曾 濤，賈曉峰，高 霆

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶制造是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的工程。在將詳細(xì)設(shè)計(jì)的二維圖紙進(jìn)行三維數(shù)字化建模放樣的過(guò)程中，船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)切割下料、裝配、焊接等工藝要求，對(duì)結(jié)構(gòu)型式和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行必要的優(yōu)化調(diào)整，從而減少現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)間，提高企業(yè)生產(chǎn)建造效率。

近年來(lái)，受市場(chǎng)和行業(yè)各種因素影響，船舶設(shè)計(jì)周期不斷壓縮，詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段銜接愈加緊密。詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)需要參考母型船圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，而母型船圖上原詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的二維圖紙會(huì)出現(xiàn)不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。

為此，本文結(jié)合63 500載重噸散貨船現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝，從降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度、減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工時(shí)角度出發(fā)，按照行業(yè)規(guī)范對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，最大限度地提高設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工效率，減少不必要的反復(fù)協(xié)調(diào)工作。

1 典型船體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)典型肘板節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)典型肘板節(jié)點(diǎn)指橫向壁板的扁鋼加強(qiáng)筋與縱桁連接節(jié)點(diǎn)。常見壁板加強(qiáng)筋與縱向結(jié)構(gòu)之間通過(guò)一個(gè)三角肘板連接。肘板與壁板加強(qiáng)筋的厚度、材質(zhì)均一致，且肘板、加強(qiáng)筋、縱向結(jié)構(gòu)三者在一個(gè)平面內(nèi)，見圖1(a)。然后設(shè)計(jì)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)下料、裝配施工的便利性，可以將其調(diào)整為圖1(b)的節(jié)點(diǎn)型式。

圖1 肘板節(jié)點(diǎn)型式

優(yōu)化后的好處在于：2個(gè)零件合并為1個(gè)零件，零件數(shù)量減少，取消了1道焊縫，降低了裝配、焊接工作量，最大限度地降低了焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，提高了構(gòu)件性能和服役安全性；且這樣的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)并沒(méi)有增加生產(chǎn)設(shè)計(jì)建模工作量，反而減少了設(shè)計(jì)繪圖的工作量。但是，若肘板、加強(qiáng)筋、縱向結(jié)構(gòu)三者交線存在一定的夾角或者不在一個(gè)平面時(shí)，則不考慮此種做法。

1.2 肘板趾端節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

在進(jìn)行船體構(gòu)件端部連接型式設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免主要構(gòu)件端部的應(yīng)力集中，構(gòu)件端部使用肘板或者圓弧板連接，端部設(shè)計(jì)為趾端型式，趾高一般不大于肘板趾部厚度，且不小于15 mm，而具體項(xiàng)目的船體結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖提供的尺寸往往都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)15 mm。此時(shí)，對(duì)實(shí)際板厚度大于15 mm的船體構(gòu)件進(jìn)行三維數(shù)字化建模放樣時(shí)，倘若肘板端部開設(shè)焊接坡口，就需要適當(dāng)加大肘板趾端尺寸，否則零件端部切割坡口后，趾端厚度無(wú)法保證15 mm，實(shí)際成品不能滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。艙口肘板趾端示意見圖2。因此，遇到大于15 mm的肘板或者帶有趾端的構(gòu)件，且其端部有焊接坡口時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在放樣建模時(shí)加大趾端處理(推薦節(jié)點(diǎn))或者趾端下口加放余量(亦可調(diào)整余量方向，避免破壞趾端)。推薦節(jié)點(diǎn)見圖3。

圖2 艙口肘板趾端

t—板厚。

1.3 結(jié)構(gòu)型材與板材對(duì)接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

通常情況下，詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖中壁板與型材及肘板對(duì)接節(jié)點(diǎn)見圖4。按照《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)中船體結(jié)構(gòu)焊縫設(shè)計(jì)要求：對(duì)接焊縫與角接焊縫之間的平行距離應(yīng)不小于50 mm。顯然圖4中的壁板與型材對(duì)接節(jié)點(diǎn)不合理，可以將結(jié)構(gòu)對(duì)接位置局部加寬，見圖5。

圖4 壁板與球鋼對(duì)接(單位：mm)

圖5 對(duì)接處局部加寬(單位：mm)

類似的處理方式，板材與型材對(duì)接的節(jié)點(diǎn)可以處理成圖6。構(gòu)件連接處通過(guò)局部扁鋼連接方式進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，這樣既保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性又可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求。

圖6 角鋼與壁板對(duì)接(單位：mm)

1.4 不同規(guī)格的型材對(duì)接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

若遇到2種不同類型或者規(guī)格型材的船體構(gòu)件對(duì)接(見圖7)，球扁鋼與T型材對(duì)接，且腹板有高度落差，可按船級(jí)社相關(guān)要求對(duì)型材面板進(jìn)行尺寸過(guò)渡處理。同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)連貫，避免應(yīng)力集中，T型材面板一定范圍搭接于球鋼。按照船級(jí)社規(guī)范相關(guān)要求，過(guò)渡斜長(zhǎng)范圍應(yīng)為4倍的型材高度差。

h1—T型材高度；h2—球鋼的腹板高度；C—面板自由邊

2 結(jié)構(gòu)風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)

