談離散式主機基座優化設計可行性
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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、穩定性、許用應力等方面的約束條件，創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個發電機的電推動力系統。每個發電機依靠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，優化后的基座高度與原有高度保持一致。由于本次優化是為了降低重量，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的FEMAP軟件進行計算，目的是根據船級社和規范要求，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，在計算中單元網格的尺寸為100mm×100mm。2）根據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《鋼質船BV規則》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B部分進行計算。4）主機設備產生的負荷。主發電機干重22510kg，濕重23095，數量：2；輔發電機干重18680kg，濕重19145，數量：2；考慮到發動機震動的動態影響，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
經過軟件計算分析，基座受力最大處為主發基座加強肘板，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范的要求來支撐設計載荷,且船體主要構件經過計算均能夠滿足應力要求。本次優化主機基座由原來的4個大基座變為優化后的24個小基座。原有基座主要構件的總重量為4.408t，優化后主要構件重量為2.45t。從結構重量上來說此次優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值，并且節約了建造成本。5安裝工藝要求由于每個基座由原有的1個基座變為3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。基座焊接過程中,拐角處應連續過渡施焊，不得在焊縫拐角處引弧。如果焊接過程出現問題，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測，出現問題及時解決。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：
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[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