船舶建造關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)精度控制中的卡板設(shè)計(jì)和應(yīng)用

閻焱，錢(qián)振華，李美娟，王鵬宇

(上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

船舶建造關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)精度控制中的卡板設(shè)計(jì)和應(yīng)用

閻焱，錢(qián)振華，李美娟，王鵬宇

(上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

考慮到船舶建造過(guò)程中關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力高度集中極易產(chǎn)生裂紋等破壞，對(duì)船舶關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)精度監(jiān)控尤為關(guān)鍵，介紹常用的CM節(jié)點(diǎn)精度檢測(cè)方法，根據(jù)幾何原理推導(dǎo)卡板設(shè)計(jì)方法，編制板厚與偏差對(duì)照樣表，介紹卡結(jié)構(gòu)法的應(yīng)用原理和應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵區(qū)域;CM節(jié)點(diǎn);卡結(jié)構(gòu)法;數(shù)學(xué)公式

船舶在航運(yùn)和裝載時(shí)，局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，通過(guò)SDA(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估)和FDA (疲勞設(shè)計(jì)評(píng)估)程序的分析結(jié)果，找出高應(yīng)力區(qū)和易受疲勞破壞的區(qū)域作為“關(guān)鍵區(qū)域”(critical area)［1］，這些危險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力必須得到有效的傳遞和釋放，即結(jié)構(gòu)對(duì)位。因此關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)必須得到嚴(yán)格的監(jiān)控，即稱為CM(construction monitoring)［2］節(jié)點(diǎn)。

在船舶建造工藝設(shè)計(jì)中必須考慮如何快速精確地檢測(cè)船舶在建造過(guò)程中的CM節(jié)點(diǎn)精度是否在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，對(duì)已知的高應(yīng)力區(qū)域等船體易損節(jié)點(diǎn)處提供一種減少風(fēng)險(xiǎn)的解決方法。為此，提供一種快速精確檢測(cè)CM節(jié)點(diǎn)精度的方法，對(duì)控制整船的結(jié)構(gòu)安全性具有重大意義［3］。

1 CM節(jié)點(diǎn)精度的檢測(cè)方法

對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)對(duì)位，即CM節(jié)點(diǎn)精度的檢測(cè)，一般有檢查線法、中心線位移法及卡板法［4］。

1)檢查線法。構(gòu)件安裝時(shí)向理論面(結(jié)構(gòu)面)一側(cè)做100 mm的檢查線，然后用工具將檢查線投影到結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，敲上洋沖眼。反面構(gòu)件安裝時(shí)，根據(jù)洋沖眼劃出清晰的粉線，以此線為基準(zhǔn)，反向過(guò)去按照理論計(jì)算值進(jìn)行安裝。檢查時(shí)同樣以此線為參考，測(cè)量構(gòu)件安裝距離是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2)中心線法。將兩面結(jié)構(gòu)中心線用輔助工具平移到結(jié)構(gòu)外面，用工具將中心平移線投影到同一側(cè)，將兩條線間距與理論計(jì)算值進(jìn)行比較檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否對(duì)位。

3)卡板法。將卡板按照1∶1的比例放樣做成樣板，直接測(cè)量，同一塊樣板既可以用于焊前裝配，又可以用于焊后完工檢查，因此得到船東認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用。對(duì)于卡板法，又分為:卡MARK線法(圖1)和卡結(jié)構(gòu)法(圖2)。

圖1 卡MARK線法

其中卡MARK線法操作簡(jiǎn)單、快捷，無(wú)需測(cè)量數(shù)據(jù)。檢測(cè)時(shí)，結(jié)構(gòu)上的檢驗(yàn)線在卡板上標(biāo)記的MARK線范圍內(nèi)即可，見(jiàn)圖1。但是該方法是基于垂直板定位精確的情況下進(jìn)行檢測(cè)的，如果垂直板的定位存在偏差，采用該法則無(wú)法精確測(cè)出斜板與垂直板的結(jié)構(gòu)對(duì)位偏差，失去了檢測(cè)意義。并且不同板厚的CM節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的卡板上的MARK線位置也不一樣，需要制作大量的MARK線卡板。

