專利名稱：船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的船體結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)板架式艦船結(jié)構(gòu)沿用數(shù)百年，被實(shí)踐證明是一種可靠的結(jié)構(gòu)形式，但未必是最優(yōu)的船體結(jié)構(gòu)形式。在建筑行業(yè)，起初樓房建造方式與艦船建造相仿，使用整體式的磚混結(jié)構(gòu)，所有墻體都參與總強(qiáng)度，但后來人們發(fā)現(xiàn)，使用框架式結(jié)構(gòu)不但能減輕重量，還具有抗震性能好，穩(wěn)定性和堅(jiān)韌性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。從仿生學(xué)的角度看，魚類的總縱強(qiáng)度只是靠脊椎這樣的“強(qiáng)梁”來保持，魚的橫向強(qiáng)度靠肋骨來維持，而魚的型線是靠皮肉來保持。因此， 艦船設(shè)計(jì)可以借鑒建筑領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，利用仿生學(xué)帶來的靈感，建造更優(yōu)的艦船結(jié)構(gòu)。箱型梁為“骨”而復(fù)合材料為“皮肉”的艦船結(jié)構(gòu)就是基于以上考慮因素設(shè)計(jì)的新型船體結(jié)構(gòu)形式，亦即“剛?cè)岵?jì)”的船體。這種船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是箱型梁承擔(dān)全部的總強(qiáng)度，而船體型線和必要的使用剛度由輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來保證。箱型梁框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，便于采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，以縮短施工工期，且箱型梁的尺寸相對艙段要小得多，焊縫集中，便于質(zhì)量控制，應(yīng)用于船體抗沖擊方面具有廣闊的前景。研究表明，裝有箱性結(jié)構(gòu)的船舶可以提高剩余強(qiáng)度，而且?guī)в邢湫谓Y(jié)構(gòu)的板架結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度有較好的改善。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供提高船舶的抗沖擊性能，保證船舶受損之后擁有足夠的生命力的船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是包括箱型梁、上甲板、下甲板、 船外板，箱型梁分別安裝在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面為箱型梁內(nèi)板、 箱型梁外板以及兩塊箱型梁支撐板組成的四邊形結(jié)構(gòu)，箱型梁內(nèi)板、箱型梁外板為對邊且長度均為a，兩塊箱型梁支撐板為對邊且長度均為b，在兩塊箱型梁支撐板上分別安裝用于連接上甲板、下甲板和船外板的連接板，上甲板、下甲板、船外板采用復(fù)合材料。本實(shí)用新型還可以包括1、所述的安裝在船體外板和上甲板上的箱型梁的尺寸取a b = l 2 1，箱型梁間距取為0. 8a 2a。2、所述的安裝在下甲板的箱型梁的尺寸取a b = 2.5 3 1，箱型梁間距取為
1. 5a 3a03、箱型梁外板的厚度與船體外板厚度相等或比厚船體外板1 2mm，箱型梁內(nèi)板較箱型梁外板厚度小2 4mm，箱型梁支撐板厚度等于箱型梁內(nèi)板厚度或比箱型梁內(nèi)板厚度小1 2mm，連接板長度取為1/ l/3a。本實(shí)用新型的優(yōu)勢在于[0012]1)強(qiáng)度特性好，實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)度與總體強(qiáng)度的解耦。傳統(tǒng)船體的局部強(qiáng)度和總體強(qiáng)度是不可分割的，船體局部一旦破損，則局部強(qiáng)度馬上不復(fù)存在，如果破損發(fā)生在甲板和船底部位，則對總強(qiáng)度影響很大。而箱型梁船體即使產(chǎn)生局部破損，只要箱型梁完好無損，則對總強(qiáng)度沒有影響；2)抗爆性能好，剩余強(qiáng)度高。傳統(tǒng)板架結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)步空間已經(jīng)很小，純粹在總重一定的情況下從板厚和骨材尺寸角度對其抗爆性能進(jìn)行優(yōu)化的效果微乎其微，最有效的方法還是增加板厚和型材的尺寸，但實(shí)際上這并不現(xiàn)實(shí)，大量增加的重量將使艦船其它性能嚴(yán)重下降。