船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取方法研究

蔡金濤

【摘 要】本文主要針對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取方法展開分析，思考了船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)選取方法的要點(diǎn)和內(nèi)容，并對其中選取的一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)榻窈蟠w結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】船體結(jié)構(gòu)；應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)；選取方法

前言

在船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取過程中，要選取更加科學(xué)合理的點(diǎn)位，才能夠提高船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)選取方法的科學(xué)性和合理性，為此，進(jìn)一步分析船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取方法是十分必要的。

1 殘余應(yīng)力的分類

1.1 裝配殘余應(yīng)力

一些小型船廠，缺少冷加工成型設(shè)備，一些線形較復(fù)雜的曲面，未經(jīng)過塑性加工，而直接將板材吊上，用外力強(qiáng)制成型，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部存在較大的彈性極限應(yīng)力，即使有少量成型設(shè)備，加工也是不到位的。

另外，分段制作或合攏階段，板材與板材之間、型材與型材之間裝配過程中，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)位、未對齊、間隙超差等問題，不采取必要的措施，如調(diào)整，重新定位等，而用輔助裝置強(qiáng)行校準(zhǔn)，雖然局部滿足裝配要求，但是，結(jié)構(gòu)內(nèi)部同樣會殘存彈性極限應(yīng)力。

當(dāng)彈性極限應(yīng)力過大時(shí)，就會引起過大的彈性變形，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的剛度不足，引起結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致船舶在運(yùn)行中產(chǎn)生振動。若振動過大，會導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)疲勞破壞，影響船上設(shè)備和儀器的正常工作，降低使用精度，嚴(yán)重時(shí)，還會導(dǎo)致船體斷裂或沉沒。

1.2 焊接殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因：船體結(jié)構(gòu)由板材和型材通過對接或角接的方法連接而成，由于焊接過程是對船體結(jié)構(gòu)的局部加熱過程，加熱范圍小，溫度梯度大，焊接區(qū)受熱膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束[1]，使焊縫區(qū)處于壓縮的狀態(tài)，冷卻過程中焊接區(qū)的冷卻收縮受到周圍區(qū)域的約束，最終，焊接區(qū)域呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，相鄰區(qū)域則呈現(xiàn)壓縮殘余應(yīng)力。

2 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取方法

2.1 根據(jù)高應(yīng)力部位選擇監(jiān)測點(diǎn)

將船體結(jié)構(gòu)按其特點(diǎn)分為幾類，如甲板與平臺、船體外板、艙壁、底縱朽與實(shí)肋板、縱向骨材、舷側(cè)肋骨、支柱等七類結(jié)構(gòu)，在每一類結(jié)構(gòu)內(nèi)將各點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)按從大到小排序。

2.2 考慮海況信息的監(jiān)測點(diǎn)選擇

由上述過程可以看出，選取的位置是各浪向與頻率組合的工況中應(yīng)力響應(yīng)最大的幾個(gè)位置，即認(rèn)為一旦遭遇某一特定海況則通過上述方法選出的位置將是該海況下船體結(jié)構(gòu)最易出現(xiàn)破壞的位置。但是船舶在航行中遭遇某一特定浪向與頻率組合的工況的概率是相對較低的.絕大多數(shù)情況下船舶是會遭遇各種不同的海況，因此當(dāng)海況資料完備時(shí)，僅由上述方法選取的位置是不夠全面的。因此本文通過對各工況下的響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行加權(quán)，根據(jù)加權(quán)平均值來選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)。需要指出的是該方法是在以下兩點(diǎn)假設(shè)的前提下提出的：（1）船舶的遭遇浪向服從均勻分布；（2）航速對線性波浪載荷的影響不大。

由于船舶遭遇浪向可近似認(rèn)為服從均勻分布，因此，相應(yīng)的權(quán)函數(shù)僅與船舶的裝載工況和遭遇頻率有關(guān)。對于裝載工況的時(shí)間分配系數(shù)，可根據(jù)船舶的實(shí)際情況來確定各工況所占的比例，或根據(jù)相關(guān)規(guī)范來確定。對于遭遇頻率，可根據(jù)船舶航行區(qū)域的海浪譜資料求出各遭遇頻率的出現(xiàn)概率，將該出現(xiàn)概率與各工況的時(shí)間分配系數(shù)相乘作為求解加權(quán)平均應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)的權(quán)值。

3 殘余應(yīng)力的控制措施

3.1 裝配過程控制

超差現(xiàn)象是裝配過程中經(jīng)常遇到的問題，超差的部位如果不進(jìn)行適當(dāng)處理而直接施焊，構(gòu)件受力分布會發(fā)生變化，承受負(fù)荷能力減弱，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；在外力作用下，超差的接頭產(chǎn)生附加彎矩，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致焊縫根部斷裂。

措施：1）對接縫坡口盡量縮小坡口截面積，具體為控制根部間隙在允許范圍內(nèi)，并考慮到收縮余量；2）對接接頭出現(xiàn)間隙超差時(shí)，若超差在規(guī)定的范圍內(nèi)，可以先在坡口一側(cè)進(jìn)行堆焊，當(dāng)間隙合格后，再進(jìn)行焊接；3）T型角接縫出現(xiàn)間隙超差時(shí)，可以先開坡口，在一側(cè)進(jìn)行堆焊，當(dāng)間隙合格后，再進(jìn)行焊接，焊縫形式也將連續(xù)角焊縫改為深熔焊；當(dāng)接頭間隙超差超過規(guī)定范圍之后，則需進(jìn)行割換板處理。4）構(gòu)件對接錯(cuò)位或十字接頭錯(cuò)開量超過板厚或型材厚度一半時(shí)，必須拆開重新裝配。

3.2 焊接工藝控制

焊接層數(shù)。焊接層數(shù)也影響焊后焊接應(yīng)力與變形。多層焊時(shí)，第一層焊縫引起的收縮量最大；第二層焊縫的收縮量約為第一層的20%；第三層焊縫的收縮量約為第一層的5%～10%。由于第一層的熔敷金屬少，熱量分布均勻，同時(shí)焊接后一層焊縫時(shí)，前一層焊縫對后層焊縫的收縮有牽制作用，因此在焊接剛度大（或者厚板）的結(jié)構(gòu)時(shí)，常采用多層焊或多層多道焊，以減少結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。

3.3 精度管理

船體結(jié)構(gòu)在建造的整個(gè)施工過程中，經(jīng)過鋼料加工、框架制作、分段裝配到船臺合攏等一系列工序，不可避免地發(fā)生尺寸偏差。而由于尺寸偏差的不可控因素及各種失誤，包括吊運(yùn)損傷、操作失誤等，致使構(gòu)件及分段的尺寸、形狀及安裝位置出現(xiàn)偏差。進(jìn)行精度控制，目的就是保證各工序間尺寸精度。船體零件、部件、分段，預(yù)制使其達(dá)到規(guī)定的尺寸精度后再進(jìn)行組裝，這一措施不僅能非常有效地控制結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，而且組件的尺寸精度保證了整體結(jié)構(gòu)的尺寸精度。各道工序已經(jīng)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與變形，應(yīng)及時(shí)消除，避免累計(jì)。

4 結(jié)束語

綜上所述，在船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取的過程中，要采取更好的選取方案，本文總結(jié)了船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的選取方法和選取的措施，明確了如何進(jìn)行科學(xué)選取，可供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹雷，嚴(yán)俊，宗培，等.船體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力消除的若干方法[J].船舶，2018（4）：26-29.

[2]張彥華.焊接結(jié)構(gòu)原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2018.25

（作者單位：啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司）