黃加強(qiáng)

海軍駐武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所軍事代表室，湖北武漢430205

0 引 言

在錐殼與柱殼之間嵌入一段環(huán)殼塊，取環(huán)殼塊子午線所對(duì)的圓心角等于錐殼半錐角，并使環(huán)殼塊的兩側(cè)分別與錐殼、柱殼形成光順連接，這種錐—柱結(jié)合部的新型連接形式稱為“加肋錐—環(huán)—柱結(jié)合殼”（以下簡(jiǎn)稱“錐—環(huán)—柱結(jié)合殼”）。理論分析和系列模型試驗(yàn)［1-7］證明：錐—環(huán)—柱結(jié)合殼可以很好地解決由于錐—柱結(jié)合處兩側(cè)殼母線斜率不連續(xù)而造成該區(qū)域較高應(yīng)力集中的問(wèn)題，是一種優(yōu)越的錐—柱結(jié)合殼連接結(jié)構(gòu)形式；然而錐—環(huán)—柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)在加工建造過(guò)程中不可避免地會(huì)岀現(xiàn)初始幾何缺陷。要研究初始幾何缺陷對(duì)錐—環(huán)—柱結(jié)合殼力學(xué)性能的影響，首先需要研究初始幾何缺陷的部位及形態(tài)。目前有學(xué)者［8-11］針對(duì)球殼、圓柱殼等結(jié)構(gòu)的不圓度、肋間殼板凹凸度等初始幾何缺陷形式，分析了初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響；但對(duì)于錐—環(huán)—柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷的產(chǎn)生原因及形態(tài)分析還未見報(bào)道。為此，本文擬從錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的實(shí)際加工建造過(guò)程出發(fā)，分析初始幾何缺陷出現(xiàn)的原因及部位，并對(duì)初始幾何缺陷的形態(tài)進(jìn)行總結(jié)，以利于分析初始幾何缺陷對(duì)錐—環(huán)—柱結(jié)合殼力學(xué)性能的影響。

1 錐—環(huán)—柱結(jié)合殼加工過(guò)程

錐—環(huán)—柱結(jié)合殼加工過(guò)程為：環(huán)殼塊及其延伸段采用數(shù)控機(jī)床車削加工；在環(huán)殼塊殼兩端分別通過(guò)角焊焊接1，2 號(hào)肋骨（圖1）形成環(huán)殼段；再通過(guò)環(huán)焊與艇體圓柱殼段、圓錐殼段對(duì)接，形成含錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的艙段結(jié)構(gòu)。其中，肋骨焊接方式以及殼板對(duì)接方式與普通環(huán)肋圓柱殼的加工建造相似，在此不再贅述，重點(diǎn)介紹環(huán)殼塊的機(jī)加工過(guò)程。

圖1 錐—環(huán)—柱結(jié)合殼焊縫示意圖Fig.1 Welding line of cone-toroid-cylinder combined shell

錐—環(huán)—柱結(jié)合殼加工工藝流程圖如圖2所示。

圖2 錐—環(huán)—柱結(jié)合殼模型加工工藝流程圖Fig.2 Processing flow chart of cone-toroid-cylinder combined shell model

環(huán)殼段的加工分為毛坯加工與車削加工2部分。

1）環(huán)殼段毛坯加工。

選取圓柱殼用于環(huán)殼段的毛坯（圖3）加工，用刨邊機(jī)加工坡口。

圖3 用于加工環(huán)殼段的圓柱形毛坯Fig.3 Cylindrical roughcast for toroid processing

2）環(huán)殼段車削加工。

（1）選用單柱移動(dòng)數(shù)控立式車床，將環(huán)殼段吊上立車回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使環(huán)殼段中心線與回轉(zhuǎn)平臺(tái)中心線對(duì)齊，偏差不大于1 mm。

（2）調(diào)整環(huán)殼段的狀態(tài)，將環(huán)殼段點(diǎn)焊在一塊圓形鋼板上，并用專用夾具將鋼板固定牢固。

（3）根據(jù)環(huán)殼段機(jī)加工技術(shù)要求，確定需車削的余量，編寫車削程序。

（4）車削加工時(shí)，根據(jù)立車的加工能力并結(jié)合環(huán)殼段的余量值，合理確定進(jìn)刀量。當(dāng)車削加工進(jìn)行到最后一刀之前，根據(jù)需要停車檢查環(huán)殼段剩下的余量值，確定進(jìn)刀量后再進(jìn)行最后一刀的車削加工。

