船舶槽型舱壁加工关键技术研究_李敏.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言为了能在采用同等厚度钢板的基础上获得更高承载能力的舱壁，船舶货舱常常使用槽型舱壁，即有并列纵向槽的舱壁结构，这种结构在油船和散货船中应用广泛，大型船舶在分舱时，槽型舱壁既可以节约用钢，同时能提高结构强度。目前，槽型舱壁的加工还是以先压后拼为主，在很多造船企业，由于油压机限制，都需要分块压制后再拼成整体，这样的加工方式对加工幅面有极大限制，加工完成后通过焊接进行二次拼接，由此产生焊接残余应力，削弱了槽型舱壁之于加筋板的优势，同时多重加工也会造成人力成本的提升，降低生产效率，故在不需购入大型设备基础上的新型舱壁加工关键技术研究对推进船厂生产技术革新有重要意义。1 槽型舱壁的强度影响参数分析槽型舱壁的几何特征如图 1 所示。图 1 槽型舱壁单个槽体截面图船舶槽型舱壁加工关键技术研究李 敏1，2，宋 倩1，3（1.山东省船舶控制工程与智能系统工程技术研究中心，山东 威海 264300；2.招商局金陵船舶（威海）有限公司，山东 威海 264205；3.威海海洋职业学院，山东 威海 264300）摘 要：槽型舱壁作为常用的分舱结构被广泛应用于大型船舶，但现在国内外很多船厂槽型舱壁依然通过油压机分块压制加工后拼接成型。在研究槽型舱壁的特点、分析槽型舱壁强度影响因子的基础上，对槽型舱壁加工的关键技术进行研究，设计一种新型的槽型舱壁生产加工装置，在保证槽型舱壁生产质量的同时提升其生产效率，进行了实践推广，取得了良好的改进反馈。关键词：槽型舱壁；加工工艺；结构强度中图分类号：U663.4 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.016 引用格式李敏,宋倩.船舶槽型舱壁加工关键技术研究 J.船舶物资与市场,2023,31(3):49-52.收稿日期：2022-10-02 基金项目：山东省船舶控制工程与智能系统工程技术研究中心 2020 年科研开放专项资金项目（SSCC20200004）作者简介：李敏（1982-），男，本科，工程师，研究方向为船舶与海洋工程。图中：a 为翼板宽，c 为腹板宽，tf为槽型翼板厚，tw为槽型腹板厚，d 为槽型腹板的垂向高度，为槽型角度。在不单独考虑槽型舱壁单槽体拐角板厚变化时，剖面惯性矩 I 和剖面模数 w 可简化为：ad 2tfat 3tftwI=+d 3 266 sin，（1）w=adtf+d 2 d/2Itw3 sinat 3tf3d。（2）截面面积 A 为：A=2atf+2ctw。早在 1955 年，Caldwell 通过一系列实验总结出了关于槽型舱壁的简单经验公式1，这些公式被证明在现代的简单计算时依然适用。如在两端简支时，单个槽型舱壁的翼板极限应力为：EF=k2f E12(1-v2)atf2，（3）腹板极限应力为：EF=k2w E12(1-v2)atf2。（4）式中：E 为杨氏模量，kf为翼板的屈曲系数，kw为腹板的屈曲系数，根据 a/c 值的不同，进行实验取值。1997 年，Paik 研究发现，之前大部分实验拘于单个槽体，而单槽型的槽型角度比实际真实的槽型角度要小2。同时，基于水压荷载进行的槽形板实验，无法进行后屈曲特性的总结。基于以上发现，Paik进行了系列改良试验，得到了槽型舱壁的极限弯矩：船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 50 Mu=of Af g+ow Aw sing2d+uw Aw sin(d-g)2d+uf Af (d-g)，（5）式中：Af为槽型翼板的面积，Af =a tf；Aw为槽型腹板的面积，Aw=a tw；d 为垂向高度，d=c sin；g 为极限状态下中和轴的高度，g=(uf -of)Af+2uw Aw sin2ow+uw Aw sin；of，ow分别为槽型翼板和腹板的屈服强度；uf，uw分别为槽型翼板和腹板的极限强度。