散貨船關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)建造的監(jiān)控方法及優(yōu)化

李克杰

（日本船級社（中國）有限公司上海分公司 上海200336）

引 言

散貨船的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)大致包括兩方面：經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域以及結(jié)構(gòu)裝配不當(dāng)引起的應(yīng)力集中區(qū)域，而后者導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷屢見不鮮。本文作者根據(jù)散貨船關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實際檢驗經(jīng)歷，結(jié)合其他船級社和船廠的相關(guān)檢驗經(jīng)驗［1］，對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的建造監(jiān)控提出了優(yōu)化建議。

1 散貨船的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

圖1為現(xiàn)行各船級社公認(rèn)散貨船關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)［2-4］。

圖1 散貨船的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

圖1中各字母表達(dá)的意義如下：

A —— 下墩斜壁板與槽壁的連接；

B —— 下墩斜壁板與雙層底肋板的連接；

C —— 舭部折角處的連接；

D —— 上墩壁板與槽壁的連接；

E —— 下墩直壁板與槽壁的連接；

F —— 舷側(cè)肋骨腹板與底邊艙橫向構(gòu)件的連接；

G —— 舷側(cè)肋骨腹板與頂邊艙橫向構(gòu)件的連接；

H —— 縱向艙口圍端部肘板與頂邊艙垂直列板的連接；

I —— 艙口端橫梁與頂邊艙橫向構(gòu)件的連接；

J —— 下墩直壁板與雙層底肋板的連接；

K —— 底邊艙橫向構(gòu)件與雙層底肋板的連接。

船舶在營運(yùn)過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度主要受以下因素影響：

（1）結(jié)構(gòu)安裝錯位，裝配質(zhì)量差；

（2）焊接缺陷；

（3）材料缺陷等。

雖然上述因素都應(yīng)由船廠通過質(zhì)量控制在檢驗時予以解決，但其中由因素（1）引起的結(jié)構(gòu)損傷仍時有發(fā)生。如國內(nèi)某船廠新建造的一散貨船在試航過程中因舭部折角處安裝錯位，在壓載貨艙裝載壓載水時產(chǎn)生垂向剪力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，如圖2所示。

圖2 舭部折角處安裝錯位導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷

因此，必須重視關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安裝對齊并通過有效手段予以監(jiān)控。

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的對齊標(biāo)準(zhǔn)

目前，建造的散貨船大多按照共同結(jié)構(gòu)規(guī)范。根據(jù) CSR-B［5-6］第11章第1節(jié)中1.3.1表1的介紹，因關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)屬于高應(yīng)力構(gòu)件，對于強(qiáng)力構(gòu)件和高應(yīng)力構(gòu)件的對齊方式采用的是中線對齊，見圖3。若圖中a的數(shù)值超過該標(biāo)準(zhǔn)，從規(guī)范的角度講要求重新裝配。

圖3 散貨船關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的對齊方式和標(biāo)準(zhǔn)

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對齊方式的監(jiān)控方法及優(yōu)化

目前船廠一般采用現(xiàn)場直接測量和使用經(jīng)船級社認(rèn)可的模板配合檢驗線進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控。對于現(xiàn)場直接測量，只能在分段建造過程中對分段兩端的可見部位進(jìn)行比較精確的測量（如圖1中A、B、C點(diǎn)），而對于中間部位則很難監(jiān)控，較多造船廠已通過制造一些模板進(jìn)行監(jiān)控，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)行的造船廠對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)使用模板監(jiān)控示例

按照圖4中傳統(tǒng)監(jiān)控方法制作模板，模板的形狀和大小由t1、t2、t3之間的角度和板厚決定，使用模板進(jìn)行建造監(jiān)控通常針對A、B、C、D、E這5個點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)組成中板之間的角度和形成連接的板厚在不同的部位均有所不同，通常需要制作大量模板，一方面增加了船廠的負(fù)擔(dān)，另一方面也給船廠自我監(jiān)控和現(xiàn)場檢驗帶來諸多不便。同時，圖4中的模板只能監(jiān)控單向錯位，即只能進(jìn)行圖3中t1的負(fù)（-）向錯位，對正（+）向錯位則難以判斷。