（5）環(huán)殼段車削加工時(shí)，先加工兩端面，再加工環(huán)殼段內(nèi)表面，接下來(lái)是環(huán)殼段外表面，最后加工坡口。

圖4 所示為一加工成型的錐—環(huán)—柱結(jié)合殼模型。

圖4 錐—環(huán)—柱結(jié)合殼模型示意圖Fig.4 Cone-toroid-cylinder combined shell model

2 錐—環(huán)—柱結(jié)合殼初始幾何缺陷出現(xiàn)原因及部位分析

從第1 節(jié)分析可知，錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的加工建造過(guò)程主要包括環(huán)殼段的車削加工，以及肋骨、相鄰錐柱殼的裝配與焊接等，現(xiàn)從以上3 個(gè)方面分析各主要過(guò)程可能出現(xiàn)的初始幾何缺陷。

1）環(huán)殼段車削加工所采用的單柱移動(dòng)數(shù)控立式車床，車削精度一般可達(dá)0.1 mm，精度較高。與環(huán)肋圓柱殼焊接加工相比，可能產(chǎn)生的初始幾何缺陷幅值量級(jí)較小，可視為無(wú)初始幾何缺陷。

2）肋骨的裝配與焊接主要包括1，2 號(hào)肋骨之間的裝配與焊接。由第1 節(jié)的分析可知，此處采用角焊，產(chǎn)生1，2 號(hào)角焊縫，如圖1 所示。肋骨與環(huán)殼段殼板的裝配與角焊引起1，2 號(hào)肋骨的初始幾何缺陷。

3）殼板的裝配與焊接主要為圓柱殼延伸段和圓錐殼延伸段通過(guò)對(duì)接焊焊接到相鄰的圓柱殼與圓錐殼，形成1，2 號(hào)環(huán)焊縫。該環(huán)焊縫引起殼板的初始幾何缺陷。

3 錐—環(huán)—柱結(jié)合殼初始幾何缺陷形態(tài)分析

初始幾何缺陷對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)的影響，可以在殼體的非線性幾何方程中得到體現(xiàn)［12］。忽略初始幾何缺陷引起的殘余應(yīng)力，則初始幾何缺陷的分布與形態(tài)直接決定幾何方程的修正方式。環(huán)肋錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的初始幾何缺陷分為肋骨初始幾何缺陷以及殼板初始幾何缺陷2 部分，其具體的分布情況如第2 節(jié)所述。現(xiàn)參考現(xiàn)行規(guī)范［13］，分別分析肋骨初始幾何缺陷與殼板初始幾何缺陷的形態(tài)。

3.1 肋骨初始幾何缺陷形態(tài)分析

肋骨初始幾何缺陷的表現(xiàn)形式主要有以下3種：肋骨垂直度偏差、肋骨波紋度偏差以及肋骨初撓度。其中，肋骨垂直度偏差與肋骨波紋度偏差容易修正，而肋骨徑向初撓度則不易修正。由第2 節(jié)的分析可知，錐—環(huán)—柱結(jié)合殼肋骨初始幾何缺陷的產(chǎn)生起因于1，2 號(hào)角焊縫。肋骨焊接缺陷統(tǒng)計(jì)分析表明：角焊縫引起的肋骨垂直度偏差與波紋度偏差幅值較小，易于修正，對(duì)錐—環(huán)—柱結(jié)合殼力學(xué)性能的影響較??；而角焊縫引起的初撓度幅值相對(duì)較大，不易修正，對(duì)錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的力學(xué)性能影響較大。圖4 所示模型產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量記錄顯示：肋骨垂直度偏差測(cè)量40 個(gè)點(diǎn)，所測(cè)最大值為規(guī)范允許值（0.3h，其中h 為肋骨高度）的50.5%；肋骨波紋度偏差測(cè)量104 個(gè)點(diǎn)，所測(cè)最大值為規(guī)范允許值（0.3h，其中h 為肋骨高度）的40.4%。垂直度偏差與波紋度偏差值均較小，且易于修正。

肋骨初撓度測(cè)量32 個(gè)點(diǎn)，1，2 號(hào)肋骨根部各16 個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，1～16 號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在1 號(hào)肋骨，17～32 號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在2 號(hào)肋骨。表1 和圖5 所示為肋骨初撓度測(cè)量結(jié)果。

表1 初撓度測(cè)量結(jié)果Tab.1 The measuring results of initial deflection

圖5 肋骨初撓度沿環(huán)向坐標(biāo)變化情況Fig.5 Variation of rib's initial deflection with respect to ring coordinates

