T型材规格优化设计_彭震.pdf

-9-wCeHR2/mmNoutfbfCwfhb2.0作者简介：彭震（1983-），男，高级工程师，船舶设计设计。王亮（1984-），男，高级工程师，船舶结构设计。杨荣森（1996-），男，助理工程师，船舶结构设计。T T 型材规格优化设计型材规格优化设计彭震王亮杨荣森（广船国际技术中心、海洋科技研究院）摘要：运用轻量化、标准化思想，结合规范要求、企业工艺水平和生产习惯，对大型船舶所使用的 T 型材规格进行优化，简要介绍了优化原理及方法。关键词：T 型材；优化；轻量化；标准化DOI：10.3969/j.issn.2095-4506.2023.01.0030前言T 型材在规格尺寸上具有较强灵活性，又具有很好的力学性能，因此作为骨材在大型船舶上广泛应用。设计人员一般根据结构强度、刚度的要求以及生产应用的经验来选取具体规格。由于设计人员水平、经验的不同易导致规格种类多样化，并且可能出现不理想的规格导致结构重量增加，或增加建造工作难度和工作量导致生产效率低下等情况。因此有必要结合实际应用需求进行系统优化来达到降本增效的目的。1现状分析在公司建造过的各类船舶产品中，T 型材的规格种类方面几乎毫无标准可言，种类各式各样。某船在同一分段既有腹板/面板规格为 400*10/150*22的 T 型材，又有 430*10/150*16 的规格，腹板与面板的选取明显没有规律性，显然不符合轻量化和标准化思想，存在较大优化空间。以油船为例，一艘主要骨材使用 T 型材的船舶，其 T 型材的重量可占结构总重量的 20%左右。如能进行适当的优化，其优化成果将非常可观。2规范要求规范对 T 型材规格尺寸的要求主要体现在长细比、最小板厚、屈服强度以及疲劳强度这 4 个方面。由于大部分船舶需满足结构共同规范（CSR），优化工作按 CSR 要求进行，下面按照 CSR 的具体要求分别阐述。2.1长细比T 型材净尺寸示意图如图 1 所示。T 型材腹板净厚度要求如下：235eHwwwRCht 取 75，为材料的最小屈服应力，。T 型材面板板净厚度要求如下：235eHfoutffRCbt取 12，为腹板厚度中线至翼板边缘的最大距离。面板宽度与腹板高度的比值要求：。图 1T 型材净尺寸示意图2.2最小板厚骨材的腹板和面板的最小净厚度要求如表 1 所示。2.3屈服强度在外部载荷作用下，骨材上会产生剪力和弯矩，为保证骨材结构不发生破坏，结构应有足够的有效剪切面积来抵抗剪力，有足够的模数来抵抗弯矩。有效剪切面积的计算方法为有效剪切高度乘以腹板净厚度，有效剪切高度为骨材连同带板一起扣除腐蚀增量部分后的总高度，模数为骨材连同有效带板一起扣除腐蚀增量的净模数。2.4疲劳强度通常骨材端部连接疲劳强度采用简化应力评估方法，T 型材由于具有对称面板，其面板应力集中因子较小，抗疲劳性能较好。由于板厚会通过几何形状和厚度方向的应力分布影响焊接接头的疲劳强度，规范对于 tnet50大于 22GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-10-毫米的钢板要进行修正，修正后的计算结构疲劳寿命有所降低。骨材通常为面板应力最高，且面板与主要支撑构件或壁板上的扶强材、肘板等结构相连，存在形状突变点，疲劳风险较大，所以骨材的面板厚度要考虑相关影响。3生产应用方面的影响因素从设计人员确定 T 型材的规格，到 T 型材建造、组装，最后作为船舶的一部分随船交付使用过程中，涉及一系列的过程和状态，都会对 T 型材的优化方向产生需求。下面对一些主要因素分别进行说明。T 型材总的种类数量一般不宜过多。种类过多时，零件一致性变差；T 型材加工、堆放、运输等工作量增加，安装出错率相对提高。从数学理论上讲，优化后的某一系列 T 型材，在一定范围内，模数从小到大规格越多，相近规格间模数差越小，根据强度需要选用规格时，越能选到最接近要求的，出现的强度富余和材料浪费就会越小。