通過比較不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)t1、t2、t3之間的角度固定時，可以只制作一塊模板，在兩塊板貼緊節(jié)點(diǎn)理論線或一塊板貼緊并對齊檢驗線的情況下，另一邊在制作時切掉一部分，留出間隙控制區(qū)域，通過計算得出在不同板厚時的理論間隙值，再計及容許誤差，得出一個間隙控制的容許范圍。在現(xiàn)場檢驗時只測量某一邊與模板的間隙（如圖5所示），看是否在容許范圍內(nèi)。通過該方法不但可將模板的制作數(shù)量大大減少，還可監(jiān)控雙向錯位，實現(xiàn)對圖4中傳統(tǒng)監(jiān)控方法的優(yōu)化，從而大大增強(qiáng)現(xiàn)場對每一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實行監(jiān)控的可行性。對于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F、G、H、I、J、K，該6點(diǎn)均是某一對齊結(jié)構(gòu)不可見的直對齊，只使用檢驗線便可實現(xiàn)監(jiān)控。因此，實際監(jiān)控時，可將A、B、C、D、E點(diǎn)列為另一類，F(xiàn)、G、H、I、J、K列為一類，以某大靈便型單殼散貨船為例，具體介紹其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控優(yōu)化方法。

圖5 t1、t2、t3之間的角度固定時用模板測量間隙示意圖

4 模板監(jiān)控優(yōu)化方法的原理和應(yīng)用

在用模板進(jìn)行監(jiān)控時，如上所述，要測量某一板與模板邊緣的間隙，該間隙可人為設(shè)定，或根據(jù)t1、t2、t3之間角度固定時計算其理論間隙值；然后計算容許誤差，求出間隙容許范圍。其中，理論間隙值和容許范圍的計算是實現(xiàn)模板監(jiān)控優(yōu)化方法的關(guān)鍵。如間隙改為人為設(shè)定，則需制作大量模板適應(yīng)不同板厚要求。

4.1 監(jiān)控原理

4.1.1 理論間隙

4.1.1.1 兩邊貼緊使用模板的理論間隙計算

如圖6所示，如模板從上方貼緊（t1、t3），可用A的數(shù)值來表征模板與t2邊的理論間隙：

比較在不同板厚區(qū)域A的數(shù)值，即可得出在各板厚區(qū)域的理論間隙。同理，如果模板從下方貼緊（t2、t3），可用B的數(shù)值來表征模板與t1邊的理論間隙：

比較在不同板厚區(qū)域B的數(shù)值，即可得出在各板厚區(qū)域的理論間隙。

圖6 兩邊貼緊使用的模板關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)連接示意圖

4.1.1.2 一邊貼緊和檢驗線配合使用的模板的理論間隙計算

如下頁圖7所示，一邊貼緊和檢驗線配合使用的模板，其理論間隙的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化即為求 的數(shù)值，其中 ，的數(shù)值即為當(dāng)圖6中時B的數(shù)值，比較在不同板厚區(qū)域的數(shù)值，即可得出在各板厚區(qū)域的理論值。

圖7 一邊貼緊和檢驗線配合使用的模板檢驗示意圖

4.1.2 間隙容許范圍

圖3中容許誤差a的數(shù)值是在t3的中線上量取的，而測量間隙時是垂直于t1或t2進(jìn)行測量，因此容許誤差a的數(shù)值也要轉(zhuǎn)化成與t1或t2垂直的數(shù)值，如模板從上方貼緊（t1、t3），測量與t2邊的間隙，其間隙的容許范圍如下：

如模板從下方貼緊（t2、t3），測量與t1邊的間隙，其間隙的容許范圍如下：

4.2 模板監(jiān)控方法的具體應(yīng)用

現(xiàn)行的散貨船設(shè)計，一般在全船范圍內(nèi)A、B、C、D、E這5個點(diǎn)的角度都是固定的，如C點(diǎn)，圖3中的一般為45°。以下針對某大靈便型散貨船，具體介紹各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控優(yōu)化方法。