uf和 uw可以借用 Paik&Thayam-balli 的经验公式确定 uo=10.996+0.17 2，（6）式中：u为极限屈服强度，翼板为 uf，腹板为 uw；-对于翼板 f =ofEatw，对于腹板 w =owEatw；o为屈服强度，对于翼板为 of，对于腹板为 ow。由简支梁受均布荷载弯曲公式，极限弯曲与极限压强之间关系为：Mu=18 q l 2=18 2（a+c cos）pn l 2=l 2(a+c cos)4 pu，（7）式中：pu为极限压强，N/mm2。2006 年的钢质海船入级规范对对称的槽型舱壁尺寸做出以下规定：1）关于槽型舱壁的设计，按照剖面模数与其他因素等共同决定，一个槽型宽度的剖面模数应不小于：W=CShl 2 ，（8）式中：l 为槽型的跨距；S 为槽型的全宽；h 为水密槽型舱壁中在舷侧由槽型跨距中点到舱壁甲板的垂直距离，一般不小于 2 m；C 为系数，舱壁直接连接甲板时取值为 5.04，其余情况时取 3.84。2）油密舱壁和纵舱壁采用槽型舱壁时，1 个槽型宽度的剖面模数与惯性矩应大于等于以下公式的计算值。W=8.8 s(h+1.2)l 2，cm3，（9）I=28 s(h+1.2)l 3，cm4。（10）式中：s 为舱壁 1 个槽型的宽度，m；h 为从槽型条跨距中点到纵剖面处的舱顶的垂直距离，m；l 为槽型条的跨距长度，m。3）槽型舱壁设计时，平面和斜面之间的角度应该大于等于 40。4）槽型舱壁的的槽型跨距大于 15 m 时，需在跨距中间（中点处）设隔板。5）垂直槽型舱壁一般需要设置高度大于等于槽深 3倍的顶登与底登。6）对称的槽型舱壁舱壁板板厚应大于等于 a/70，a为槽型平面部分的宽度，单位为 mm。7）槽型舱壁跨距终点处的板厚，应大于等于跨距中点上 1/5 处的厚度。通过现阶段各项研究表明，不同的槽型角度、材料性能、板厚、边界条件、载荷特性、初始变形和残余应力、碰撞凹痕和疲劳裂纹等因素都对极限强度的分析结果有着重要影响，本文主要从公式（5）分析槽型角度、板厚、材料性能与边界条件等影响槽型舱壁强度的决定性因素，而初始变形和碰撞凹痕等具有较大的随机性暂不考虑。1）槽型角度部分船级社对槽型角度的范围值如表 1 所示。表 1 部分船级社对槽型角度的范围值船级社LRABSIACS槽型角度相关规定 5557 90 40在板厚、材料和边界条件不变时，极限承载能力会随着槽型角度的增加而不断上升，同时，板的有效宽度相应减少，则造成单位用钢量的增加。通过 Paik 系列实验可以看出，槽型角度在 40 70时，极限承载力和单位用钢量的增长变化大致呈现线性规律，但大于 70后，极限承载力增幅明显慢于单位用钢量涨幅，这就意味着经济性大幅下降，故加工槽型舱壁选择槽型角度时，40 70的经济效益高于 70 90。2）板厚部分船级社对板厚的规定如表 2 所示。表 2 部分船级社对板厚的规定船级社厚板相关规定DNV 腐蚀余量可以取 l mmCCS板厚不小于槽型平面部分宽度与斜面部分宽度中最大值的 1/70IACS 在槽型舱壁翼板下半部分用复板加固等措施LR腐蚀余量可选取净板厚的20，不大于4 mm或不小于2.5 mm在不考虑槽型角度、材料和边界条件时，槽型舱壁板厚会因为腐蚀而减小，极限承载力和单位用钢量都相应减少。通过实验发现，单位用钢量减小的幅度大于极限承载力减小的幅度，反之亦然3。由此可见，单纯增加板厚提升极限承载力的方法经济性较低，在生产加工槽型舱壁时不宜采用。3）材料性能CCS钢制海船入级规范对材料性能有以下规定：屈服点在 265 N/mm2的钢为高强度钢，采用高强度钢可以显著提高结构的安全能力。在槽型角度、舱壁板厚和边界条件不变时，高强度钢的采用可明显提高槽型舱壁结构的安全系数，由线弹性第 3 期 51 理论可知，提高屈服点对极限承载力的提高效果不明显。4）边界条件在槽型舱壁剖面模数不变的情况下，对不同的边界条件进行研究。