一體化基座在挖泥船結構設計中的應用

高 劍

（大連中遠海運重工有限公司，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，耙頭同時具有機械疏松與水力疏松的功能。耙吸挖泥船在抵達施工位置時，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。當船舶滿載或達到合適裝載量時，停止挖泥，并航行至指定地點進行卸泥。卸泥方式包括拋泥、吹填、艏噴和回填[1]。耙吸船的主要設備包括泥耙、泥泵、閘閥、管道系統和泥艙。耙吸船工作時振動較為劇烈，若采用常規非連續性設計，則主機、泥泵等設備基座處振動較大，往往會導致焊道的撕裂。為解決該問題，本文提出在大型設備處使用基座結構一體化設計。

在常規建造設計的船舶中，基座及基座下方的加強結構采用非連續性設計，此設計形式便于建造施工。然而，對于大型工程船，設備振動往往會導致焊縫撕裂等問題。本文在保證大型基座滿足結構強度要求的前提下，采用一體化設計，以減少振動、改善船舶結構性能、減少基座與下方加強結構錯位的情況。

1 設計情況

一體化基座設計將基座與加強結構設計成一個整體，既可增強整個基座的剛度，還能減小振動源對結構的影響。

1.1 主要差異

某大型成品油輪主機基座結構設計圖見圖 1，節點俯視圖見圖 2，某耙吸挖泥船主機基座結構設計圖見圖3。

圖1 某大型成品油輪主機基座結構設計圖（單位：mm）

圖2 節點俯視圖（單位：mm）

圖3 某耙吸挖泥船主機基座結構設計圖（單位：mm）

1.2 優缺點分析

1.2.1 優點分析

由圖3可知，某耙吸挖泥船主機基座是一體的，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。基座的整體性不僅能有效解決船舶設計中加強結構與基座錯位的情況，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，基座結構與加強結構在平臺處斷開，主機基座與加強結構需要在此處角焊。根據船舶運營經驗，在船舶長期運行過程中，主機振動會對周圍的構件造成影響，長此以往會導致部分焊道產生裂縫。采用一體化設計以后，整體結構的剛度較大，可顯著減小主機及泥泵等設備振動對基座的影響。

1.2.2 缺點分析

基座設計成一個整體時往往會出現一些狹小空間與施工困難的問題。本船設計的齒輪箱基座及加強結構在模型評審過程中發現存在裝配困難、焊接質量難以保證的情況。

齒輪箱基座結構設計圖見圖 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。若按照原始方案進行設計，基座整體安裝時存在焊接變形和施工公差難以調整的問題，無法順利裝配。若現場研配，則會導致基座腹板與甲板上下角焊縫間隙超差。

圖4 齒輪箱基座結構圖

2 一體化基座設計

2.1 結構形式優化

大型基座的操作空間較大，加強結構間距也較大，不存在施工與裝配不方便的問題。但是一些結構加強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，現場研配切割會導致平臺處上下角焊縫間隙超差。

如圖5所示，一體化基座優化方案如下：原有設計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，在不改變原有結構形式與強度的情況下，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。此優化方案既可滿足結構強度要求，且施工便利。

圖5 一體化基座優化方案

2.2 結構強度可靠性分析

大型基座作為主船體的一部分，屬于主要結構，建立有限元模型分析一體化設計的結構強度，設計校對流程如下：

1）規范計算。按照相應船級社規范[2]對基座處的構件進行計算分析，確定板厚及構件規格。

2）有限元計算分析。根據基座處的載荷，施加約束條件，劃分網格，分工況計算基座處的最大應力。有限元模型見圖6。

圖6 主機基座模型

施加載荷及船體加速度，分析不同工況下的應力值，按照規范計算[3]，AH36高強度鋼的最大許用應力為248.5 MPa。不同工況設置情況見表1。主機基座處的von Mises應力云圖見圖4～圖8。

圖7 工況1 Von Mises應力云圖

圖8 工況2 Von Mises應力云圖

表1 不同工況設置情況

圖9 工況3 Von Mises應力云圖

圖10 工況4 Von Mises應力云圖

圖11 工況5 Von Mises應力云圖

工況1處最大von Mises應力為11.60 MPa，工況2處最大von Mises應力為13.67 MPa，工況3處最大von Mises應力為11.65 MPa，工況4處最大von Mises應力為15.03 MPa，工況5處最大von Mises應力為14.94 MPa。該基座最大應力出現在工況4的趾端區域，最大應力為15.03 MPa，遠小于最大許用應力248.5 MPa，結構滿足強度要求，故基座一體化設計是合理的。將一體化設計方案與分體設計方案比較，一體化設計基座的應力較小，可改善大型設備帶來的振動問題。因此，大型工程船設計可采用一體化基座設計。

3 結論

對比不同船舶的基座設計，結合有限元計算結果，可得出如下結論：

1）一體化設計可應用于大型基座，尤其是在運營過程中振動比較嚴重的區域，可大大改善焊道撕裂的情況。在設備安裝前往往會出現精度超標的情況，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。采用整體機加工方式可保證安裝面精度，進而提升生產效率。在設計過程中，基座可采用一體化基座設計。

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結構分體設計，在施工過程中基座與加強結構分開建造。由于設備往往到貨較晚，為保證分段的完整性，先安裝加強結構再。

本文通過對比分析一體化基座的優缺點，并利用有限元對強度進行校核，最終驗證一體化基座滿足結構強度要求，研究成果可為以后類似船舶的基座設計提供參考和借鑒。