一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法技术

本发明专利技术公开了一种船舶金属围壁开口的直角角隅之防裂、止裂的设计方法，其技术特征是以“止裂缝”设计取代现行的常规“止裂孔”设计，使原集中于直角角隅的应力通过特殊设计的“止裂缝”转移至易于加强处理的相交甲板(或相交围壁)处，或是分散至特殊设计的防裂圆弧上，以便实现结构的便捷加强，或是降低集中应力，有效止裂、防裂。

A method of ship metal structure wall opening rectangular corner crack, crack arrest

The invention discloses a ship metal wall opening angle of corner crack, crack check design method, which is characterized by \anti crack design\ to replace the existing conventional \stop hole\ design, the original focus on the right corner of the stress through a specially designed \check cracks\ transferred to easy strengthen the treatment of intersection deck (or intersection wall), or arc crack dispersed to the special design, in order to achieve the convenience of reinforced structure, or reduce the stress concentration, effective crack, crack.

【技术实现步骤摘要】
一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法
本专利技术属于船舶设计和建造
，具体涉及一种对于船舶金属围壁，特别是其上层建筑船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法。
技术介绍
金属围壁开口角隅是金属结构的应力高度集中区，受力后极易由高度集中的应力值超出设计许用应力值，导致角隅裂缝产生并进一步撕裂整个金属围壁。因而通常将金属围壁开口设计成圆弧，使集中的应力分散至由圆弧扩大的应力集中区，有效降低集中的应力值，保证金属围壁的工作强度。显然，就集中应力的分散、防止开口角隅的高应力撕裂要求，金属围壁开口角隅必须带圆弧(即为防裂圆弧，下称“防裂弧”)，且其半径应足够大(常规设计是不小于开口宽度的10％)。而最坏情况就是半径为零时的直角角隅，这是通常金属结构设计所力求避免的。然而，船舶的一些通道设备，如液压分隔门、上建各舱室如防火门等的舱室门等，由其常规的直角门框形式，导致其所在金属围壁上的开口不得不设计成无圆弧的直角形式。这样，应力集中区就成为开口之直角角隅的一个“点”，导致集中应力值的“最大化”。因此，防裂、止裂，就成了金属结构此类直角开口设计的重点难题。特别是对舯部长船楼型船舶(如客船等)，其参与船舶总纵强度的上建之高应力区，难以避免地会有大量的此类直角开口设计，有效防裂、止裂是其设计的关键重点之一。对于金属围壁上如舱室门开口这样的直角形开口，其常规的止裂设计是以角隅点为圆心，加开Φ15的圆形止裂孔，以期集中于角隅点的应力被分散于该止裂孔的3/4圆弧上，降低集中应力值(如图1所示)。然而，船舶建造的实际，经常发现对直角开口的上述常规止裂设计存在止裂效果不明显，甚至不起作用的问题。经研究分析，其原因主要是：1、相对于如上建舱室门等开口(一般为～700X1800)，Φ15止裂孔仍然太小(半径7.5，仅为开口宽度的1％强，远小于常规要求的10％)，虽有一定效果，但仍不足以有效防裂和止裂；2、由船舶实际建造的必然误差，以及设计时无法得到通道设备门框的详细结构图等原因，经常难以实现门开口在下料阶段的精确切割：下料时需留余量而只割出供进出通口的工艺孔，待船舶结构基本装焊到位，开始舱室门安装之际，依据实际割除余量。因此，其角隅的止裂孔，也只能在此阶段切割成形。但是，对于安装现场，在现有条件下，切割工具一般为火焰割刀，且因工位问题而普遍手工操作。这就导致割缝粗糙，不可能如激光、等离子等切割的相对光顺。而粗糙割缝本身又实际形成了众多新的应力集中点。同时，Φ15的小尺寸，也往往使打磨不易、效率极低；3、止裂孔的设计，在实际集中应力值大于设计许用应力的情况下，除了加厚开口角隅处的板厚外，别无其它有效加强方法。而板厚的增加又有其一定的限度(一般不超过原板厚的100％)，而Φ15的小尺寸往往不能大幅分散并降低实际应力值。