可以发现，约束条件（上下端和两侧）对于结构的极限承载能力影响较小，但在极限承载力和最大位移方面4，带支墩结构明显好于无支墩结构。在散货船设计中，一般均会采用带支墩结构来支持舱壁结构与甲板结构或底部结构的连接，而且实验证明，实际中的支墩结构的极限承载力介于简支与固支之间，基本都可以满足极限强度要求。3 种边界条件下的极限承载能力如表 3 所示。表 3 90 3 种边界条件下的极限承载能力边界条件简支支墩固定极限承载能力/103 MPa0.3960.4410.452综上，以散货船为主要研究对象，采用新工艺制作槽型舱壁只要采用高强度钢，将腹板翼板厚度比尽量选为 0.65 0.85，加工完成后槽型角度大于 40 均可认为满足槽型舱壁的极限强度要求。2 槽型舱壁加工关键技术目前常用的槽形舱壁加工方式主要有以下几种：1）铸钢胎具模具加工方法。该方法首先要进行铸钢件胎具的制作，船厂本身一般没有专门的铸钢部门，船舶上常用的舵系、轴系等铸钢件都需要采购，槽型舱壁的铸钢胎具也不例外。市场上铸钢胎具造价昂贵，且加工精度不高，生产的槽形舱壁往往表面粗糙，有毛刺、气孔等缺陷，达不到船舶建造精度控制的要求。而且，除非是系列船型，胎具的重复利用率不高，占用存储空间大且储存不便等都导致这种方式已经不被大多数船厂采用。2）购买专用设备加工方法。根据调研，青岛某船厂已经购置槽形舱壁加工专用设备，该设备成本在 150 300 万，只能进行槽形舱壁加工，整体使用率不高，造价和维护费用高昂，很多中小船厂根本无力负担。3）油压机分块加工方法。一般按照船厂油压机可以压制的长度和宽度幅面作为基本单元，将需要成型的槽形舱壁划分成若干单元。在将单元压制成型并检验合格之后，在胎架上进行拼装形成整体。但是这种加工方式存在很大的不足：成本控制。以 30000 DWT 散货船为例，横舱壁槽形舱壁尺寸为 20000 mm20000 mm，船厂用的油 压 机 是 X P-Q-1 2 0 0 型 号，工 作 台 面 的 幅 面 2000 mm3000 mm,意味着需要把这个舱壁分成至少 20块，每片单独压制成型后，进行质量检验合格，才可以拼接，这其中不仅需要付出大量的时间成本和人工成本，而且因为板缝众多，拼版焊接的质量美观性也深受影响。精度控制。槽形舱壁板材本身较薄，在经历板材切割、槽型单元压制、焊接成型的操作过程中，很容易因为加工环节多造成加工错误，或者因为误差的累积导致精度控制数据超标，在安装时会出现安装不上或者安装困难，增加安装周期。为了避免这个问题，大多数船厂会采用加放槽型单元加工余量的方式避免此类问题，但是相应的，船厂需要聘请生产加工经验丰富的工人，在保证余量的前提下，避免造成物料过度浪费。场地使用控制。槽型舱壁尺寸巨大，20000 mm 20000 mm 幅面的舱壁在进行拼装焊接时，需要在胎架上完成，这需要船厂在制定胎架使用计划时，不仅需要考虑生产建造工序，还需要考虑槽形舱壁拼接过程，以免产生胎架使用冲突，造成槽形舱壁生产周期缩短，而整体生产建造周期反而变长的问题。因此，控制成本条件下改进糟型舱壁加工的关键技术，是研究一种在船厂已有设备条件基础上对上述问题做出改善的加工工艺，即针对已有的大幅面弯板机，设计一种加工船舶槽形舱壁的模具其示意图如图 2 所示。上胎具固定架上胎具固定抱箍连接件电动输送辊第一辊道输送机第二辊道输送机安装凹槽 下胎具 下模座托银上胎具压头上模座上胎具安装槽图 2 加工船舶槽形舱壁的模具示意图使用时，金属板通过下模座设置的第一辊道输送机与第二辊道输送机，实现自动化输送压制板材的进/出物料，通过安装凹槽内部设置的 2 个托辊，实现拆卸/卡装不同槽形舱壁压制膜槽的下胎具，同时配合驱动电机，基于锥齿轮传动动作，实现通过连接件与上胎具固定架和上胎具固定抱箍相连接的上胎具压头的垂直/升降运动，从而使经过自动化输送的金属板经过多道次连续弯曲，产生永久性塑性变形的槽型舱壁。与现有技术相比，此模具除了能解决舱壁加工的幅面问题外，还具有结构简单