船體生產(chǎn)設(shè)計過程中的結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化

曾 濤，賈曉峰，高 霆

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶制造是一項復(fù)雜而龐大的工程。在將詳細設(shè)計的二維圖紙進行三維數(shù)字化建模放樣的過程中，船體生產(chǎn)設(shè)計人員需要根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)切割下料、裝配、焊接等工藝要求，對結(jié)構(gòu)型式和節(jié)點進行必要的優(yōu)化調(diào)整，從而減少現(xiàn)場施工作業(yè)時間，提高企業(yè)生產(chǎn)建造效率。

近年來，受市場和行業(yè)各種因素影響，船舶設(shè)計周期不斷壓縮，詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計階段銜接愈加緊密。詳細設(shè)計時需要參考母型船圖紙進行設(shè)計，而母型船圖上原詳細設(shè)計階段的二維圖紙會出現(xiàn)不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計型式和結(jié)構(gòu)節(jié)點。

為此，本文結(jié)合63 500載重噸散貨船現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，從降低現(xiàn)場施工難度、減少現(xiàn)場作業(yè)工時角度出發(fā)，按照行業(yè)規(guī)范對不合理的結(jié)構(gòu)節(jié)點進行優(yōu)化，最大限度地提高設(shè)計和現(xiàn)場施工效率，減少不必要的反復(fù)協(xié)調(diào)工作。

1 典型船體結(jié)構(gòu)節(jié)點及優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)典型肘板節(jié)點優(yōu)化

結(jié)構(gòu)典型肘板節(jié)點指橫向壁板的扁鋼加強筋與縱桁連接節(jié)點。常見壁板加強筋與縱向結(jié)構(gòu)之間通過一個三角肘板連接。肘板與壁板加強筋的厚度、材質(zhì)均一致，且肘板、加強筋、縱向結(jié)構(gòu)三者在一個平面內(nèi)，見圖1(a)。然后設(shè)計人員結(jié)合現(xiàn)場下料、裝配施工的便利性，可以將其調(diào)整為圖1(b)的節(jié)點型式。

圖1 肘板節(jié)點型式

優(yōu)化后的好處在于：2個零件合并為1個零件，零件數(shù)量減少，取消了1道焊縫，降低了裝配、焊接工作量，最大限度地降低了焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，提高了構(gòu)件性能和服役安全性；且這樣的節(jié)點設(shè)計并沒有增加生產(chǎn)設(shè)計建模工作量，反而減少了設(shè)計繪圖的工作量。但是，若肘板、加強筋、縱向結(jié)構(gòu)三者交線存在一定的夾角或者不在一個平面時，則不考慮此種做法。

1.2 肘板趾端節(jié)點優(yōu)化

在進行船體構(gòu)件端部連接型式設(shè)計時，為了避免主要構(gòu)件端部的應(yīng)力集中，構(gòu)件端部使用肘板或者圓弧板連接，端部設(shè)計為趾端型式，趾高一般不大于肘板趾部厚度，且不小于15 mm，而具體項目的船體結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計圖提供的尺寸往往都是統(tǒng)一標準15 mm。此時，對實際板厚度大于15 mm的船體構(gòu)件進行三維數(shù)字化建模放樣時，倘若肘板端部開設(shè)焊接坡口，就需要適當加大肘板趾端尺寸，否則零件端部切割坡口后，趾端厚度無法保證15 mm，實際成品不能滿足檢驗標準要求。艙口肘板趾端示意見圖2。因此，遇到大于15 mm的肘板或者帶有趾端的構(gòu)件，且其端部有焊接坡口時，設(shè)計人員應(yīng)在放樣建模時加大趾端處理(推薦節(jié)點)或者趾端下口加放余量(亦可調(diào)整余量方向，避免破壞趾端)。推薦節(jié)點見圖3。

圖2 艙口肘板趾端

t—板厚。

1.3 結(jié)構(gòu)型材與板材對接節(jié)點優(yōu)化

通常情況下，詳細設(shè)計結(jié)構(gòu)圖中壁板與型材及肘板對接節(jié)點見圖4。按照《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)中船體結(jié)構(gòu)焊縫設(shè)計要求：對接焊縫與角接焊縫之間的平行距離應(yīng)不小于50 mm。顯然圖4中的壁板與型材對接節(jié)點不合理，可以將結(jié)構(gòu)對接位置局部加寬，見圖5。

圖4 壁板與球鋼對接(單位：mm)

圖5 對接處局部加寬(單位：mm)

類似的處理方式，板材與型材對接的節(jié)點可以處理成圖6。構(gòu)件連接處通過局部扁鋼連接方式進行局部結(jié)構(gòu)補強，這樣既保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性又可以滿足結(jié)構(gòu)強度需求。

圖6 角鋼與壁板對接(單位：mm)