圖2 卡結(jié)構(gòu)法

卡結(jié)構(gòu)法則是通過(guò)測(cè)量卡板與結(jié)構(gòu)之間的間隙來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的對(duì)位精度，并將測(cè)量值(見(jiàn)圖2)與測(cè)量值允許范圍相比較。在測(cè)量方法正確的情況下，該CM節(jié)點(diǎn)精度檢測(cè)法精確，能直接反應(yīng)斜板、水平板與垂直板的結(jié)構(gòu)關(guān)系，從而提高CM節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制精度，但是該法需通過(guò)理論允許偏差值計(jì)算出測(cè)量值的允許范圍，并創(chuàng)建對(duì)照表，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)卡板的設(shè)計(jì)

2．1 CM節(jié)點(diǎn)的基本形式

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)卡板之前，先要明確卡結(jié)構(gòu)法所適用的CM節(jié)點(diǎn)形式，常見(jiàn)的形式見(jiàn)圖3。

正交十字接頭為板厚理論面對(duì)齊，斜交十字接頭為中心線對(duì)齊。各船型CM節(jié)點(diǎn)分布和各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接頭形式見(jiàn)圖4。

結(jié)構(gòu)卡板由于其特性，在使用時(shí)必須與CM節(jié)點(diǎn)處的斜板、水平板相接觸，并且與垂直板貼近。結(jié)構(gòu)卡板的缺口必須大于伸出的水平板的長(zhǎng)度，即形式②正交十字邊緣接頭和形式④斜交十字邊緣接頭。其中，形式②正交十字邊緣接頭由于是理論面對(duì)齊，上下板相對(duì)的關(guān)系明確，直接測(cè)量即可［4］。綜上所述，卡結(jié)構(gòu)法主要應(yīng)用于形式④斜交十字邊緣接頭的測(cè)量。結(jié)構(gòu)卡板的不同型號(hào)主要以斜板角度進(jìn)行區(qū)分，因此同樣的CM節(jié)點(diǎn)所需制作的數(shù)量比MARK線卡板少得多。

2．2 設(shè)定卡板常數(shù)

圖3 CM節(jié)點(diǎn)的基本形式

圖4 各船型CM節(jié)點(diǎn)分布及對(duì)應(yīng)形式

分析結(jié)構(gòu)卡板適用的典型CM節(jié)點(diǎn)——斜交十字邊緣接頭，見(jiàn)圖5。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將卡板的α邊與斜板的底邊相貼合，卡板的β邊與水平板的底邊相貼合，卡板的γ邊與垂直板之間的間隙即為測(cè)量值。在正方向最大允許偏差amax和負(fù)方向最大允許偏差amin的情況下，測(cè)得值bmin、bmax即為測(cè)量值的允許范圍。

假設(shè)在沒(méi)有任何偏差的情況下(見(jiàn)圖6)，將斜板、水平板、垂直板的板厚虛化為0，將卡板的α邊和β邊分別與斜板和水平板的底邊相貼合，γ邊與垂直板之間的間隙值設(shè)定為Z，對(duì)于相同的節(jié)點(diǎn)卡板，該值始終不變，可將該值命名為“卡板常數(shù)Z”，見(jiàn)圖7。

圖5 測(cè)量值范圍定義

圖6 理論偏差為0時(shí)，卡板與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)卡板時(shí)，一般將Z定為t1max/2+ 5，(t1max為需要檢測(cè)的一系列垂直板中的最大厚度)。在“卡板常數(shù)Z”確定的基礎(chǔ)上，對(duì)后續(xù)公式進(jìn)行推導(dǎo)。