船舶上層建筑區(qū)域主要是供船員日常居住活動(dòng)使用的場(chǎng)所，其各個(gè)房間均有很高的通風(fēng)要求，同時(shí)這些房間區(qū)域周圍的管路、電纜、風(fēng)管、設(shè)備布置錯(cuò)綜復(fù)雜。由于上層建筑區(qū)域居住艙室內(nèi)部綜合空間布置非常有限，空冷專業(yè)的設(shè)計(jì)人員通常需要將局部的風(fēng)管或者風(fēng)道布置在依附于結(jié)構(gòu)艙室圍壁板之上。而在進(jìn)行各專業(yè)之間綜合協(xié)調(diào)時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)施工作業(yè)工序的需求，依附于壁板的風(fēng)道或者通風(fēng)附件，則需要委托船體結(jié)構(gòu)專業(yè)開展并完成相關(guān)設(shè)計(jì)建模放樣和出圖工作。

2.1 腹壁式風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8為一種腹壁式結(jié)構(gòu)風(fēng)道，其風(fēng)道一側(cè)圍板與結(jié)構(gòu)壁板扶強(qiáng)材所處位置重合。此時(shí)可以取消扶強(qiáng)材，直接將風(fēng)道壁板與艙壁結(jié)構(gòu)壁板角接，用板材取代型材，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有削弱，相反生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)施工能夠減少1道對(duì)接焊縫，同時(shí)節(jié)約1根型鋼材料。

因此，結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)不能減弱原結(jié)構(gòu)周圍強(qiáng)度。

(2)風(fēng)道空間狹小，應(yīng)盡可能減少結(jié)構(gòu)零件及焊縫數(shù)量。

(3)應(yīng)便于現(xiàn)場(chǎng)裝配、焊接和涂裝作業(yè)。

(4)必要的位置需要開設(shè)人孔，便于后期檢查維護(hù)。

圖8 結(jié)構(gòu)風(fēng)道優(yōu)化

2.2 通風(fēng)靜壓箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通風(fēng)靜壓箱作為一種減少通風(fēng)系統(tǒng)噪聲、穩(wěn)定氣流風(fēng)量的必要附件裝置，與風(fēng)管及百葉窗等相連，通常安裝于結(jié)構(gòu)壁板上，但是在生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型布置時(shí)往往會(huì)與周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉。為了消除干涉問(wèn)題和企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的需要，設(shè)計(jì)人員可將通風(fēng)靜壓箱設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)箱體。此時(shí)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和現(xiàn)場(chǎng)裝配焊接的便利性，將靜壓箱周圍結(jié)構(gòu)零件合并處理，減少焊縫，有效提高施工作業(yè)效率，見圖9。需要注意的是：要求空冷專業(yè)盡早確定通風(fēng)布置方案，船體專業(yè)可以在結(jié)構(gòu)模型出圖前階段完成風(fēng)道建模工作，這樣可以較大程度上減少生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)間。靜壓箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以參考腹壁式風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖9 靜壓箱結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化

3 船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合分析

以某63 500載重噸散貨船上層建筑區(qū)域結(jié)構(gòu)風(fēng)道(1 m×1 m箱體)和貨艙區(qū)域過(guò)道甲板結(jié)構(gòu)橫梁連接肘板(圖1)為例，從船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，按照難度系數(shù)、工時(shí)消耗分別進(jìn)行優(yōu)化前后

對(duì)比，其結(jié)果見表1。優(yōu)化前工時(shí)和難度系數(shù)定義為1。全船能夠節(jié)約的耗材和工時(shí)物量數(shù)據(jù)見表2。

表1 設(shè)計(jì)建模及現(xiàn)場(chǎng)施工優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 全船節(jié)省焊接物量

從表1可知，對(duì)船體結(jié)構(gòu)型式和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)整，并不會(huì)給設(shè)計(jì)人員增加工作難度和工作量，反而能夠降低現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)難度，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

從表2可知，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，全船能夠給企業(yè)生產(chǎn)施工節(jié)約焊接材料，從而減少不必要的焊接消耗、工時(shí)浪費(fèi)。另外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，對(duì)目前各大企業(yè)倡導(dǎo)的降本增效、提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，也有較大的積極促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

(1)滿足相關(guān)法規(guī)準(zhǔn)則為前提，要以現(xiàn)場(chǎng)施工合理、便利、安全角度出發(fā)開展設(shè)計(jì)工作。

(2)結(jié)合船體結(jié)構(gòu)專業(yè)理論知識(shí)，提高自己的思考探索意識(shí)，積極主動(dòng)將更便捷、更容易的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)化成模型和施工圖紙。

(3)切實(shí)有效借助當(dāng)下三維數(shù)字化建模放樣手段，科學(xué)有效地提高企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。