谈离散式主机基座优化设计可行性

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摘要：以减小主机基座结构重量为目标，采用离散式基座代替原有主机基座，并以满足结构尺寸、稳定性、许用应力等方面的约束条件，创建了一种新型船舶主机基座结构模型，并采用有限元对主机基座的模型进行了分析。通过研究优化设计后的基座结构，说明基座结构在设计初期主要构件尺寸留有很大的余度，分析结果表明此结构优化策略是有效的。

关键词：主机基座；离散式主机；船舶基座

引言

主机基座是船舶基座中的大型基座，在设计基座时应满足基座结构本身足够的强度和刚度。在满足规范等各种要求的前提下，主机基座结构设计的合理性始终是结构设计者的首要关心问题。主机基座一般均采用高强度钢，且使用的钢板厚度都是比较大的，这就使得基座本身的重量很大。对于某些邮轮使用多个发电机，基座的增加，使得空船重量增加，而客船本身对于自重控制的比较严格，减重就成为设计过程中的一个比较关键的问题。本文以有限元为分析工具，结合强度分析，并以减少结构重量为目标，对某邮轮主机基座进行结构优化设计。

1主机基座的主要作用和所受应力

主机基座的主要作用是将辅机和主机进行一个有效固定，为防止船舶发生偏移时，内部设备不受影响，可以正常运行。另外主机基座所受应力要将动力、静力载荷的作用考虑进去[1]。

1.1船舶基座所承受的应力载荷包括：

1）机器的重量；2）螺旋桨工作时的推力；3）船舶底板架的一部分弯曲应力。

1.2船舶基座所承受的动力载荷

1）船舶运行中出现偏移产生的惯性力；2）船舶横摇时机器的惯性力；3）机器工作时的振动力；4）外部水压力，由舷外净水压力和薄凉水动力压力组成。

2主机基座离散设计思路

对于此次所研究的船只，采用的是有4个发电机的电推动力系统。每个发电机依靠6条支撑腿（每边3只）与基座面板相连接，这就使得将原来整个的纵向T梁结构划分为3段提供了可行性（见图1），每个小基座对应1个主机支撑。为保证主机中和轴位置保持原有高度，优化后的基座高度与原有高度保持一致。由于本次优化是为了降低重量，单个基座的设计需要在满足强度的基础上尽可能的减小。每个单独基座下方使用2个防倾肘板进行支撑，增加基座防倾斜和稳定能[2]，每个肘板下方均对应甲板下方反顶加强，以便于应力能够顺利传递，不出现硬点（见图2）。

3基座有限元受力分析

本研究使用的是西门子公司开发的FEMAP软件进行计算，目的是根据船级社和规范要求，证明主机基座的强度是足以支撑设计载荷的。1）舱壁、基座结构、舷侧共同构成了基座有限元模型，最大程度减少施加在模型上的应力，在纵向我们选取从FR20~FR49；在横向选取6600（PS）~6600（SB）；垂直方向选取从外底板到4500平台处。采用4点平面单元对甲板、舱壁、梁加强筋进行模拟，采用梁单元模拟柱子，在计算中单元网格的尺寸为100mm×100mm。2）根据结构图纸生成三维图形（见图3），从结构图中取所有基座构件的厚度和尺寸。基座腹板以及肘板选用15-AH36，面板选用20-DH36。这里选取的材料均为高强度钢材，其物理特性为：弹性模量：E=2.06×105N/mm2；泊松比：μ=0.3；钢材密度：ρ＝7.85×103kg/m3；屈服应力：ReH=355N/mm2，Ry=326N/mm2。3）根据《钢质船BV规则》的要求，采用工作应力设计（WSD）方法进行计算。结构等效许用应力按照第7章第3节B部分进行计算。4）主机设备产生的负荷。主发电机干重22510kg，湿重23095，数量：2；辅发电机干重18680kg，湿重19145，数量：2；考虑到发动机震动的动态影响，在工况分析中对湿重采用2倍放大因子。5）运输过程中应根据加速度考虑惯性载荷，其最大加速度值取：纵向、横向、垂直加速度均取0.5g。6）基座负荷情况分析。①基本载荷情况：结构重量，程序在-Z方向上面产生的载荷（ax=0，ay=0，az=-1.0g）设值为LC1；正X方向载荷（ax=1.0g，ay=0，az=0）设值为LC2；负X方向载荷（ax=-1.0g，ay=0，az=0）设值为LC3；正Y方向载荷（ax=0，ay=1.0g，az=0）设值为LC4；负Y方向载荷（ax=0，ay=-1.0g，az=0）设值为LC5；甲板载荷设值为LC6；舷侧外板水压值设LC7。②组合加载：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计算结果以及分析

经过软件计算分析，基座受力最大处为主发基座加强肘板，其受到的最大冯.米塞思应力为45.85MP（见图4）而其许用屈服应力304MP。从结果可以看出基座结构强度足以满足船级社及规范的要求来支撑设计载荷,且船体主要构件经过计算均能够满足应力要求。本次优化主机基座由原来的4个大基座变为优化后的24个小基座。原有基座主要构件的总重量为4.408t，优化后主要构件重量为2.45t。从结构重量上来说此次优化减轻空船重量接近2t，对于以薄板建造为主要板材的小型邮轮而言是一个很大的数值，并且节约了建造成本。5安装工艺要求由于每个基座由原有的1个基座变为3个单独的小基座，基座在安装过程中的安装精度以及纵向定位的控制尤为重要。同一纵向基座腹板相对位置偏差必须满足±2mm的精度要求，每个基座之间间距误差必须满足±2mm，同一纵向基座面板的水平平整度需要控制在±1。基座焊接过程中,拐角处应连续过渡施焊，不得在焊缝拐角处引弧。如果焊接过程出现问题，需要进行重新焊接，有必要对焊接缺陷处进行清理。保证每1个工艺步骤都有专人监测，出现问题及时解决。每组基座（共6个）安装完毕后，需整体进行精度校正。

6结语

主机基座结构是一个比较复杂的大型结构，本文以减轻基座结构为目的，通过建立主机基座的模型，采用有限元法对基座进行分析。计算结果表明基座在设计时大部分主要构件都留有很大的裕度，将其改为离散式组合是可行的。

参考文献：

[1]黄海燕,刘晓卫,姜树卫.基于疲劳强度的主机基座优化设计.中国船舶,2010,51(3):101-107.

[2]杜嘉立,杨盐生,郑云峰.船舶疲劳强度[J].大连海事大学学报,2002,28(4):25-28.

[3]周林,黄涣青.1000t级渔业辅助船集装箱基座及支撑结构强度分析[J].广东造船,2019,38(04):23-26+37.

[4]孙谦,刘文玺,周其斗,等.推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响[J].中国舰船研究,2018,13(05):39-45.

作者：周晶晶 单位：招商局重工江苏有限公司