2．3 板厚與允許測(cè)量值的關(guān)系

通過(guò)幾何關(guān)系，分析卡結(jié)構(gòu)法中板厚、允許偏差值與允許測(cè)量值范圍的關(guān)系，并確定計(jì)算式。

圖7 卡板常數(shù)Z的設(shè)定

從各板厚虛化為0的狀態(tài)開(kāi)始，首先定義垂直板板厚t1，對(duì)應(yīng)的允許測(cè)量值變?yōu)閆-t1/2;然后定義斜板板厚t2，并只允許卡板水平平移，則允許測(cè)量值變?yōu)閆-t1/2-t2/2 sin θ;接著定義水平板板厚t3，并只允許卡板垂直平移，允許測(cè)量值不變;接著將卡板水平平移再次貼緊斜板，允許偏差值變?yōu)閆-t1/2-t2/2sin θ-t3/tan θ;最后定義正、負(fù)方向最大允許偏差值amax和amin，在原來(lái)的結(jié)果上分別-amax和+amin既得最后公式，推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)圖8。

圖8 測(cè)量值公式的推導(dǎo)

按照規(guī)范，通常情況下，其中的正、負(fù)方向最大允許偏差值amax=amin=tmin/3并且不超過(guò)5.0 mm (tmin為t1、t2、t3中的最小值)，結(jié)合卡板常數(shù)Z的取值，該節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)卡板測(cè)量值公式可整理為

A≤b≤B

A=5+1/2(t1max-t1+t2/sin θ-t3/tan θ)-tmin/3

B=b≤5+1/2(t1max-t1+t2/sin θ-t3/tan θ)+tmin/3

其中:t1為垂直板的厚度;t2為斜板的厚度;t3為水平板的厚度;t1max為需要檢測(cè)的一系列垂直板中的最大厚度;tmin為t1、t2、t3中的最小值，最大不超過(guò)15.0 mm)

3 結(jié)構(gòu)卡板的應(yīng)用

3．1 板厚與允許測(cè)量范圍對(duì)照表

在使用結(jié)構(gòu)卡板檢測(cè)CM節(jié)點(diǎn)精度之前，還必須有一份板厚與允許測(cè)量范圍對(duì)照表，規(guī)定在檢查不同肋位號(hào)不同CM節(jié)點(diǎn)的時(shí)候需要使用的結(jié)構(gòu)卡板的型號(hào)，以及對(duì)應(yīng)不同的允許測(cè)量范圍。

編制該表格時(shí)的常規(guī)做法是需要將不同的CM節(jié)點(diǎn)按照原比例繪制，在正/負(fù)方向最大偏差的情況下測(cè)量卡板與結(jié)構(gòu)之間的間距，然后填入表中。有上文推導(dǎo)的測(cè)量值公式，可以直接在EXCEL等軟件中編輯公式，輸入各板厚值和斜板角度后，自動(dòng)計(jì)算生成測(cè)量值的允許偏差范圍。EXCEL中第一行的測(cè)量值允許范圍的公式為

5+0.5×(16-B3+C3/sin(RADIANS(E3))-D3/tan(RADIANS(E3)))±m(xù)in(B3:D3，15)/3，自動(dòng)計(jì)算生成的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 板厚與允許測(cè)量范圍對(duì)照樣表

3．2 結(jié)構(gòu)卡板的使用方法

確定結(jié)構(gòu)卡板形式，得到對(duì)照表，在分段建造、總組和搭載過(guò)程中對(duì)CM節(jié)點(diǎn)精度進(jìn)行焊前和焊后的監(jiān)控。必須從裝配過(guò)程就開(kāi)始檢測(cè)CM節(jié)點(diǎn)的精度，焊前應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)檢驗(yàn)。為了避免由于碳刨、焊接產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形，焊后必須進(jìn)行檢測(cè)。

