專利名稱：船體箱型梁抗沖擊防護結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種船舶設計領域的船體結構。
背景技術：
傳統(tǒng)板架式艦船結構沿用數百年，被實踐證明是一種可靠的結構形式，但未必是最優(yōu)的船體結構形式。在建筑行業(yè)，起初樓房建造方式與艦船建造相仿，使用整體式的磚混結構，所有墻體都參與總強度，但后來人們發(fā)現(xiàn)，使用框架式結構不但能減輕重量，還具有抗震性能好，穩(wěn)定性和堅韌性高等諸多優(yōu)點。從仿生學的角度看，魚類的總縱強度只是靠脊椎這樣的“強梁”來保持，魚的橫向強度靠肋骨來維持，而魚的型線是靠皮肉來保持。因此， 艦船設計可以借鑒建筑領域的成功經驗，利用仿生學帶來的靈感，建造更優(yōu)的艦船結構。箱型梁為“骨”而復合材料為“皮肉”的艦船結構就是基于以上考慮因素設計的新型船體結構形式，亦即“剛柔并濟”的船體。這種船體結構的特點是箱型梁承擔全部的總強度，而船體型線和必要的使用剛度由輕質高強的復合材料結構來保證。箱型梁框架結構的梁、柱構件易于標準化、定型化，便于采用裝配整體式結構，以縮短施工工期，且箱型梁的尺寸相對艙段要小得多，焊縫集中，便于質量控制，應用于船體抗沖擊方面具有廣闊的前景。研究表明，裝有箱性結構的船舶可以提高剩余強度，而且?guī)в邢湫谓Y構的板架結構的極限強度有較好的改善。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供提高船舶的抗沖擊性能，保證船舶受損之后擁有足夠的生命力的船體箱型梁抗沖擊防護結構。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型船體箱型梁抗沖擊防護結構，其特征是包括箱型梁、上甲板、下甲板、 船外板，箱型梁分別安裝在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面為箱型梁內板、 箱型梁外板以及兩塊箱型梁支撐板組成的四邊形結構，箱型梁內板、箱型梁外板為對邊且長度均為a，兩塊箱型梁支撐板為對邊且長度均為b，在兩塊箱型梁支撐板上分別安裝用于連接上甲板、下甲板和船外板的連接板，上甲板、下甲板、船外板采用復合材料。本實用新型還可以包括1、所述的安裝在船體外板和上甲板上的箱型梁的尺寸取a b = l 2 1，箱型梁間距取為0. 8a 2a。2、所述的安裝在下甲板的箱型梁的尺寸取a b = 2.5 3 1，箱型梁間距取為
1. 5a 3a03、箱型梁外板的厚度與船體外板厚度相等或比厚船體外板1 2mm，箱型梁內板較箱型梁外板厚度小2 4mm，箱型梁支撐板厚度等于箱型梁內板厚度或比箱型梁內板厚度小1 2mm，連接板長度取為1/ l/3a。本實用新型的優(yōu)勢在于[0012]1)強度特性好，實現(xiàn)局部強度與總體強度的解耦。傳統(tǒng)船體的局部強度和總體強度是不可分割的，船體局部一旦破損，則局部強度馬上不復存在，如果破損發(fā)生在甲板和船底部位，則對總強度影響很大。而箱型梁船體即使產生局部破損，只要箱型梁完好無損，則對總強度沒有影響；2)抗爆性能好，剩余強度高。傳統(tǒng)板架結構的抗爆性能進步空間已經很小，純粹在總重一定的情況下從板厚和骨材尺寸角度對其抗爆性能進行優(yōu)化的效果微乎其微，最有效的方法還是增加板厚和型材的尺寸，但實際上這并不現(xiàn)實，大量增加的重量將使艦船其它性能嚴重下降。而箱型梁本身材料厚度很大，強度很高，具有比板架高得多的抗爆性能?；糜欣跍p輕艦船重量。箱型梁將主要布置在船底和甲板，這兩處都遠離中和軸， 對強度的貢獻最大，材料的利用率高。而橫剖面中部的其它部位使用輕質的復合材料，一般只為鋼材密度的幾分之一，這樣可以大大減輕結構重量，省出的部分重量可以繼續(xù)增加箱型梁的構件尺寸，進一步提高其強度；4)有利于保護重要管道和線纜。箱型梁本身是一種空心結構，是管道和線纜的良好載體，但是它的空間有限，只能容納有限數量的管道和線纜。由于箱型梁壁厚很大，能夠抵御相當程度的爆炸攻擊，有利于保護其內部的線纜；5)有利于提高建造速度、質量控制和維修。箱型梁框架結構的梁、柱構件易于標準化、定型化，便于采用裝配整體式結構，以縮短施工工期；箱型梁的尺寸相對艙段要小得多， 焊縫集中，便于質量控制。而蒙皮的復合材料不參與強度，質量控制標準可相對降低。蒙皮與箱型梁的連接采用鉚接、螺栓等物理連接，蒙皮更換方便，便于維修。