4.2.1 下墩斜壁板與槽壁的連接——A點(diǎn)

如果模板從上方貼緊（t1、t3），測量與t2邊的間隙，由于在α角要填角焊，會導(dǎo)致自由邊過小（圖8），模板從上方可能無法充分貼緊（t2、t3），導(dǎo)致測量誤差，建議從下方貼緊 ，測量與t1邊的間隙（圖8）。

圖8 A點(diǎn)的模板測量方法

A點(diǎn)在該大靈便型散貨船上共有4處，t1、t2、t3值的不同會導(dǎo)致理論間隙的不同，根據(jù)4.1.1.1和4.1.2，便可得出如下表1中下墩斜壁板與槽壁連接——A點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，出于涉密的考慮，將表中的肋位號，t1、t2、t3、α、 值隱去，同時，表中最后一列給出傳統(tǒng)方法需要的模板數(shù)量，用TN表示，下同。測量的間隙值在‘負(fù)間隙’與‘正間隙’之間即視為滿足要求。

表1 下墩斜壁板與槽壁連接——A點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)

4.2.2 下墩斜壁板與雙層底肋板的連接——B點(diǎn)

因在測量時要用到100 mm檢驗線，考慮到測量環(huán)境，下墩外部優(yōu)于下墩內(nèi)部，通常將該檢驗線標(biāo)注在下墩外部。 該檢驗線的制作直接影響到測量結(jié)果，實際上該檢驗線即為下方實肋板某個部位的參照線，一般取為下方實肋板的理論線映射到內(nèi)底板上緣，而后再向下墩外部方向延伸100 mm，如圖9所示。 根據(jù)4.1.1.2和4.1.2，便可得出表2中下墩斜壁板與雙層底肋板的連接——B點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖9 B點(diǎn)的模板測量方法

由于在同一肋位處，形成連接的內(nèi)底板、下墩斜板和雙層底肋板的板厚及其組合的不同會造成理論間隙值的不同，因此在表2中引入同一肋位處相關(guān)區(qū)域的概念。以Fr.BHD3為例（參見圖10），t1～t6分別表示不同板厚。由該圖可見，內(nèi)底板t2、下墩斜板t4和雙層底肋板t6形成I區(qū)；內(nèi)底板t2、下墩斜板t4和雙層底肋板t5形成II區(qū)；內(nèi)底板t1、下墩斜板t3和雙層底肋板t5形成III區(qū)。

表2 下墩斜壁板與雙層底肋板的連接——B點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)

圖10 Fr.BHD3的相關(guān)區(qū)域

4.2.3 舭部折角處的連接——C點(diǎn)

4.2.3.1 從壓載艙內(nèi)測量

通過上述對A點(diǎn)的分析，為減少測量誤差，選擇接觸面較大的兩條邊貼緊（t1、t3），如圖11所示，進(jìn)行理論間隙值的計算，即為圖6中當(dāng)α=90°求A的數(shù)值。此時，比較不同板厚區(qū)域A的數(shù)值，可得出在各板厚區(qū)域的理論間隙。將理論間隙和容許間隙相等的肋位歸為一類，即可得出如表3從壓載艙內(nèi)測量舭部折角處的連接—C點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖11 C點(diǎn)的模板測量方法—從壓載艙內(nèi)測量

4.2.3.2 從貨艙內(nèi)測量角處的連接——C點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

表3 從壓載艙內(nèi)測量舭部折角處的連接——C點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)

表4 從貨艙內(nèi)測量舭部折角處的連接——C點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)

圖12 C點(diǎn)的模板測量方法—從貨艙內(nèi)測量

4.2.3.3 從貨艙內(nèi)測量和從壓載艙內(nèi)測量的優(yōu)缺點(diǎn)

從壓載艙內(nèi)測量和從貨艙內(nèi)測量各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者省去做檢驗線的環(huán)節(jié)、減少了產(chǎn)生誤差的一個因素，而后者需要檢驗線作配合。首尾段由于型線變化較大，故對檢驗線的制作要求也較高，因此后者對于首尾段的測量有一定限制，但后者的檢驗是在貨艙內(nèi)進(jìn)行的，檢驗環(huán)境、速度、效率要優(yōu)于前者。