如圖9所示，將卡板的斜邊α貼緊CM節(jié)點(diǎn)的斜邊，然后沿斜邊方向平移卡板，將卡板缺口處的水平邊β邊貼緊CM節(jié)點(diǎn)的水平邊，垂直邊γ與CM節(jié)點(diǎn)的垂直板形成的間隙就是要檢測(cè)的測(cè)量值，可用直尺或塞尺進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值記錄到對(duì)照表中，對(duì)比測(cè)量值是否在允許范圍內(nèi)。

圖9 卡結(jié)構(gòu)法

3．3 結(jié)構(gòu)卡板的推廣應(yīng)用

1)LNG船，薄膜型LNG船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為，液貨艙有上下2個(gè)斜面，所以該船的CM節(jié)點(diǎn)形式多為斜交十字邊緣接頭。由圖4可知，穹頂?shù)恼劢翘?、?nèi)縱壁上下折角處以及內(nèi)底的折角處都是卡結(jié)構(gòu)法的應(yīng)用范圍。以1.74萬(wàn)t LNG船為例，穹頂?shù)恼劢翘帵?45°，t1=16 mm，t2=16 mm，t3=13 mm，內(nèi)縱壁的上折角處θ=45°，t1= 15.5 mm，t2=15 mm，t3=12 mm，內(nèi)縱壁的下折角處θ=45°，t1=27 mm，t2=22 mm，t3=14 mm，內(nèi)底的折角處θ=45°，t1=15 mm，t2=20 mm，t3= 22 mm，最大允許測(cè)量值依次分別為14.1、13.9、12.7、13.6 mm，最小允許測(cè)量值依次分別為5.5、5.9、3.4、3.6 mm。從施工部門(mén)和檢驗(yàn)部門(mén)的反饋可知，基于上述數(shù)據(jù)并使用結(jié)構(gòu)卡板進(jìn)行監(jiān)控檢測(cè)后，顯著提高了檢測(cè)效率，并且焊前CM節(jié)點(diǎn)精度報(bào)驗(yàn)一次通過(guò)率超過(guò)90%。

2)散貨船。散貨船的CM節(jié)點(diǎn)形式中斜交十字邊緣接頭也不少，同樣參照?qǐng)D4，槽型橫隔艙的上坐墩底板和下坐墩底板以及貨艙內(nèi)底的折角處都可以應(yīng)用卡結(jié)構(gòu)法。

以8.2萬(wàn)t散貨船為例，上坐墩中部節(jié)點(diǎn)處的θ=72°，t1=16 mm，t2=15.5 mm，t3=16 mm，邊緣節(jié)點(diǎn)處的θ=72°，t1=20 mm，t2=19.5 mm，t3=16 mm，通過(guò)公式計(jì)算，最大允許測(cè)量值分別為15.5 mm和15.7 mm，最小允許測(cè)量值分別為5.5 mm和5.7 mm;下座墩節(jié)點(diǎn)處的θ=69°，t1= 20 mm，t2=20 mm，t3=20 mm，通過(guò)公式計(jì)算，最大和最小允許測(cè)量值分別為14.9 mm和4.9 mm;內(nèi)底折角處的θ=45°，t1=13 mm，t2=21 mm，t3=21 mm，通過(guò)公式計(jì)算，最大和最小允許測(cè)量值分別為15.2 mm和6.5 mm。其中上坐墩底板和下坐墩底板的CM節(jié)點(diǎn)精度較難控制，基于以上數(shù)據(jù)，在裝配定位過(guò)程中就使用結(jié)構(gòu)卡板進(jìn)行調(diào)整監(jiān)控，取得了良好的效果。

3)油船。油船的CM節(jié)點(diǎn)形式中斜交十字邊緣接頭相對(duì)上述船型較少，由圖4可知，主要分布在內(nèi)底折角處以及內(nèi)縱壁折角處。

