談離散式主機(jī)基座優(yōu)化設(shè)計可行性
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摘要：以減小主機(jī)基座結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，采用離散式基座代替原有主機(jī)基座，并以滿足結(jié)構(gòu)尺寸、穩(wěn)定性、許用應(yīng)力等方面的約束條件，創(chuàng)建了一種新型船舶主機(jī)基座結(jié)構(gòu)模型，并采用有限元對主機(jī)基座的模型進(jìn)行了分析。通過研究優(yōu)化設(shè)計后的基座結(jié)構(gòu)，說明基座結(jié)構(gòu)在設(shè)計初期主要構(gòu)件尺寸留有很大的余度，分析結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略是有效的。
關(guān)鍵詞：主機(jī)基座；離散式主機(jī)；船舶基座
引言
主機(jī)基座是船舶基座中的大型基座，在設(shè)計基座時應(yīng)滿足基座結(jié)構(gòu)本身足夠的強(qiáng)度和剛度。在滿足規(guī)范等各種要求的前提下，主機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性始終是結(jié)構(gòu)設(shè)計者的首要關(guān)心問題。主機(jī)基座一般均采用高強(qiáng)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(jī)，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(yán)格，減重就成為設(shè)計過程中的一個比較關(guān)鍵的問題。本文以有限元為分析工具，結(jié)合強(qiáng)度分析，并以減少結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，對某郵輪主機(jī)基座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
1主機(jī)基座的主要作用和所受應(yīng)力
主機(jī)基座的主要作用是將輔機(jī)和主機(jī)進(jìn)行一個有效固定，為防止船舶發(fā)生偏移時，內(nèi)部設(shè)備不受影響，可以正常運(yùn)行。另外主機(jī)基座所受應(yīng)力要將動力、靜力載荷的作用考慮進(jìn)去[1]。
1.1船舶基座所承受的應(yīng)力載荷包括：
1）機(jī)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(yīng)力。
1.2船舶基座所承受的動力載荷
1）船舶運(yùn)行中出現(xiàn)偏移產(chǎn)生的慣性力；2）船舶橫搖時機(jī)器的慣性力；3）機(jī)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(jī)基座離散設(shè)計思路
對于此次所研究的船只，采用的是有4個發(fā)電機(jī)的電推動力系統(tǒng)。每個發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)劃分為3段提供了可行性（見圖1），每個小基座對應(yīng)1個主機(jī)支撐。為保證主機(jī)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(shè)計需要在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能的減小。每個單獨基座下方使用2個防傾肘板進(jìn)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(yīng)甲板下方反頂加強(qiáng)，以便于應(yīng)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(jìn)行計算，目的是根據(jù)船級社和規(guī)范要求，證明主機(jī)基座的強(qiáng)度是足以支撐設(shè)計載荷的。1）艙壁、基座結(jié)構(gòu)、舷側(cè)共同構(gòu)成了基座有限元模型，最大程度減少施加在模型上的應(yīng)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(qiáng)筋進(jìn)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(jié)構(gòu)圖紙生成三維圖形（見圖3），從結(jié)構(gòu)圖中取所有基座構(gòu)件的厚度和尺寸?；拱逡约爸獍暹x用15-AH36，面板選用20-DH36。這里選取的材料均為高強(qiáng)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(yīng)力：ReH=355N/mm2，Ry=326N/mm2。3）根據(jù)《鋼質(zhì)船BV規(guī)則》的要求，采用工作應(yīng)力設(shè)計（WSD）方法進(jìn)行計算。結(jié)構(gòu)等效許用應(yīng)力按照第7章第3節(jié)B部分進(jìn)行計算。4）主機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)荷。主發(fā)電機(jī)干重22510kg，濕重23095，數(shù)量：2；輔發(fā)電機(jī)干重18680kg，濕重19145，數(shù)量：2；考慮到發(fā)動機(jī)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(yùn)輸過程中應(yīng)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(fù)荷情況分析。①基本載荷情況：結(jié)構(gòu)重量，程序在-Z方向上面產(chǎn)生的載荷（ax=0，ay=0，az=-1.0g）設(shè)值為LC1；正X方向載荷（ax=1.0g，ay=0，az=0）設(shè)值為LC2；負(fù)X方向載荷（ax=-1.0g，ay=0，az=0）設(shè)值為LC3；正Y方向載荷（ax=0，ay=1.0g，az=0）設(shè)值為LC4；負(fù)Y方向載荷（ax=0，ay=-1.0g，az=0）設(shè)值為LC5；甲板載荷設(shè)值為LC6；舷側(cè)外板水壓值設(shè)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(jié)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(qiáng)肘板，其受到的最大馮.米塞思應(yīng)力為45.85MP（見圖4）而其許用屈服應(yīng)力304MP。從結(jié)果可以看出基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以滿足船級社及規(guī)范的要求來支撐設(shè)計載荷,且船體主要構(gòu)件經(jīng)過計算均能夠滿足應(yīng)力要求。本次優(yōu)化主機(jī)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(gòu)件的總重量為4.408t，優(yōu)化后主要構(gòu)件重量為2.45t。從結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jìn)行重新焊接，有必要對焊接缺陷處進(jìn)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(jìn)行精度校正。
6結(jié)語
主機(jī)基座結(jié)構(gòu)是一個比較復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，本文以減輕基座結(jié)構(gòu)為目的，通過建立主機(jī)基座的模型，采用有限元法對基座進(jìn)行分析。計算結(jié)果表明基座在設(shè)計時大部分主要構(gòu)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(xiàn)：
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作者：周晶晶 單位：招商局重工江蘇有限公司