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        甲板大開口薄板高速艇建造變形控制

        2013-01-11 06:45:30,,
        船海工程 2013年5期
        關鍵詞:總段本船外板

        ,,

        (1.湖北華舟重工應急裝備股份有限公司,武漢 430223;2.武漢船舶設計研究所,武漢 430060;3.武昌船舶重工有限公司,武漢 430060)

        某高速艇由于使用的特殊性,其主船體的#4~#18肋位為大開口,大開口長度占總長的45%,只在舷側(cè)留有100 mm寬度的甲板用于支撐上層建筑。為了滿足航速的要求,全船結(jié)構(gòu)重量受到嚴格控制?;诒敬慕Y(jié)構(gòu)特點,控制建造變形成為焦點。本文從本船結(jié)構(gòu)特點入手,分析變形趨勢和采取的控制措施。

        1 高速艇技術(shù)參數(shù)

        1)主要參數(shù)如下。

        總長Loa=15.5 m;

        船寬B=4.0 m;

        型深D=1.93 m;

        航速V=≥50 km/h。

        2)主要特性。本艇船型為單體、平頭、單底、滑行艇,采用雙機雙泵噴水推進方式。

        主船體為鋼質(zhì)縱骨架式結(jié)構(gòu),甲板室為鋁合金材料橫骨架式結(jié)構(gòu),主船體與上層建筑之間采用“鋁-鈦-鋼”過渡接頭連接。為了控制重量,橫艙壁亦采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)。

        3)艇體板材厚度分布。龍骨板:由艏貫穿于艉,厚度均為4 mm;外板:板厚分別為3、4、5 mm,噴泵區(qū)域為6 mm,機艙區(qū)域為5 mm;舷頂列板均為3 mm;艙壁板、艉封板4 mm,艏封板5 mm,主甲板3、4 mm,鋁質(zhì)艙壁板3 mm。

        2 建造方案

        2.1 船體分段劃分

        主船體:101艉總段(艉~#18+150);

        201艏總段(#18+150~艏)。

        上層建筑:301 機艙乘員艙總段(#4~#18);401 駕駛室總段(#16~#24)。

        2.2 船體建造方式及其胎架

        本船101艉總段正造,201艏總段、301總段和401總段采用以主甲板為基面反造。鑒于本船主尺度較小,整船共有31個肋位,因此整船采用框架法建造。即將每個肋位框架制作出來后,再與甲板、外板進行焊接形成主艇體。

        3 變形趨勢分析

        3.1 中垂變形

        鑒于本船為小型船舶,原則上可采用整體建造法建造,但為了便于控制整船的變形,將主船體分為兩個總段,防止船體產(chǎn)生艏艉上翹的中垂變形。

        3.2 船寬外擴變形

        圖1為該船的某一肋位的橫剖面圖,圖中在甲板處形成一個大開口,僅有100 mm的甲板邊板。對于這種橫剖面,在建造的過程中易產(chǎn)生舷側(cè)外擴即船寬增大的變形。由于本船橫艙壁為鋼鋁結(jié)構(gòu),事實上全船從艉至艏橫剖面都類似于圖1。

        圖1 典型橫剖面示意

        3.3 焊接變形

        薄板構(gòu)件的焊接變形的主要種類如下。

        1) 壓屈失穩(wěn)變形[1](波浪變形)。它不同于彎曲變形的單一形態(tài),波浪變形的翹曲量一般均較大,而且同一構(gòu)件的失穩(wěn)變形形態(tài)有兩種以上。

        2)板件對接直線焊縫。其包括因在橫截面上溫度分布不均勻引起的使對接縫張開的面內(nèi)彎曲變形;焊好的那部分焊縫的橫向收縮引起其與已焊焊縫縱向收縮的面內(nèi)彎曲變形。

        3)鋁合金變形。對于鋁合金薄板材的對接焊縫,其焊接變形問題更為嚴重。由于熱傳導使電弧前方大面積升溫,往往會在板件或環(huán)縫兩側(cè)發(fā)生上凸的面外瞬態(tài)失穩(wěn)[2],其形似角變形。在同樣條件下,鋁板件對接焊后的翹曲失穩(wěn)變形撓度比鋼板的變形值要大30%左右。盡管在鋁板上的焊接殘余應力的絕對值低于鋼板上的數(shù)值,但鋁板在焊后的失穩(wěn)變形仍大于鋼板的變形。