以31.9萬(wàn)t油船為例，內(nèi)底折角處的θ= 47°，t1=15 mm，t2=19 mm，t3=24 mm，通過(guò)公式計(jì)算，最大允許測(cè)量值為12.3 mm，最小允許測(cè)量值為2.3 mm;內(nèi)縱壁折角處的θ=47°，t1= 19.5 mm，t2=18 mm，t3=16 mm，通過(guò)公式計(jì)算，最大允許測(cè)量值為13.1 mm，最小允許測(cè)量值為3.1 mm;以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在CM節(jié)點(diǎn)的精度檢測(cè)中使用了結(jié)構(gòu)卡板，效率和通過(guò)率得到了顯著的提高。

3．4 對(duì)比其他檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

1)無(wú)需撥線和劃線?？ńY(jié)構(gòu)法不依賴于撥線和劃線，直接測(cè)量結(jié)構(gòu)，無(wú)論是斜板定位偏差還是垂直板定位偏差都會(huì)影響到最終的測(cè)量值上，可以直接反映CM節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)對(duì)位情況。并且該方法操作簡(jiǎn)便快捷，定位精準(zhǔn)，大大提高了CM節(jié)點(diǎn)精度的檢測(cè)效率。

2)通用性強(qiáng)?？ńY(jié)構(gòu)法在不同板厚的情況下，只要斜板角度不變，卡板就可以通用，所以卡板根據(jù)不同的斜板角度分類，類型較少，成本也相應(yīng)較低。同時(shí)由于類型少，也便于管理，不會(huì)產(chǎn)生用錯(cuò)的情況。

3)體系完整。結(jié)構(gòu)卡板設(shè)計(jì)完成后，連同對(duì)照表一并送審船東和船檢。同時(shí)在卡板制作完成后，交由船東和船檢進(jìn)行尺寸確認(rèn)。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)CM節(jié)點(diǎn)精度時(shí)，無(wú)論數(shù)據(jù)是否合格，都如實(shí)記錄到對(duì)照表。從設(shè)計(jì)源頭、卡板制作到測(cè)量數(shù)據(jù)追溯，整個(gè)體系十分完整，都有據(jù)可依。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)控是提升船舶建造質(zhì)量、提升船舶建造整體水平、延長(zhǎng)船舶使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)幾何分析得到的允許測(cè)量值公式和對(duì)照表，提高了卡板設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確度。同時(shí)，以此為基礎(chǔ)的卡結(jié)構(gòu)法在施工過(guò)程中的應(yīng)用提高了CM節(jié)點(diǎn)報(bào)驗(yàn)的效率和通過(guò)率。

［1］羅凌翔.SHCM在建造過(guò)程中的控制［J］.科技風(fēng)，2013(2):54-57.

［2］趙耕賢，鄭君鎬，李小平，等.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)結(jié)構(gòu)分冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［3］崔維成，蔡新剛，冷建興.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核研究現(xiàn)狀及我國(guó)的進(jìn)展［J］.船舶力學(xué)，1998(4):63-65.

［4］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范:第二分冊(cè)［S］.北京:人民交通出版社，2006.

Clamp Template Design and Application for the Critical Areas Construction Monitoring of Shipbuilding

YAN Yan，QIAN Zhen-hua，LI Mei-juan，WANG Peng-yu
(Shanghai Jiangnan Changxing Shipbuilding Co.，Ltd.，Shanghai 201913，China)

In the shipbuilding process，the structural stress of the ship critical monitoring areas is highly concentrated，which usually engender damages，such as cracks.Accordingly，inspection of the ship critical monitoring areas is very important. The commonly used inspection methods for CM areas are introduced，among which the clamp template is most important.A rational clamp template is designed according to the geometrical principle，and the table of different thickness of plate is worked out.The application principle and range of clamp template is analyzed also.

critical areas;CM areas;clamp template;mathematical formula

U671

A

1671-7953(2015)02-0001-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.001

2014-07-19

修回日期:2014-10-31

上海市經(jīng)信委“引進(jìn)技術(shù)的吸收與創(chuàng)新計(jì)劃”項(xiàng)目(2010X1-012)

閻焱(1969-)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

研究方向:船舶建造工藝

E-mail:swsyanyan@126.com