來說此次優(yōu)化減輕空船重量接近2t，對于以薄板建造為主要板材的小型郵輪而言是一個很大的數(shù)值，并且節(jié)約了建造成本。5安裝工藝要求由于每個基座由原有的1個基座變?yōu)?個單獨的小基座，基座在安裝過程中的安裝精度以及縱向定位的控制尤為重要。同一縱向基座腹板相對位置偏差必須滿足±2mm的精度要求，每個基座之間間距誤差必須滿足±2mm，同一縱向基座面板的水平平整度需要控制在±1?；附舆^程中,拐角處應連續(xù)過渡施焊，不得在焊縫拐角處引弧。如果焊接過程出現(xiàn)問題，需要進行重新焊接，有必要對焊接缺陷處進行清理。保證每1個工藝步驟都有專人監(jiān)測，出現(xiàn)問題及時解決。每組基座（共6個）安裝完畢后，需整體進行精度校正。

6結語

主機基座結構是一個比較復雜的大型結構，本文以減輕基座結構為目的，通過建立主機基座的模型，采用有限元法對基座進行分析。計算結果表明基座在設計時大部分主要構件都留有很大的裕度，將其改為離散式組合是可行的。

參考文獻：

[1]黃海燕,劉曉衛(wèi),姜樹衛(wèi).基于疲勞強度的主機基座優(yōu)化設計.中國船舶,2010,51(3):101-107.

[2]杜嘉立,楊鹽生,鄭云峰.船舶疲勞強度[J].大連海事大學學報,2002,28(4):25-28.

[3]周林,黃渙青.1000t級漁業(yè)輔助船集裝箱基座及支撐結構強度分析[J].廣東造船,2019,38(04):23-26+37.

[4]孫謙,劉文璽,周其斗,等.推力軸承基座結構形式對潛艇振動噪聲的影響[J].中國艦船研究,2018,13(05):39-45.

作者：周晶晶 單位：招商局重工江蘇有限公司