而箱型梁本身材料厚度很大，強(qiáng)度很高，具有比板架高得多的抗爆性能?；糜欣跍p輕艦船重量。箱型梁將主要布置在船底和甲板，這兩處都遠(yuǎn)離中和軸， 對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大，材料的利用率高。而橫剖面中部的其它部位使用輕質(zhì)的復(fù)合材料，一般只為鋼材密度的幾分之一，這樣可以大大減輕結(jié)構(gòu)重量，省出的部分重量可以繼續(xù)增加箱型梁的構(gòu)件尺寸，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度；4)有利于保護(hù)重要管道和線纜。箱型梁本身是一種空心結(jié)構(gòu)，是管道和線纜的良好載體，但是它的空間有限，只能容納有限數(shù)量的管道和線纜。由于箱型梁壁厚很大，能夠抵御相當(dāng)程度的爆炸攻擊，有利于保護(hù)其內(nèi)部的線纜；5)有利于提高建造速度、質(zhì)量控制和維修。箱型梁框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，便于采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，以縮短施工工期；箱型梁的尺寸相對艙段要小得多， 焊縫集中，便于質(zhì)量控制。而蒙皮的復(fù)合材料不參與強(qiáng)度，質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)可相對降低。蒙皮與箱型梁的連接采用鉚接、螺栓等物理連接，蒙皮更換方便，便于維修。

圖1是傳統(tǒng)縱向加強(qiáng)構(gòu)件船體橫剖面圖；圖2是本實(shí)用新型橫剖面圖；圖3是箱型梁局部結(jié)構(gòu)圖；圖4是箱型梁局部結(jié)構(gòu)尺寸圖；圖5是單個(gè)箱型梁模型圖；圖6是箱型梁與復(fù)合材料連接示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖舉例對本實(shí)用新型做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1 6，本實(shí)用新型防護(hù)原理及設(shè)計(jì)原則同傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料在力學(xué)性能上有以下特點(diǎn)從傳統(tǒng)的力學(xué)分析觀點(diǎn)來看，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料是由干纖維和高聚合物兩種材料組成，比強(qiáng)度(σ b/ P ) 和比模量(E/P)較高，具有可設(shè)計(jì)性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同強(qiáng)度和模量的材料組成，而且多數(shù)又是每一鋪層方向可隨意設(shè)置的層合材料結(jié)構(gòu)，所以可以改變組分材料的種類和含量，以及鋪層方向和順序，使之在一定范圍內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對材料強(qiáng)度、彈性和方向性的要求。這在通常的金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較難實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型便充分利用復(fù)合材料上述特點(diǎn)。船舶在設(shè)計(jì)抗損結(jié)構(gòu)形式時(shí)，選擇的總體原則是[0027]1)有利于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增強(qiáng)；2)有利于提高結(jié)構(gòu)抗爆性能和剩余強(qiáng)度；3)有利于結(jié)構(gòu)抵抗戰(zhàn)斗損傷和防護(hù)設(shè)計(jì)；船體箱型梁新型抗損結(jié)構(gòu)能滿足上述要求，而且對船體的重量、航行性能影響很小，能較大提高船體的總縱強(qiáng)度。通過對現(xiàn)有船體改裝箱型梁抗損結(jié)構(gòu)可以提高船體的強(qiáng)度，延長船體的使用壽命，提高艦船的生命力。