4.2.4 上墩壁板、下墩直壁板與槽壁的連接——D、E

由于在該兩點(diǎn)的對齊方式均為直對齊，從外側(cè)可比較直觀的進(jìn)行目視檢查，但由于對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用的是中線對齊，當(dāng)上下有較大板厚差時便需要進(jìn)行判斷，為使該判斷更為簡便，可統(tǒng)一制作一塊模板，D點(diǎn)的模板測量方法見圖13。由于理論值的計算比較簡單，便不贅述。表5為上墩壁板與槽壁的連接——D點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，E點(diǎn)與之類似。

圖13 D點(diǎn)的模板測量方法

4.3 模板的校核

通過4.2的分析，對于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E的監(jiān)控用到的模板如下頁圖14所示，在模板使用前要進(jìn)行模板的較核，其中理論值的校核是關(guān)鍵，一般采用的是確定一測量位置，用CAD按照1∶1的比例將該位置繪制出來，然后用模板卡住校核理論值。以C點(diǎn)為例，下頁圖15所示即為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)C（壓載艙內(nèi)測量）監(jiān)控模板的校核。

表5 上墩壁板與槽壁的連接——D點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)

圖14 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E的監(jiān)控模板

圖15 模板的校核

5 檢驗線監(jiān)控直對齊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的介紹與應(yīng)用

對于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F、G、H、I、J、K，該6點(diǎn)均是某一對齊結(jié)構(gòu)不可見的直對齊，檢驗方法是將不可見面結(jié)構(gòu)的某條參考線映射到可見面，再將該參考線向某方向引出一定距離（通常為100 mm），這就是我們所說的100檢驗線。通過測量可見面板的邊緣與100 mm檢驗線的距離，判斷其是否在容許范圍內(nèi)。

該檢驗方法的關(guān)鍵是檢驗線的制作。為使理論值的計算避免考慮加減板厚的因素，一般情況下，是將不可見面板的理論線映射到可見面，再將該線向板厚方向的反方向引出100 mm。但也要注意到檢驗環(huán)境，盡量要安排在結(jié)構(gòu)相對簡潔的一面，如壓載艙和貨艙，當(dāng)然是選擇在貨艙內(nèi)進(jìn)行測量，對于F、G、H、I、K點(diǎn)，上述兩者均能兼顧。如圖16即為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F檢驗線監(jiān)控對齊示例，圖中的X值即為現(xiàn)場要測量的數(shù)據(jù)，理論值，表6為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F的監(jiān)控數(shù)據(jù)，G、H、I、K點(diǎn)與之類似。

圖16 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F檢驗線監(jiān)控對齊示例

表6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F的監(jiān)控數(shù)據(jù)mm

對于J點(diǎn)，即使從上面進(jìn)行測量，也要考慮應(yīng)將該檢驗線制作在下墩外面（即貨艙內(nèi)），這是首先要考慮的因素而這就有可能導(dǎo)致計算理論值時需加減板厚。如下頁圖17所示，圖中的X值為現(xiàn)場要測量的數(shù)據(jù)，此時理論值=下頁表7為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)J的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖17 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)J檢驗線監(jiān)控對齊示例

表7 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)J的監(jiān)控數(shù)據(jù)mm

6 結(jié) 論

本文通過對某大靈便型散貨船關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)建造監(jiān)控優(yōu)化方法的研究，得到以下結(jié)論：

（1）使用本文所介紹的模板和檢驗線的監(jiān)控方法可實現(xiàn)對全船11處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)錯位監(jiān)控。

（2）引用理論間隙和容許誤差的數(shù)學(xué)概念，對模板監(jiān)控方法提出優(yōu)化，可使模板的制作數(shù)量大大減少，并實現(xiàn)雙向錯位監(jiān)控。

（3）在使用模板和檢驗線進(jìn)行監(jiān)控時，要充分考慮現(xiàn)場監(jiān)控的可行性，如檢驗環(huán)境和檢驗條件等，選擇合理的監(jiān)控方法，提高監(jiān)控的精度和效率。

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