增加板厚仍不能满足强度要求时，常规的止裂孔设计对防裂、止裂实际已失效；4、板厚的增加，更同时增加了小尺寸Φ15止裂孔的施工难度，导致该止裂孔成形不佳，从而进一步影响其防裂、止裂性能，等等。以上叙述的种种现象基本可以归结为船舶金属结构直角开口角隅的常规止裂设计，其实际工艺可操作性较差，预期的止裂效果也不佳，施工建造很难保证船舶产品的最终质量。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，可大大提高止裂效果，并简化工艺、便于施工。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，以止裂缝取代止裂孔：在开口围壁上通过扩大设计开口形成扩大开口，沿扩大开口的边缘焊接填以同质材料，恢复设计开口的尺寸，在相邻同质材料之间和/或同质材料与扩大开口之间留有横向和/或垂向宽度d不大于25mm的止裂缝，通过止裂缝，转移和/或分散原设计开口直角角隅的集中应力。所述同质材料为等级不低于开口围壁材料，且板厚接近，形状包括板条、扇形板和/或扇形板条。本专利技术采用“止裂缝”设计取代现行的常规“止裂孔”设计，形成应力转移和应力分散这两种方式下的两种基本节点形式，及其转向、简化的九种变种节点形式(分别如图2～图12所示)。通过对本专利技术十一种角隅节点的某一种节点，或两两对应的两种节点的优选组合应用，使围壁设计直角开口的四个角隅形成缝隙宽度d不大于25mm的“止裂缝”以有效防裂、止裂。止裂缝的形成：通过扩大设计开口，而后依设计开口沿扩大开口的边缘填以同质材料(即材料等级不低于开口围壁，且板厚接近的相同金属材料)，并在这些同质材料间(和/或同质材料与扩大开口边缘间)留以横向和/或垂向的适当缝隙d，形成横向和/或垂向“止裂缝”。止裂缝的作用：将应力自原集中的角隅点有效转移到扩大开口或其变种的边缘，最终集中于易于加强处理并施工的甲板或围壁“硬点”处，或是分散于完整的防裂弧上，以有效防裂、止裂，且易于施工、工艺简便。这两种方式及其转向、简化变种的单一选用或优选组合应用，分别适用于不同的设计情况。方案一：系本专利技术应力转移方式的基本节点形式，一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，包括以下步骤：步骤1、扩大围壁的设计开口直至上层甲板或/和下层甲板形成“贯通”形扩大开口(下称“贯通开口”)；步骤2、沿贯通开口的边缘，按设计开口的位置和尺度分别焊接填以同质材料的板条；步骤3、板条与贯通开口边缘之间留有垂向止裂缝，相邻板条之间留有横向止裂缝；步骤4、对所述步骤3形成的贯通开口及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对贯通开口角隅和甲板硬点处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增设甲板覆板和/或增加围壁贯通开口端部的板厚；步骤6、按设计施工，待贯通开口四周的结构建造完整后，按实际建造精度误差，对相应的板条散装件进行切割调整后实施装焊。此方案中，止裂缝的作用是将围壁开口处的应力通过贯通开口的左(和/或右)侧边端部传递至其与上(和/或下)层甲板的相交点(即甲板“硬点”)，一般适用于围壁开口处布置位置有限的场合，如甲板间高较小的上建部位等。同质板条的作用：一是恢复设计开口的尺寸，用作门框等的固定；二是形成小缝隙的止裂缝，并通过止裂缝将集中应力传递到贯通开口端部，形成对甲板的结构“硬点”；三是小缝隙的止裂缝可减弱围壁贯通开口端对所处甲板的“硬点”影响；最后可通过对相应同质板条的切割调整，方便地实现对建造精度误差之横向和垂向的双向调整补偿。方案二：系上述应力转移基本节点形式的工艺简化变种，一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，包括以下步骤：步骤1、以设计开口的相同宽度扩大围壁开口直至上层甲板或/和下层甲板形成贯通开口；步骤2、沿贯通开口的上(和/或下)边缘，按设计开口的高度尺寸分别焊接填以同质材料的板条；步骤3、板条与贯通开口边缘之间留有垂向止裂缝；步骤4、对所述步骤3形成的贯通开口及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对贯通开口角隅和甲板硬点处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增设甲板覆板和/或增加围壁贯通开口端部的板厚；步骤6、按设计施工，待贯通开口四周的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征在于，以止裂缝取代止裂孔：在开口围壁(1)上通过扩大设计开口(00)形成扩大开口，沿扩大开口的边缘焊接填以同质材料，恢复设计开口(00)的尺寸；在相邻同质材料之间和/或同质材料与扩大开口边缘间留有横向和/或垂向宽度d不大于25mm的止裂缝，通过止裂缝，转移或/和分散原设计开口(00)直角角隅的集中应力。