        4 控制變形的措施

        4.1 主尺度的控制及加反變形量措施

        根據(jù)預測的焊接變形大小和方向,在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的反變形量。焊后,焊接殘余變形抵消了預變形量,使構(gòu)件回復到設計要求的幾何型面和尺寸。

        1)改變船舶建造中在每檔肋骨加放余量[2]的做法,采用在大分段的合攏口處加放余量。既減少了每檔加余量的繁瑣,又能保證船舶合攏后的總長。

        2)進行艏艉兩分段合攏前,船臺定位時保持艉部分段的水平,將艏部分段向下埋首5 mm,以防止合攏焊接和校正后產(chǎn)生艏艉上翹變形。

        4.2 分段四角水平度的控制

        4.2.1 艏分段

        見圖2,艏分段在甲板胎架上反造[3],利用水準儀對已上胎架的甲板板的4個角進行水平度檢測并保證4個角的平面度。將各個肋骨框架裝上甲板后,再次測量4個點的水平度,以此來保證艏分段的4角水平。

        4.2.2 艉分段

        見圖3,艉分段在車間采用正造法建造。待艉部分段建造完畢后,將固定基準上的定位線過渡到分段的4個角,以便船臺上對分段進行定位。

        圖2 艏分段反造施工現(xiàn)場

        圖3 艉分段正造施工現(xiàn)場

        4.3 板架不平度的控制

        為防止產(chǎn)生上凸失穩(wěn)的角變形,在焊接的過程中嚴格在焊縫兩側(cè)增加琴鍵式壓馬[4]。鑒于該船的外板和鋁合金上建板材厚度以3 mm為主,壓馬間距取為300 mm,見圖4。經(jīng)測量統(tǒng)計,平直板列在這種狀態(tài)下對接焊后產(chǎn)生的局部不平度和橫肋距不大于1 mm/m,滿足船體制造的精度要求。

        圖4 壓馬布置現(xiàn)場

        圖5所示為在某分段的舷側(cè)外板上加一根75 mm×50 mm×5 mm的角鋼,其點焊在該分段的全長范圍內(nèi)。目的是防止分段在焊接縱焊縫時產(chǎn)生縱向的變形。在增加該措施之后焊接并測量,得到舷側(cè)外板的整體不平度和變形量不大于1 mm,整個分段的總體線型得到較好的保證。

        圖5 加焊馬材現(xiàn)場

        為了防止大合攏口處的焊接變形引發(fā)外板變形,在工藝上采用先從焊縫內(nèi)部焊一道,同時外側(cè)加馬材;再焊外焊縫,并在內(nèi)部焊縫加馬材。此舉有效地保證了該環(huán)縫的焊接質(zhì)量和變形量。

        4.4 大開口處的變形控制

        該船肋骨尺寸主要為L 30×30×4,在4 m的船寬范圍內(nèi)、點焊的前提下,各框架的強度明顯不夠。同時為了避免肋骨框架裝焊時發(fā)生移位、變形,特在局部受力部位增加角鋼支撐。圖6為在拼裝完成的肋骨框架上加裝橫向、豎向的角鋼撐材,經(jīng)尺寸確定正確后再進行焊接。

        圖6 肋骨框架加工現(xiàn)場

        圖7所示為#0~#18區(qū)域的框架分段,其中#4~#18為大開口區(qū)域。為了保證分段在吊運時的強度并避免變形,在分段肋骨每隔1 000 mm的位置上裝焊了橫向支撐材。

        圖7 艉部大開口

        5 結(jié)果

        船體建造完成后,對總長、船寬、型深等進行測量并和理論數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果及主要尺度建造誤差值見表1。

        表1 船體主要尺度建造誤差值 mm

        在嚴格采用以上防止船體焊接變形的各種措施之后,變形控制效果明顯。同時,從表1數(shù)據(jù)來看,大合攏處分段留的反變形值可以在原理論值的基礎上進行適當調(diào)整,以待焊接和校正后使預留量與變形量盡量相互抵消。

        [1] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊3[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

        [2] 黃 浩.船體工藝手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989.

        [3] 徐兆康.船體建造工藝學[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [4] 符宛擔.CB/T4000-2005中國造船質(zhì)量標準[S].北京:交通電子音像出版社,2006.

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