设备基座下加强结构节点优化

设备基座下加强结构节点优化

王佳波 1 马春清 2 屈凤鸣 3

广州文冲船舶修造有限公司

摘要：设备基座结构在船舶中应用非常普遍，其为设备提供一个稳定的工作平台，使设备能平稳有效的运行。而设备底座加强对于大型设备及受较大的周期性激震力影响的设备底座的疲劳强度及船体局部强度具有非常重大的影响，而不同的加强型式对于对船体强度及使用性能各有特点。文中以FPSO CDS海工项目中备用冷凝器基座为例，结合ABAQUS有限元分析软件，探讨基座结构及下加强结构的优化型式，力求使结构性能得到优化，以及施工环境得到优化，最终给出一种优化后的基座及下加强结构节点，为后续的设备基座提供参考。

关键词：基座；下加强；ABQAUS有限元；优化

1 工程概况

大型海工项目VLCC改FPSO时，设备基座的应用非常普遍，而备用冷凝器，独立布置于机舱底与机舱三甲板之间。在FPSO改装设计中在此处单独设计了一个承重平台，以便合理的利用机舱内空间。备用冷凝器平台设计自重3720.5kg，备用冷凝器设备自重8240kg，设备基座自重747.2kg。平台通过应力计算，在12.2t的质量力下，依然在材料屈服极限以内。所以，在此种情况下，我们可以探讨基座不同的下加强型式对结构局部强度的影响，而可以得到比较准确的结果。

2 基座结构及加强型式

原始设计基座型式及加强型式如下图1，图中的基座型式采用两块分体基座集合下加强角钢组成。

图1

由图中可见基座的组成部件非常多，共由48块零部件组成，其中下加强结构零件36个；而且由于下加强结构与平台自身的加强结构间距很小，现场施工非常不方便。

3 提出优化方案

为了减少基座结构的零部件，优化现场的施工环境，可以考虑将下加强角钢的型式进行修改，比如改为月牙板、扁铁，或者是在强度满足要求的情况下，下加强结构是否可以取消？可以将以上疑问归结为两点进行验证：

a.下加强结构由角钢加肘板的型式修改为月牙板，可以减少焊接和打磨工作量，也可以增加施工间隙，方便现场施工；

b.验证在取消下加强的情况下，结构强度是否满足要求。

4 ABQAUS软件计算验证

结合以上提出的方案，我们需要对基座及下加强结构进行三种工况下的应力验证。

4.1 原始工况下的应力及变形

网格划分方法使用比较规则的四边形网格法，使用这种网格计算的结果会更准确。

下图2为基座在8240kg的集中力作用下，平台体的应力情况分布，从图中可以看出最大应力为129.9MPa，低于材料的屈服极限。

下图3为基座在8240kg集中力作用下，平台结构的变形挠度，从图中可以看出在此工况下最大变形挠度为1.035x10^-2mm。

图2 图3

4.2 基座下加强结构修改为月牙板时的应力及变形

三维模型及网格划分如下图4，图中红线位置型材为FB120X9的月牙板。

图4 图5

在换成月牙板时，基座在8240kg集中力作用下平台的应力分布如下图5，从图中可以看出平台的最大局部应力为129.9MPa，结果与角钢加强的一样。

在换成月牙板时，基座在8240kg集中力作用下平台的变形挠度如下图6，从图中可以看出平台的最大局部变形为1.068x10^-2mm，较角钢加强的情况变形加大了3.3x10^-4mm。

图6 图7

4.3 在基座下加强结构全部取消时的应力及变形

三维模型及网格划分如下图7，图中已经取消原纵向的加强型材，只保留了基座腹板下方的横向加强T型材。

在将纵向加强取消时，基座在8240kg集中力作用下平台的应力分布如下图8，从图中可以看出平台的最大局部应力为130MPa，较上两种情况应力增加了0.1MPa。

图8 图9

在将纵向加强取消时，基座在8240kg集中力作用下平台的变形挠度如下图9，从图中可以看出平台的最大局部变形为1.117x10^-2mm，较上两种工况均有增大。

5 结论

通过以上的验证过程，我们将以上三种工况下的数据以表格列出，方便比较，如下表1：

表1，三种工况下应力应变的比较

从上表结果对比可知，随着基座下加强情况由角钢变为月牙板再变为取消纵向加强，结构的局部剖面模数是逐渐减小，相应的应力会逐渐增大，应变也相应变大。因为承重平台的强度比较高，可以承受12.2t的质量力而不会被破坏，所以在设备加底座总重不足9000kg时，根据此基座的设计形式，可以取消纵向的加强型材而不会对结构强度产生影响。

6 结束语

设备底座虽然结构微小，但是作用却是重大。对于不同的设备而言，所要求的底座型式及加强型式也是大不相同。对于像主机基座此类的大型设备基座，因设备本身会产生较大的周期性激震力及较大的震动噪声，除了需要对基座及周边结构进行减震降噪处理外，还需要进行复杂的疲劳加强；而对于配电板、电箱这类的小型设备或工具，因本身重量很轻，也不会产生震动，所以大部分都只需要做简单支架进行支撑。即便将下加强结构都省去，也不会影响局部强度。

参考文献

1. 庄茁.ABAQUS/Standard有限元软件入门指南【M】.清华大学出版社，1988.

2. 基于ANSYS的铁塔基座强度分析与结构优化[J]. 生开明,王宁.  机械工程与自动化. 2020（06）

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[5]连接接头对复合材料基座减振性能影响研究[J]. 康逢辉,吴医博,杨瑞瑞.  材料开发与应用. 2013（05）