【技术特征摘要】
1.一种船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征在于，以止裂缝取代止裂孔：在开口围壁(1)上通过扩大设计开口(00)形成扩大开口，沿扩大开口的边缘焊接填以同质材料，恢复设计开口(00)的尺寸；在相邻同质材料之间和/或同质材料与扩大开口边缘间留有横向和/或垂向宽度d不大于25mm的止裂缝，通过止裂缝，转移或/和分散原设计开口(00)直角角隅的集中应力。2.根据权利要求1所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征在于，所述的同质材料为等级不低于开口围壁(1)的材料，且板厚接近，包括板条(3)、扇形板(4)和/或扇形板条(5)。3.一种权利要求2所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、扩大开口围壁(1)的设计开口(00)直至上层甲板(2)或/和下层甲板(20)形成贯通形扩大开口，即贯通开口(01)；步骤2、沿贯通开口(01)的边缘，按设计开口(00)的位置和尺度分别焊接填以同质材料的板条(3)；步骤3、板条(3)与贯通开口(01)边缘之间留有垂向止裂缝(61)，相邻板条(3)之间留有横向止裂缝(62)；步骤4、对所述步骤3形成的贯通开口(01)及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对贯通开口(01)角隅和甲板硬点处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增设甲板覆板和/或增加贯通开口(01)端部的板厚；步骤6、按设计施工，待贯通开口(01)四周的结构建造完整后，按实际建造精度误差，对相应的板条(3)散装件进行切割调整后实施装焊。4.一种权利要求2所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征包括以下步骤：步骤1、以设计开口(00)的相同宽度扩大围壁开口直至上层甲板(2)或/和下层甲板(20)形成贯通开口(01)；步骤2、沿贯通开口(01)的上和/或下边缘，按设计开口(00)的高度尺寸分别焊接填以同质材料的板条(3)；步骤3、板条(3)与贯通开口(01)边缘之间留有垂向止裂缝(61)；步骤4、对所述步骤3形成的贯通开口(01)及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对贯通开口(01)角隅和甲板硬点处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增设甲板覆板和/或增加贯通开口端部的板厚；步骤6、按设计施工，待贯通开口(01)四周的结构建造完整后，按实际建造精度误差，对相应的板条(3)散装件进行切割调整后实施装焊。5.一种权利要求2所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征包括以下步骤：步骤1、扩大围壁(1)的设计开口(00)直至左相交围壁(11)或/和右相交围壁(12)形成贯通开口(01)；步骤2、沿贯通开口(01)的边缘，按设计开口(00)的位置和尺寸焊接填以同质材料的板条(3)；步骤3、板条(3)与贯通开口(01)边缘之间留有横向止裂缝(62)，相邻板条(3)之间留有垂向止裂缝(61)；步骤4、对所述步骤3形成的贯通开口(01)及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对贯通开口(01)角隅和围壁硬点处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增设左相交围壁(11)或/和右相交围壁(12)覆板和/或增加贯通开口(01)端部的板厚；步骤6、按设计施工，待贯通开口(01)四周的结构建造完整后，按实际建造精度误差，对相应的板条(3)散装件进行切割调整后实施装焊。6.一种权利要求2所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征包括以下步骤：步骤1、以设计开口(00)的相同高度扩大围壁开口直至左相交围壁(11)或/和右相交围壁(12)形成贯通开口(01)；步骤2、沿贯通开口(01)的左和/或右边缘，按贯通开口(00)的宽度尺寸焊接填以同质材料的板条(3)；步骤3、板条(3)与扩大开口(01)边缘之间留有横向止裂缝(62)；步骤4、对所述步骤3形成的扩大开口(01)及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对扩大开口(01)角隅和围壁硬点处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增设左相交围壁(11)或/和右相交围壁(12)覆板和/或增加贯通开口(01)端部的板厚；步骤6、按设计施工，待贯通开口(01)四周的结构建造完整后，按实际建造精度误差，对相应的板条(3)散装件进行切割调整后实施装焊。7.一种权利要求2所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、扩大设计开口(00)至形成完整防裂弧的圆弧角隅扩大开口，即圆弧开口(02)；步骤2、沿圆弧开口(02)的边缘和圆弧角隅，按设计开口(00)的位置和尺寸分别焊接填以同质材料的板条(3)，以及同质材料的扇形板(4)；步骤3、扇形板(4)的垂向侧边缘与其相邻板条(3)间留有垂向止裂缝(61)、扇形板(4)的横向侧边缘与其相邻板条(3)间留有横向止裂缝(62)；步骤4、对所述步骤3形成的圆弧开口(02)及其直接相关结构进行对应的有限元计算分析，对圆弧开口(02)角隅处的局部应力集中值按设计许用应力值进行强度评估；步骤5、依据所述步骤4的强度评估结果，对计算应力大于设计许用应力处进行结构加强补偿：增加圆弧开口(02)角隅处的板厚；步骤6、按设计施工，待圆弧开口(02)四周的结构建造完整后，按实际建造精度误差，对相应的板条(3)散装件进行切割调整后和扇形板(4)一起实施装焊。8.一种权利要求2所述的船舶金属结构围壁开口直角角隅防裂、止裂的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、以设计开口(00)的相同宽度扩大围壁设计开口(00)至形成完整防裂弧的圆弧开口(02)；步骤2、沿圆弧开口(02)的上和/或下边缘和圆弧角隅，按设计开口(00)的高度尺寸分别焊接填以同质材料的板条(3)和同质材料的扇形板(4)；步骤3、扇形板(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王佳颖，侯方衍，
申请(专利权)人：沪东中华造船集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31