但 CSR 中有骨材组的概念，可将位于主要支撑构件之间的一块加筋板上相同尺度顺序排列的骨材作为一组来决定骨材的尺度。因此最终优化后的 T 型材相近规格的模数差距百分比不必太小，一般以 5%-10%左右为宜。从装配角度来讲，在误差角度相同的情况下，T型材制作时，T 型材腹板越高，面板宽度越大，那么腹板远离面板的边缘及面板边缘处的绝对偏差就越大。T 型材安装到壁板上时，同样由于角度误差的存在，越是远离壁板，其偏差就越大。T 型材穿过贯穿孔、与主要支撑构件上结构的连接以及补板安装的精度就越难以保证，当精度不满足要求时，就会导致修改和返工，特别是拉入法安装工艺，从而导致效率低下及成本升高，因此必须考虑精度对T 型材规格尺寸的限制。从原材料采购、管理方面来讲，同一批次的材料规格种类越少、单一种类量越大，材料的管理、运输就越方便，价格往往也更有优势。另一方面，不同板厚、规格的钢板的采购价格存在差异，过薄或过厚的钢板较常规厚度都会存在加价情况。同一批次需求的 T 型材，如果腹板、面板的板厚及材质种类很多，在下料时使用的钢板种类必然很多。钢板通常为较大规格采购回来，在总量不变的情况下，使用到越多的钢板来下料，必然存在钢板单次利用率不足的情况，导致余料增多，即使余料会再次利用也会导致生产效率下降，总钢材利用率下降。所以按照企业产品特点和生产习惯，T 型材的腹板、面板的板厚和材质应进行必要的精简。在结构设计时，一根 T 型材从起点延伸到终点，各位置处的载荷可能不相同，因而需要在适当的位置增大或减少规格。不同规格间的 T 型材对接时，要考虑板宽与板厚的影响。按照习惯，当腹板存在高度差时，腹板过渡采用 1:4 的斜率，面板相应弯折，为了便于面板弯折，腹板高度差不宜小于 20 毫米。由于对接可能出现在两个邻近规格之间，所以邻近规格间的高度差应大于等于 20 毫米。当面板宽度存在差别时，需将宽面板逐步削窄至窄面板宽度再进行对接。为减少削窄工作量，宽度变化步长宜用较小值。当腹板或面板存在厚度差且厚度差超过3 毫米时需要将厚板按过渡要求削薄。因此 T 型材腹板、面板的板厚变化步长不宜超过 3 毫米。在分段大接缝处或规格变化处，T 型材需要对接。相同横截面积的面板，薄而宽的类型在大接缝处对接时的焊接填充量小于厚而窄的类型，腹板同理。由于 T 型材对接往往采用单面开坡口的焊接方式，板厚越厚，焊接热输入量相对越大，结构变形量也越大，由此产生的焊接应力也越大，不利于精度控制和结构安全性。使用插入法时，T 型材腹板越高，其贯穿孔就越高，面板越宽，贯穿孔宽度也越大。当贯穿孔无补板时，贯穿孔所在主要支撑构件的有效剪切高度损失越大，强度变差，或者需要增加主要支撑构件腹板厚度等；如果贯穿孔有补板，补板尺寸相应变大，重量增加，补板的装配、焊接等工作由人工完成，重量不宜过大，否则影响施工安全，且不利于提高生产效率。贯穿孔和补板的增大同样增加了 T型材与主要支撑构件贯穿孔和补板间的焊接工作量，此部分工作难以自动化，将导致效率低下。T 型材的规格尺寸还需考虑制作设备的加工能力极限。我司 T 型材流水线设备的加工能力范围：腹板高度 250800 毫米、面板宽度 90400 毫米。如果 T 型材的规格尺寸超出上述范围，则只能使用效率低下的非流水线产生方式，加工成本将大幅升高。表 1骨材和防倾肘板的最小净厚度构件位置净厚度骨材和连接的端部肘板水密边界3.5+0.015L2其他结构3.0+0.015L2单舷侧散货船舷侧肋骨腹板首货舱6.0+0.026L其他货舱5.2+0.023L注：L2为规范船长，单位为米，但不大于 300 米；L 为规范船长，单位为米，但不必大于 200 米。彭震王亮杨荣森：T 型材规格优化设计-11-4轻量化原理及要求轻量化优化设计的核心思想是在保证结构强度的前提下追求结构的重量最轻化。简而言之，对于剪切面积，面板尺寸越小越好，腹板面积越大越好；对于模数要求，腹板宜高而薄，面板宜厚而窄，在增加同样重量的情况下，增加腹板高度比增加面板面积更有效。