如果新船設(shè)計(jì)采用箱型梁抗損結(jié)構(gòu)，還有利于節(jié)省鋼材，降低船舶造價(jià)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方案基于以上防護(hù)原理及設(shè)計(jì)原則，船體箱型梁抗沖擊結(jié)構(gòu)在保證船體重量不增加的情況下，重新分配鋼板質(zhì)量，把原來大部分質(zhì)量分配在箱型梁板厚上，沒有箱型梁的外板應(yīng)用復(fù)合材料，在箱型梁設(shè)計(jì)好之后把剩下的質(zhì)量全部分給復(fù)合材料板的板厚上，蒙皮的復(fù)合材料與箱型梁的連接采用鉚接、螺栓等物理連接，蒙皮更換方便，便于維修。這樣船體重量沒有增加，而整個(gè)船體的強(qiáng)度卻提高很多，從而提升船舶的抗爆抗沖擊性能。具體技術(shù)方案如下1)利用箱型梁強(qiáng)度大，不易破損特性，可以有效為船外板提供支撐，大大提高整個(gè)船體的強(qiáng)度，抗爆抗沖擊能力更好。如圖4所示，數(shù)值模擬分析得出a b = l 3 1時(shí)抗沖擊能力最好，因此船體外板和上甲板等受沖擊概率較大易損壞的部位箱型梁尺寸取為 a b = 1 2 1，下甲板等對強(qiáng)度要求稍低的部位a b = 2. 5 3 1。箱型梁外板厚與船體外板厚度相當(dāng)或厚1 2mm，內(nèi)板較外板厚度小2 4mm，沖擊要求不高的部位內(nèi)板和外板厚度可相等并且都取較小值。支撐板厚度等于內(nèi)板厚度，或小1 2mm，連接板長度取為(1/4 1/3)a，其長度和兩鉚釘位置可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。2)箱型梁的位置和數(shù)量由船體重量要求和抗沖擊要求權(quán)衡考慮布置，但箱型梁的間距不能過大，否則會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，對強(qiáng)度不利。在船體外板和上甲板等受沖擊概率較大易損壞的部位箱型梁間距取為0. 8a 2a，下甲板等對強(qiáng)度要求稍低的部位箱型梁間距取為1. fe 3a。其它非關(guān)鍵部位采用比強(qiáng)度大、比模量大的復(fù)合材料，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量， 發(fā)生有效的吸能變形模式，可以吸收較多的能量。3)由于全船采用強(qiáng)度較大的縱向箱型梁結(jié)構(gòu)，使整個(gè)船體形成一個(gè)整體，載荷被均勻的傳遞到全船各個(gè)部位，從而降低了局部外部載荷的沖擊強(qiáng)度，達(dá)到提高整個(gè)船體生命力的目的。圖1中①為傳統(tǒng)船體上甲板，②為下甲板，③為雙層底，④為傳統(tǒng)縱向加強(qiáng)構(gòu)件；圖2中⑤為改裝箱型梁結(jié)構(gòu)后船體的上甲板，⑥為下甲板，⑦為箱型梁縱向加強(qiáng)構(gòu)件；圖3中I表示使用傳統(tǒng)鋼材材料區(qū)域，II表示使用復(fù)合材料區(qū)域，其它部位材料布置相同，即箱型梁采用傳統(tǒng)鋼材，其它板材使用復(fù)合材料；圖4說明箱型梁a和b位置的板厚，⑧為箱型梁內(nèi)板，⑨為箱型梁支撐板，⑩為箱型梁外板；圖5為單個(gè)箱型梁模型示意圖及各個(gè)板的說明；⑧、⑨、⑩表示意義與圖4相同，O 為箱型梁與復(fù)合材料的連接板；圖6表示箱型梁與復(fù)合材料連接示意圖，可采用螺栓或鉚釘連接。實(shí)際中根據(jù)需要決定采用那種連接形式，在此給出鉚釘連接的形式圖，￡2表示為鉚釘連接，G表示兩端用兩個(gè)鉚釘連接，G表示復(fù)合材料層合板。要保證船舶遭受某種程度的破損后仍能有一定的生命力，就需要采用有效的船舶防護(hù)結(jié)構(gòu)。船舶設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)的目的，是為了有效地抵御各種意外的沖擊，保證船舶在一定損傷允許的范圍內(nèi)，仍能漂浮于水面保持一定的抗沉性，從而提高艦船舶的生存能力。對于民船所受沖擊載荷一般主要是碰撞和擱淺事故中的碰撞力載荷。因此，采用新型有效的抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)對提高船舶生命力是必要的。由于該實(shí)用新型為一種新型船體抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，替代傳統(tǒng)縱向球半鋼、T型材等縱向加強(qiáng)構(gòu)件，并未涉及具體某型船舶，因此應(yīng)用范圍很廣。但是，針對不同噸位、不同船型的船體，箱型梁的布置區(qū)域與箱型梁板厚尺寸等可以根據(jù)國際公約、準(zhǔn)則及船級社的相關(guān)規(guī)范做以合理的調(diào)整。一般情形下，箱型梁在船底和甲板處的尺寸較大、板厚較厚、數(shù)量較多，箱型梁外板和內(nèi)板的厚度較大，且外板大于內(nèi)板的，支撐板厚度相對較小。箱型梁不宜過大，根據(jù)具體船舶的大小在保證重量不增加的前提下合理分配箱型梁的大小、位置及板厚，確定復(fù)合材料板厚，具體板厚可參考結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方案。這里以球扁鋼為縱向加強(qiáng)構(gòu)件的某小型船舶為例，如圖1所示，進(jìn)行箱型梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后如圖2所示，來提高該船的抗爆抗沖擊性能，具體實(shí)施方式