從圖5 中可以看出，1 號(hào)肋骨初撓度沿環(huán)向呈4 個(gè)半波，2 號(hào)肋骨初撓度沿環(huán)向呈8 個(gè)半波。根據(jù)大量環(huán)肋薄殼結(jié)構(gòu)的建造經(jīng)驗(yàn)，初撓度沿環(huán)向的形態(tài)主要有4個(gè)半波、6 個(gè)半波、8個(gè)半波或其它組合波形等。圖5 所示模型初撓度測(cè)量結(jié)果符合環(huán)肋薄殼結(jié)構(gòu)的建造規(guī)律。圖6 所示為肋骨初撓度典型周向波形示意圖。

圖6 肋骨初始幾何缺陷示意圖Fig.6 Initial deflection of ribs

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：圓柱殼、圓錐殼肋骨初撓度幅值不得大于0.002 5R（R 為耐壓殼殼板半徑）；與相鄰圓柱殼、圓錐殼的要求一樣，錐—環(huán)—柱結(jié)合殼肋骨初撓度幅值也不得大于0.002 5R，其幅值變化范圍為0～0.002 5R。

3.2 殼板初始幾何缺陷形態(tài)分析

殼板的初始幾何缺陷主要為由1，2 號(hào)環(huán)焊縫引起的殼板局部凹凸度（圖7），集中在圓柱殼段和圓錐殼段的肋間殼板上。

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：圓柱殼、圓錐殼殼板凹凸度的幅值不得超過(guò)0.2t（t 為殼板厚度）；與相鄰圓柱殼、圓錐殼要求一樣，錐—環(huán)—柱結(jié)合殼殼板凹凸度的幅值不得超過(guò)0.2t，其幅值變化范圍為0～0.2t。圖4 所示模型的測(cè)量結(jié)果顯示，其殼板局部凹凸度最大幅值為規(guī)范允許幅值的44.1%，所測(cè)32 個(gè)點(diǎn)全部在允許范圍之內(nèi)，具體數(shù)值見表2。

圖7 圓柱殼段殼板凹凸度示意圖Fig.7 Convex-concave of cylinder's shell

表2 殼板凹凸度測(cè)量情況Tab.2 The measuring results of initial convex-concave

圖8 所示為根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果繪制的殼板凹凸度隨環(huán)向坐標(biāo)變化情況。

圖8 殼板凹凸度隨環(huán)向坐標(biāo)變化情況Fig.8 Variation of shell's convex-concave with respect to ring coordinates

從圖8 中可以看出，殼板凹凸度基本上呈波形變化，出現(xiàn)的位置及幅值大小具有隨機(jī)性。然而殼板凹凸度的隨機(jī)性不利于進(jìn)一步分析。因此在進(jìn)行理論分析時(shí)，不妨選取與含錐—環(huán)—柱結(jié)合殼艙段的一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)中圓柱殼段、圓錐殼段殼板變形相同的殼板凹凸度作為分析對(duì)象，雖偏于安全，但易于得到經(jīng)驗(yàn)類結(jié)論，以指導(dǎo)錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的應(yīng)用。

4 結(jié) 論

錐—環(huán)—柱結(jié)合殼是一種優(yōu)秀的錐—柱連接結(jié)構(gòu)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。研究錐—環(huán)—柱結(jié)合殼初始幾何缺陷，可以更精確地分析錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的力學(xué)狀態(tài)，指導(dǎo)其應(yīng)用。本文從錐—環(huán)—柱結(jié)合殼的加工過(guò)程出發(fā)，分析錐—環(huán)—柱結(jié)合殼在加工建造過(guò)程中初始幾何缺陷可能產(chǎn)生的原因及部位，并對(duì)初始幾何缺陷形態(tài)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1）錐—環(huán)—柱結(jié)合殼初始幾何缺陷主要因肋骨與殼板的角焊縫及殼板之間的環(huán)焊縫產(chǎn)生；

2）錐—環(huán)—柱結(jié)合殼初始幾何缺陷主要為肋骨初撓度以及殼板凹凸度，其中肋骨初撓度集中在環(huán)殼段兩端的1，2 號(hào)肋骨，殼板凹凸度集中在圓柱殼段、圓錐殼段的肋間殼板上；

3）肋骨初撓度形態(tài)主要為4，6，8 個(gè)半波或其他組合波形，殼板凹凸度可取艙段一階失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的肋間殼板屈曲形態(tài)。

本文論述了錐—環(huán)—柱結(jié)合殼初始幾何缺陷的主要部位及形態(tài)，可為后續(xù)分析初始幾何缺陷對(duì)錐—環(huán)—柱結(jié)合殼力學(xué)性能的影響提供基礎(chǔ)，并對(duì)實(shí)艇錐—環(huán)—柱結(jié)合殼加工建造階段控制加工精度有指導(dǎo)作用。

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