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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肋位為大開口，大開口長度占總長的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，控制建造變形成為焦點。本文從本船結(jié)構(gòu)特點入手，分析變形趨勢和采取的控制措施。

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)域為6 mm，機(jī)艙區(qū)域為5 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個肋位，因此整船采用框架法建造。即將每個肋位框架制作出來后，再與甲板、外板進(jìn)行焊接形成主艇體。

3 變形趨勢分析

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大開口，僅有100 mm的甲板邊板。對于這種橫剖面，在建造的過程中易產(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)，事實上全船從艉至艏橫剖面都類似于圖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接縫張開的面內(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。對于鋁合金薄板材的對接焊縫，其焊接變形問題更為嚴(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)測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時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。

2)進(jìn)行艏艉兩分段合攏前，船臺定位時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

見圖2，艏分段在甲板胎架上反造[3]，利用水準(zhǔn)儀對已上胎架的甲板板的4個角進(jìn)行水平度檢測并保證4個角的平面度。將各個肋骨框架裝上甲板后，再次測量4個點的水平度，以此來保證艏分段的4角水平。

4.2.2 艉分段

見圖3，艉分段在車間采用正造法建造。待艉部分段建造完畢后，將固定基準(zhǔn)上的定位線過渡到分段的4個角，以便船臺上對分段進(jìn)行定位。

圖2 艏分段反造施工現(xiàn)場

圖3 艉分段正造施工現(xiàn)場

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,見圖4。經(jīng)測量統(tǒng)計，平直板列在這種狀態(tài)下對接焊后產(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

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，其點焊在該分段的全長范圍內(nèi)。目的是防止分段在焊接縱焊縫時產(chǎn)生縱向的變形。在增加該措施之后焊接并測量，得到舷側(cè)外板的整體不平度和變形量不大于1 mm，整個分段的總體線型得到較好的保證。

圖5 加焊馬材現(xiàn)場

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 大開口處的變形控制

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

圖7所示為#0～#18區(qū)域的框架分段，其中#4～#18為大開口區(qū)域。為了保證分段在吊運時的強(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 艉部大開口

5 結(jié)果

船體建造完成后，對總長、船寬、型深等進(jìn)行測量并和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果及主要尺度建造誤差值見表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，從表1數(shù)據(jù)來看，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] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊3[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 黃 浩.船體工藝手冊[M].北京：國防工業(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.

[4] 符宛擔(dān).CB/T4000-2005中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：交通電子音像出版社，2006.