如下1、計(jì)算原船橫剖面面積根據(jù)計(jì)算軟件繪制船體橫剖面圖，計(jì)算包括縱向加強(qiáng)構(gòu)件在內(nèi)的橫剖面面積。若設(shè)計(jì)新船，不是改進(jìn)船型可跳過此步。2、確定箱型梁板厚和數(shù)量根據(jù)計(jì)算的原船橫剖面面積，在不超過此面積的情況下分配箱型梁板厚，確定箱型梁的數(shù)量及復(fù)合材料板厚。新船可直接在重量的要求，確定箱型梁的板厚數(shù)量及復(fù)合材料外板厚度，具體板厚要求參考結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方案。3、焊接工藝要求箱型梁的焊接采用(X)2氣體保護(hù)焊，焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照船級社相關(guān)焊接規(guī)范要求，并結(jié)合船廠具體施工工藝要求限制。4、箱型梁和復(fù)合材料層合板的連接如圖6所示，箱型梁與復(fù)合材料連接示意圖，箱型梁連接板和復(fù)合材料層合板采用鉚接連接形式，兩端用分別用兩個(gè)鉚釘連接。
權(quán)利要求1.船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是包括箱型梁、上甲板、下甲板、船外板，箱型梁分別安裝在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面為箱型梁內(nèi)板、箱型梁外板以及兩塊箱型梁支撐板組成的四邊形結(jié)構(gòu)，箱型梁內(nèi)板、箱型梁外板為對邊且長度均為a， 兩塊箱型梁支撐板為對邊且長度均為b，在兩塊箱型梁支撐板上分別安裝用于連接上甲板、 下甲板和船外板的連接板，上甲板、下甲板、船外板采用復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是所述的安裝在船體外板和上甲板上的箱型梁的尺寸取a b = 1 2 1，箱型梁間距取為0. 8a 加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是所述的安裝在下甲板的箱型梁的尺寸取a b = 2.5 3 1，箱型梁間距取為1. 3a。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是箱型梁外板的厚度與船體外板厚度相等或比厚船體外板1 2mm，箱型梁內(nèi)板較箱型梁外板厚度小2 4mm，箱型梁支撐板厚度等于箱型梁內(nèi)板厚度或比箱型梁內(nèi)板厚度小1 2mm，連接板長度取為l/4a l/3a。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是箱型梁外板的厚度與船體外板厚度相等或比厚船體外板1 2mm，箱型梁內(nèi)板較箱型梁外板厚度小2 4mm， 箱型梁支撐板厚度等于箱型梁內(nèi)板厚度或比箱型梁內(nèi)板厚度小1 2mm，連接板長度取為 l/4a l/3a。
專利摘要本實(shí)用新型的目的在于提供船體箱型梁抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，包括箱型梁、上甲板、下甲板、船外板，箱型梁分別安裝在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面為箱型梁內(nèi)板、箱型梁外板以及兩塊箱型梁支撐板組成的四邊形結(jié)構(gòu)，箱型梁內(nèi)板、箱型梁外板為對邊且長度均為a，兩塊箱型梁支撐板為對邊且長度均為b，在兩塊箱型梁支撐板上分別安裝用于連接上甲板、下甲板和船外板的連接板，上甲板、下甲板、船外板采用復(fù)合材料。本實(shí)用新型強(qiáng)度特性好，抗爆性能好，剩余強(qiáng)度高，有利于減輕艦船重量，有利于保護(hù)重要管道和線纜，有利于提高建造速度、質(zhì)量控制和維修。
文檔編號B63B3/32GK202320716SQ20112046372
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者姚熊亮, 崔杰, 王軍, 程曉達(dá), 郭君 申請人:哈爾濱工程大學(xué)