一體化基座在挖泥船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高 劍

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

耙吸式挖泥船是吸楊式中的一種，通過置于船體兩舷、單舷或艉部的耙頭吸入泥漿，耙頭同時具有機(jī)械疏松與水力疏松的功能。耙吸挖泥船在抵達(dá)施工位置時，降低船速，并將耙頭下放至海底。耙頭切削疏浚物并使其液化，通過艙內(nèi)的泥泵或耙臂泵（水下泵）吸取液化疏浚物，并將其排入耙吸船自帶的泥艙中。當(dāng)船舶滿載或達(dá)到合適裝載量時，停止挖泥，并航行至指定地點(diǎn)進(jìn)行卸泥。卸泥方式包括拋泥、吹填、艏噴和回填[1]。耙吸船的主要設(shè)備包括泥耙、泥泵、閘閥、管道系統(tǒng)和泥艙。耙吸船工作時振動較為劇烈，若采用常規(guī)非連續(xù)性設(shè)計(jì)，則主機(jī)、泥泵等設(shè)備基座處振動較大，往往會導(dǎo)致焊道的撕裂。為解決該問題，本文提出在大型設(shè)備處使用基座結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。

在常規(guī)建造設(shè)計(jì)的船舶中，基座及基座下方的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用非連續(xù)性設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)形式便于建造施工。然而，對于大型工程船，設(shè)備振動往往會導(dǎo)致焊縫撕裂等問題。本文在保證大型基座滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，采用一體化設(shè)計(jì)，以減少振動、改善船舶結(jié)構(gòu)性能、減少基座與下方加強(qiáng)結(jié)構(gòu)錯位的情況。

1 設(shè)計(jì)情況

一體化基座設(shè)計(jì)將基座與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個整體，既可增強(qiáng)整個基座的剛度，還能減小振動源對結(jié)構(gòu)的影響。

1.1 主要差異

某大型成品油輪主機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖 1，節(jié)點(diǎn)俯視圖見圖 2，某耙吸挖泥船主機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖1 某大型成品油輪主機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖2 節(jié)點(diǎn)俯視圖（單位：mm）

圖3 某耙吸挖泥船主機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)分析

由圖3可知，某耙吸挖泥船主機(jī)基座是一體的，在平臺處是斷開的。平臺與基座之間通過普通角焊連接，不會存在錯位情況?；恼w性不僅能有效解決船舶設(shè)計(jì)中加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與基座錯位的情況，還可減少不必要的返工及焊接打磨工作量。

由圖1和圖2可知，為在建造過程中方便裝配，基座結(jié)構(gòu)與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在平臺處斷開，主機(jī)基座與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要在此處角焊。根據(jù)船舶運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，在船舶長期運(yùn)行過程中，主機(jī)振動會對周圍的構(gòu)件造成影響，長此以往會導(dǎo)致部分焊道產(chǎn)生裂縫。采用一體化設(shè)計(jì)以后，整體結(jié)構(gòu)的剛度較大，可顯著減小主機(jī)及泥泵等設(shè)備振動對基座的影響。

1.2.2 缺點(diǎn)分析

基座設(shè)計(jì)成一個整體時往往會出現(xiàn)一些狹小空間與施工困難的問題。本船設(shè)計(jì)的齒輪箱基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在模型評審過程中發(fā)現(xiàn)存在裝配困難、焊接質(zhì)量難以保證的情況。

齒輪箱基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖 4。因雙層底部平臺下沉、插入深度很短，泥漿泵處的齒輪箱基座空間狹小，施工難度大。若按照原始方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，基座整體安裝時存在焊接變形和施工公差難以調(diào)整的問題，無法順利裝配。若現(xiàn)場研配，則會導(dǎo)致基座腹板與甲板上下角焊縫間隙超差。

圖4 齒輪箱基座結(jié)構(gòu)圖

2 一體化基座設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

大型基座的操作空間較大，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)間距也較大，不存在施工與裝配不方便的問題。但是一些結(jié)構(gòu)加強(qiáng)較密集的基座往往會存在如下工藝問題：