1.4 不同規(guī)格的型材對接節(jié)點優(yōu)化

若遇到2種不同類型或者規(guī)格型材的船體構(gòu)件對接(見圖7)，球扁鋼與T型材對接，且腹板有高度落差，可按船級社相關(guān)要求對型材面板進行尺寸過渡處理。同時為了保證結(jié)構(gòu)連貫，避免應(yīng)力集中，T型材面板一定范圍搭接于球鋼。按照船級社規(guī)范相關(guān)要求，過渡斜長范圍應(yīng)為4倍的型材高度差。

h1—T型材高度；h2—球鋼的腹板高度；C—面板自由邊

2 結(jié)構(gòu)風道優(yōu)化設(shè)計

船舶上層建筑區(qū)域主要是供船員日常居住活動使用的場所，其各個房間均有很高的通風要求，同時這些房間區(qū)域周圍的管路、電纜、風管、設(shè)備布置錯綜復(fù)雜。由于上層建筑區(qū)域居住艙室內(nèi)部綜合空間布置非常有限，空冷專業(yè)的設(shè)計人員通常需要將局部的風管或者風道布置在依附于結(jié)構(gòu)艙室圍壁板之上。而在進行各專業(yè)之間綜合協(xié)調(diào)時，根據(jù)生產(chǎn)施工作業(yè)工序的需求，依附于壁板的風道或者通風附件，則需要委托船體結(jié)構(gòu)專業(yè)開展并完成相關(guān)設(shè)計建模放樣和出圖工作。

2.1 腹壁式風道結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖8為一種腹壁式結(jié)構(gòu)風道，其風道一側(cè)圍板與結(jié)構(gòu)壁板扶強材所處位置重合。此時可以取消扶強材，直接將風道壁板與艙壁結(jié)構(gòu)壁板角接，用板材取代型材，結(jié)構(gòu)強度沒有削弱，相反生產(chǎn)現(xiàn)場施工能夠減少1道對接焊縫，同時節(jié)約1根型鋼材料。

因此，結(jié)構(gòu)風道設(shè)計時需要注意以下幾點：

(1)不能減弱原結(jié)構(gòu)周圍強度。

(2)風道空間狹小，應(yīng)盡可能減少結(jié)構(gòu)零件及焊縫數(shù)量。

(3)應(yīng)便于現(xiàn)場裝配、焊接和涂裝作業(yè)。

(4)必要的位置需要開設(shè)人孔，便于后期檢查維護。

圖8 結(jié)構(gòu)風道優(yōu)化

2.2 通風靜壓箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

通風靜壓箱作為一種減少通風系統(tǒng)噪聲、穩(wěn)定氣流風量的必要附件裝置，與風管及百葉窗等相連，通常安裝于結(jié)構(gòu)壁板上，但是在生產(chǎn)設(shè)計模型布置時往往會與周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉。為了消除干涉問題和企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)的需要，設(shè)計人員可將通風靜壓箱設(shè)計成為結(jié)構(gòu)箱體。此時，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和現(xiàn)場裝配焊接的便利性，將靜壓箱周圍結(jié)構(gòu)零件合并處理，減少焊縫，有效提高施工作業(yè)效率，見圖9。需要注意的是：要求空冷專業(yè)盡早確定通風布置方案，船體專業(yè)可以在結(jié)構(gòu)模型出圖前階段完成風道建模工作，這樣可以較大程度上減少生產(chǎn)設(shè)計時間。靜壓箱結(jié)構(gòu)設(shè)計可以參考腹壁式風道結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖9 靜壓箱結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化

3 船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合分析

以某63 500載重噸散貨船上層建筑區(qū)域結(jié)構(gòu)風道(1 m×1 m箱體)和貨艙區(qū)域過道甲板結(jié)構(gòu)橫梁連接肘板(圖1)為例，從船體生產(chǎn)設(shè)計和現(xiàn)場實際施工，按照難度系數(shù)、工時消耗分別進行優(yōu)化前后

對比，其結(jié)果見表1。優(yōu)化前工時和難度系數(shù)定義為1。全船能夠節(jié)約的耗材和工時物量數(shù)據(jù)見表2。

表1 設(shè)計建模及現(xiàn)場施工優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

表2 全船節(jié)省焊接物量

從表1可知，對船體結(jié)構(gòu)型式和節(jié)點進行合理的優(yōu)化調(diào)整，并不會給設(shè)計人員增加工作難度和工作量，反而能夠降低現(xiàn)場施工作業(yè)難度，提高現(xiàn)場施工效率。

從表2可知，進行合理的結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化，全船能夠給企業(yè)生產(chǎn)施工節(jié)約焊接材料，從而減少不必要的焊接消耗、工時浪費。另外，從長遠角度來看，對目前各大企業(yè)倡導(dǎo)的降本增效、提高企業(yè)綜合競爭力，也有較大的積極促進作用。

4 結(jié)論

(1)滿足相關(guān)法規(guī)準則為前提，要以現(xiàn)場施工合理、便利、安全角度出發(fā)開展設(shè)計工作。

(2)結(jié)合船體結(jié)構(gòu)專業(yè)理論知識，提高自己的思考探索意識，積極主動將更便捷、更容易的設(shè)計方法轉(zhuǎn)化成模型和施工圖紙。

(3)切實有效借助當下三維數(shù)字化建模放樣手段，科學(xué)有效地提高企業(yè)現(xiàn)場施工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。