在实际设计中，腐蚀增量的存在使上述规律发生变化，追求剪切面积最大时，腹板宜矮而厚；追求模数最大时，腹板宜高而薄，面板宜厚而窄的规律受限于一定范围。总之，板宽越大，暴露的表面积越大，因腐蚀而损失的材料重量就越大。5优化方法及成果根据前面的各种要求及限制，从总成本最低的终极目标出发，便可以对 T 型材的规格尺寸展开优化设计的具体工作。采购成本和加工成本、费用成本和效率成本、单项成本和总成本之间应取得合理的平衡。在常规设计中，T 型材的剪切强度往往较弯曲强度存在较大富余，因此优化的方向在于追求模数最大化。T 型材规格有腹板、面板的板宽和板厚共四个变量，由于 T 型材腹板的最小厚度要求与规范船长相关，可按照规范船长的范围对 T 型材进行分类，方便设计人员使用。从数学原理上，根据最小板宽要求及板厚要求，按照合理的增加步长分别扩展至上限，再进行腹板、面板组合，可得到大量规格，在重量相近规格之间选出模数最大者即可得到最优系列。但综合各方面的影响可以得出规律，按规律寻优可极大地减少海选工作量。T 型材模数从小到大的最优规律如下：首先设定最小规格，然后按步长逐步增加面板厚度至此腹板能匹配的最厚厚度，然后按步长逐步增加腹板高度至面板宽度所能匹配的极限，然后按面板宽度增加一个步长，再增加腹板高度至面板宽度所能匹配的极限，面板宽度再增加一个步长，依次类推，直至腹板高度到达腹板厚度允许的极限，然后腹板厚度增加一个步长，腹板高度取此厚度允许的极限，面板宽度取回较小值再按步长增加。在此过程中由于随着腹板厚度的增加，面板的厚度宜增大，又由于腐蚀增量的影响，变化规律不是简单的线性情况，仍需要进行一些扩展、对比以及结合实际应用需求进行适当灵活调整。基于相同的优选方法，不同规范船长的 T 型材规格优选系列应具有一致性，以便控制不同船型同时生产时的总种类。（下转第 4 页）图 2T 型材优选规格表节选GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-4-绿色环保、环境舒适的形象，创建整洁、高效、安全的现场作业环境，持续深入开展绿色工厂管理体系建设，制定公司绿色工厂建设标准。（八）强化基础管理建设，提升整体运行质量2023 年，公司要强化基础管理保障高效生产。稳步提升安全环保质量管理水平，强化对各级管理人员安全生产“五项工作”履职管理情况的监督力度。针对箱船、PCTC 船、风电安装船、极地凝析油轮等项目的建造，制定专项安全管控方案。按区域开展重要风险识别与分级管控，形成区域风险识别清单及对应的管控措施。规范排污许可证后管理工作，强化对污染源治理设施的运行维护。以精细化质量管理为目标，纵深推进“三项质量专题”2.0 版，从严落实“穿透式”质量管控要求。全面强化风险防控，一体推进法律、合规、内控、风险管理工作，抓实重要决策、生产经营管理过程中的风险防控。持续开展经营重点业务领域合规管理督查工作，确保管控流程到位、防范措施到位、管理职责到位。加强经营风险防范，按照“一船一策”排查风险，采取风险应对措施。巩固国家安全和保密管理成果，坚持推进国家安全和保密工作规范化、常态化管理。坚持“业务工作谁主管，安全保密工作谁负责”的指导思想，进一步规范对国家秘密、工作秘密、商业秘密和敏感信息的日常管理，确保通过集团对公司一级保密资格的预审，并做好一级保密资格复查的准备工作。切实践行以人民为中心的发展理念，努力提高广大员工的幸福感，归属感，积极推进 2023年“有温度的十件大事”、“我为群众办实事”主题活动。深化总务后勤管理，提高服务水平。推进日常流程优化，可线上审批的事项逐步全部实现线上办理。进一步巩固精文简会成果，加大视频会议占比，提高会议效率。同志们，2023 年公司生产任务饱满、节奏紧凑，我们面临着分段数量大幅增加、场地资源紧张、劳动力不稳定等诸多挑战。各单位务必要坚持精细化管理，认真对照目标任务，层层分解，做到各阶段指标明确、节点明确、措施明确、责任明确。各级党组织要进一步统一思想、凝聚共