1）由于基座嵌入部分較小，空間狹小，施工不便。

2）需要做成一個組立施工，焊縫較多，容易變形超差，不利于精度控制。

3）平臺處需要斷開，現(xiàn)場研配切割會導(dǎo)致平臺處上下角焊縫間隙超差。

如圖5所示，一體化基座優(yōu)化方案如下：原有設(shè)計(jì)是做成一個組立裝配，在分段階段整體安裝，裝配難度較大。因基座下部嵌入平臺部分較少，在不改變原有結(jié)構(gòu)形式與強(qiáng)度的情況下，考慮在平臺上方100 mm處增加1道對接縫。加縫以后改成2個組立，可以先焊接組立，再焊對接縫。此優(yōu)化方案既可滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，且施工便利。

圖5 一體化基座優(yōu)化方案

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性分析

大型基座作為主船體的一部分，屬于主要結(jié)構(gòu)，建立有限元模型分析一體化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)校對流程如下：

1）規(guī)范計(jì)算。按照相應(yīng)船級社規(guī)范[2]對基座處的構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析，確定板厚及構(gòu)件規(guī)格。

2）有限元計(jì)算分析。根據(jù)基座處的載荷，施加約束條件，劃分網(wǎng)格，分工況計(jì)算基座處的最大應(yīng)力。有限元模型見圖6。

圖6 主機(jī)基座模型

施加載荷及船體加速度，分析不同工況下的應(yīng)力值，按照規(guī)范計(jì)算[3]，AH36高強(qiáng)度鋼的最大許用應(yīng)力為248.5 MPa。不同工況設(shè)置情況見表1。主機(jī)基座處的von Mises應(yīng)力云圖見圖4～圖8。

圖7 工況1 Von Mises應(yīng)力云圖

圖8 工況2 Von Mises應(yīng)力云圖

表1 不同工況設(shè)置情況

圖9 工況3 Von Mises應(yīng)力云圖

圖10 工況4 Von Mises應(yīng)力云圖

圖11 工況5 Von Mises應(yīng)力云圖

工況1處最大von Mises應(yīng)力為11.60 MPa，工況2處最大von Mises應(yīng)力為13.67 MPa，工況3處最大von Mises應(yīng)力為11.65 MPa，工況4處最大von Mises應(yīng)力為15.03 MPa，工況5處最大von Mises應(yīng)力為14.94 MPa。該基座最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況4的趾端區(qū)域，最大應(yīng)力為15.03 MPa，遠(yuǎn)小于最大許用應(yīng)力248.5 MPa，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，故基座一體化設(shè)計(jì)是合理的。將一體化設(shè)計(jì)方案與分體設(shè)計(jì)方案比較，一體化設(shè)計(jì)基座的應(yīng)力較小，可改善大型設(shè)備帶來的振動問題。因此，大型工程船設(shè)計(jì)可采用一體化基座設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

對比不同船舶的基座設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1）一體化設(shè)計(jì)可應(yīng)用于大型基座，尤其是在運(yùn)營過程中振動比較嚴(yán)重的區(qū)域，可大大改善焊道撕裂的情況。在設(shè)備安裝前往往會出現(xiàn)精度超標(biāo)的情況，需采用貼板+人工打磨的方式找平，考慮施工過程中反復(fù)兼顧基座安裝及貼板施工的影響，效率較為低下。采用整體機(jī)加工方式可保證安裝面精度，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率。在設(shè)計(jì)過程中，基座可采用一體化基座設(shè)計(jì)。

2）一些小型基座容易存在狹小空間、不易施工等問題。若振動影響較小，則可采用基座與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分體設(shè)計(jì)，在施工過程中基座與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分開建造。由于設(shè)備往往到貨較晚，為保證分段的完整性，先安裝加強(qiáng)結(jié)構(gòu)再。

本文通過對比分析一體化基座的優(yōu)缺點(diǎn)，并利用有限元對強(qiáng)度進(jìn)行校核，最終驗(yàn)證一體化基座滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，研究成果可為以后類似船舶的基座設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。