甲板大開(kāi)口薄板高速艇建造變形控制

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(1.湖北華舟重工應(yīng)急裝備股份有限公司,武漢 430223；2.武漢船舶設(shè)計(jì)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(kāi)口，大開(kāi)口長(zhǎng)度占總長(zhǎng)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(yán)格控制?；诒敬慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制建造變形成為焦點(diǎn)。本文從本船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，分析變形趨勢(shì)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(zhǎng)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(jī)雙泵噴水推進(jìn)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(guò)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?yàn)? mm，機(jī)艙區(qū)域?yàn)? 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(jī)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(gè)肋位，因此整船采用框架法建造。即將每個(gè)肋位框架制作出來(lái)后，再與甲板、外板進(jìn)行焊接形成主艇體。

3 變形趨勢(shì)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(gè)總段，防止船體產(chǎn)生艏艉上翹的中垂變形。

3.2 船寬外擴(kuò)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(gè)大開(kāi)口，僅有100 mm的甲板邊板。對(duì)于這種橫剖面，在建造的過(guò)程中易產(chǎn)生舷側(cè)外擴(kuò)即船寬增大的變形。由于本船橫艙壁為鋼鋁結(jié)構(gòu)，事實(shí)上全船從艉至艏橫剖面都類(lèi)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(lèi)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(duì)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(duì)接縫張開(kāi)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(duì)于鋁合金薄板材的對(duì)接焊縫，其焊接變形問(wèn)題更為嚴(yán)重。由于熱傳導(dǎo)使電弧前方大面積升溫，往往會(huì)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(duì)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(yīng)力的絕對(duì)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(yù)測(cè)的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時(shí)造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的反變形量。焊后，焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量，使構(gòu)件回復(fù)到設(shè)計(jì)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(zhǎng)。

2)進(jìn)行艏艉兩分段合攏前，船臺(tái)定位時(shí)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(jiàn)圖2，艏分段在甲板胎架上反造[3]，利用水準(zhǔn)儀對(duì)已上胎架的甲板板的4個(gè)角進(jìn)行水平度檢測(cè)并保證4個(gè)角的平面度。將各個(gè)肋骨框架裝上甲板后，再次測(cè)量4個(gè)點(diǎn)的水平度，以此來(lái)保證艏分段的4角水平。

4.2.2 艉分段

見(jiàn)圖3，艉分段在車(chē)間采用正造法建造。待艉部分段建造完畢后，將固定基準(zhǔn)上的定位線過(guò)渡到分段的4個(gè)角，以便船臺(tái)上對(duì)分段進(jìn)行定位。

圖2 艏分段反造施工現(xiàn)場(chǎng)

圖3 艉分段正造施工現(xiàn)場(chǎng)

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(guò)程中嚴(yán)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(jiàn)圖4。經(jīng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，平直板列在這種狀態(tài)下對(duì)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(chǎng)

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(diǎn)焊在該分段的全長(zhǎng)范圍內(nèi)。目的是防止分段在焊接縱焊縫時(shí)產(chǎn)生縱向的變形。在增加該措施之后焊接并測(cè)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(gè)分段的總體線型得到較好的保證。

圖5 加焊馬材現(xiàn)場(chǎng)

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(shí)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(kāi)口處的變形控制

該船肋骨尺寸主要為L(zhǎng) 30×30×4，在4 m的船寬范圍內(nèi)、點(diǎn)焊的前提下，各框架的強(qiáng)度明顯不夠。同時(shí)為了避免肋骨框架裝焊時(shí)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(jìn)行焊接。

圖6 肋骨框架加工現(xiàn)場(chǎng)

圖7所示為#0～#18區(qū)域的框架分段，其中#4～#18為大開(kāi)口區(qū)域。為了保證分段在吊運(yùn)時(shí)的強(qiáng)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(kāi)口

5 結(jié)果

船體建造完成后，對(duì)總長(zhǎng)、船寬、型深等進(jìn)行測(cè)量并和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果及主要尺度建造誤差值見(jiàn)表1。

表1 船體主要尺度建造誤差值 mm

在嚴(yán)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(shí)，從表1數(shù)據(jù)來(lái)看，大合攏處分段留的反變形值可以在原理論值的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以待焊接和校正后使預(yù)留量與變形量盡量相互抵消。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)3[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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

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

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