圖1是傳統(tǒng)縱向加強構件船體橫剖面圖；圖2是本實用新型橫剖面圖；圖3是箱型梁局部結構圖；圖4是箱型梁局部結構尺寸圖；圖5是單個箱型梁模型圖；圖6是箱型梁與復合材料連接示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述結合圖1 6，本實用新型防護原理及設計原則同傳統(tǒng)材料相比，復合材料在力學性能上有以下特點從傳統(tǒng)的力學分析觀點來看，連續(xù)纖維增強聚合物復合材料是由干纖維和高聚合物兩種材料組成，比強度(σ b/ P ) 和比模量(E/P)較高，具有可設計性。纖維增強復合材料是由兩種或兩種以上不同強度和模量的材料組成，而且多數又是每一鋪層方向可隨意設置的層合材料結構，所以可以改變組分材料的種類和含量，以及鋪層方向和順序，使之在一定范圍內滿足結構設計中對材料強度、彈性和方向性的要求。這在通常的金屬材料的結構設計中較難實現(xiàn)。本實用新型便充分利用復合材料上述特點。船舶在設計抗損結構形式時，選擇的總體原則是[0027]1)有利于結構強度的增強；2)有利于提高結構抗爆性能和剩余強度；3)有利于結構抵抗戰(zhàn)斗損傷和防護設計；船體箱型梁新型抗損結構能滿足上述要求，而且對船體的重量、航行性能影響很小，能較大提高船體的總縱強度。通過對現(xiàn)有船體改裝箱型梁抗損結構可以提高船體的強度，延長船體的使用壽命，提高艦船的生命力。如果新船設計采用箱型梁抗損結構，還有利于節(jié)省鋼材，降低船舶造價。結構設計技術方案基于以上防護原理及設計原則，船體箱型梁抗沖擊結構在保證船體重量不增加的情況下，重新分配鋼板質量，把原來大部分質量分配在箱型梁板厚上，沒有箱型梁的外板應用復合材料，在箱型梁設計好之后把剩下的質量全部分給復合材料板的板厚上，蒙皮的復合材料與箱型梁的連接采用鉚接、螺栓等物理連接，蒙皮更換方便，便于維修。這樣船體重量沒有增加，而整個船體的強度卻提高很多，從而提升船舶的抗爆抗沖擊性能。具體技術方案如下1)利用箱型梁強度大，不易破損特性，可以有效為船外板提供支撐，大大提高整個船體的強度，抗爆抗沖擊能力更好。如圖4所示，數值模擬分析得出a b = l 3 1時抗沖擊能力最好，因此船體外板和上甲板等受沖擊概率較大易損壞的部位箱型梁尺寸取為 a b = 1 2 1，下甲板等對強度要求稍低的部位a b = 2. 5 3 1。箱型梁外板厚與船體外板厚度相當或厚1 2mm，內板較外板厚度小2 4mm，沖擊要求不高的部位內板和外板厚度可相等并且都取較小值。支撐板厚度等于內板厚度，或小1 2mm，連接板長度取為(1/4 1/3)a，其長度和兩鉚釘位置可根據實際需要進行調整。2)箱型梁的位置和數量由船體重量要求和抗沖擊要求權衡考慮布置，但箱型梁的間距不能過大，否則會出現(xiàn)明顯的應力集中，對強度不利。在船體外板和上甲板等受沖擊概率較大易損壞的部位箱型梁間距取為0. 8a 2a，下甲板等對強度要求稍低的部位箱型梁間距取為1. fe 3a。其它非關鍵部位采用比強度大、比模量大的復合材料，減輕結構質量， 發(fā)生有效的吸能變形模式，可以吸收較多的能量。3)由于全船采用強度較大的縱向箱型梁結構，使整個船體形成一個整體，載荷被均勻的傳遞到全船各個部位，從而降低了局部外部載荷的沖擊強度，達到提高整個船體生命力的目的。圖1中①為傳統(tǒng)船體上甲板，②為下甲板，③為雙層底，④為傳統(tǒng)縱向加強構件；圖2中⑤為改裝箱型梁結構后船體的上甲板，⑥為下甲板，⑦為箱型梁縱向加強構件；圖3中I表示使用傳統(tǒng)鋼材材料區(qū)域，II表示使用復合材料區(qū)域，其它部位材料布置相同，即箱型梁采用傳統(tǒng)鋼材，其它板材使用復合材料；圖4說明箱型梁a和b位置的板厚，⑧為箱型梁內板，⑨為箱型梁支撐板，⑩為箱型梁外板；圖5為單個箱型梁模型示意圖及各個板的說明；⑧、⑨、⑩表示意義與圖4相同，O 為箱型梁與復合材料的連接板；圖6表示箱型梁與復合材料連接示意圖，可采用螺栓或鉚釘連接。實際中根據需要決定采用那種連接形式，在此給出鉚釘連接的形式圖，￡2表示為鉚釘連接，G表示兩端用兩個鉚釘連接，G表示復合材料層合板。要保證船舶遭受某種程度的破損后仍能有一定的生命力，就需要采用有效的船舶防護結構。船舶設置防護結構的目的，是為了有效地抵御各種意外的沖擊，保證船舶在一定損傷允許的范圍內，仍能漂浮于水面保持一定的抗沉性，從而提高艦船舶的生存能力。對于民船所受沖擊載荷一般主要是碰撞和擱淺事故中的碰撞力載荷。因此，采用新型有效的抗沖擊防護結構對提高船舶生命力是必要的。由于該實用新型為一種新型船體抗沖擊防護結構形式，替代傳統(tǒng)縱向球半鋼、T型材等縱向加強構件，并未涉及具體某型船舶，因此應用范圍很廣。但是，針對不同噸位、不同船型的船體，箱型梁的布置區(qū)域與箱型梁板厚尺寸等可以根據國際公約、準則及船級社的相關規(guī)范做以合理的調整。一般情形下，箱型梁在船底和甲板處的尺寸較大、板厚較厚、數量較多，箱型梁外板和內板的厚度較大，且外板大于內板的，支撐板厚度相對較小。箱型梁不宜過大，根據具體船舶的大小在保證重量不增加的前提下合理分配箱型梁的大小、位置及板厚，確定復合材料板厚，具體板厚可參考結構設計技術方案。這里以球扁鋼為縱向加強構件的某小型船舶為例，如圖1所示，進行箱型梁結構改進，改進后如圖2所示，來提高該船的抗爆抗沖擊性能，具體實施方式
如下1、計算原船橫剖面面積根據計算軟件繪制船體橫剖面圖，計算包括縱向加強構件在內的橫剖面面積。若設計新船，不是改進船型可跳過此步。2、確定箱型梁板厚和數量根據計算的原船橫剖面面積，在不超過此面積的情況下分配箱型梁板厚，確定箱型梁的數量及復合材料板厚。新船可直接在重量的要求，確定箱型梁的板厚數量及復合材料外板厚度，具體板厚要求參考結構設計技術方案。3、焊接工藝要求箱型梁的焊接采用(X)2氣體保護焊，焊接工藝標準嚴格按照船級社相關焊接規(guī)范要求，并結合船廠具體施工工藝要求限制。4、箱型梁和復合材料層合板的連接如圖6所示，箱型梁與復合材料連接示意圖，箱型梁連接板和復合材料層合板采用鉚接連接形式，兩端用分別用兩個鉚釘連接。
權利要求1.船體箱型梁抗沖擊防護結構，其特征是包括箱型梁、上甲板、下甲板、船外板，箱型梁分別安裝在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面為箱型梁內板、箱型梁外板以及兩塊箱型梁支撐板組成的四邊形結構，箱型梁內板、箱型梁外板為對邊且長度均為a， 兩塊箱型梁支撐板為對邊且長度均為b，在兩塊箱型梁支撐板上分別安裝用于連接上甲板、 下甲板和船外板的連接板，上甲板、下甲板、船外板采用復合材料。
2.根據權利要求1所述的船體箱型梁抗沖擊防護結構，其特征是所述的安裝在船體外板和上甲板上的箱型梁的尺寸取a b = 1 2 1，箱型梁間距取為0. 8a 加。
3.根據權利要求1或2所述的船體箱型梁抗沖擊防護結構，其特征是所述的安裝在下甲板的箱型梁的尺寸取a b = 2.5 3 1，箱型梁間距取為1. 3a。
4.根據權利要求1或2所述的船體箱型梁抗沖擊防護結構，其特征是箱型梁外板的厚度與船體外板厚度相等或比厚船體外板1 2mm，箱型梁內板較箱型梁外板厚度小2 4mm，箱型梁支撐板厚度等于箱型梁內板厚度或比箱型梁內板厚度小1 2mm，連接板長度取為l/4a l/3a。
5.根據權利要求3所述的船體箱型梁抗沖擊防護結構，其特征是箱型梁外板的厚度與船體外板厚度相等或比厚船體外板1 2mm，箱型梁內板較箱型梁外板厚度小2 4mm， 箱型梁支撐板厚度等于箱型梁內板厚度或比箱型梁內板厚度小1 2mm，連接板長度取為 l/4a l/3a。
專利摘要本實用新型的目的在于提供船體箱型梁抗沖擊防護結構，包括箱型梁、上甲板、下甲板、船外板，箱型梁分別安裝在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面為箱型梁內板、箱型梁外板以及兩塊箱型梁支撐板組成的四邊形結構，箱型梁內板、箱型梁外板為對邊且長度均為a，兩塊箱型梁支撐板為對邊且長度均為b，在兩塊箱型梁支撐板上分別安裝用于連接上甲板、下甲板和船外板的連接板，上甲板、下甲板、船外板采用復合材料。本實用新型強度特性好，抗爆性能好，剩余強度高，有利于減輕艦船重量，有利于保護重要管道和線纜，有利于提高建造速度、質量控制和維修。
文檔編號B63B3/32GK202320716SQ20112046372
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權日2011年11月21日
發(fā)明者姚熊亮, 崔杰, 王軍, 程曉達, 郭君 申請人:哈爾濱工程大學