防止船舶駕駛室變形的方法研究

劉小堯，劉 濱

（廣東中遠海運重工有限公司，東莞523146）

1 前言

由于船舶駕駛室的通行﹑通風和可視性要求，需設置一些大開孔（如：門孔﹑窗孔﹑百葉窗孔﹑風管孔等），這些大開孔在建造過程中（裝配﹑焊接﹑移運等）受到擠壓很容易產生變形。一旦變形達到一定程度，就必須耗費大量的人力﹑物力和時間去整改，情況嚴重時甚至導致分段報廢，所以應引起足夠的重視。

2 產生變形的原因

2.1 焊接變形

焊接變形即由于焊接應力而引起的變形。焊接應力是指焊接過程中及焊接結束后存在于焊件中的內應力，分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力：焊接瞬時應力是焊接過程中某一瞬時的焊接應力，它隨時間而變化；焊件冷卻后殘留于焊件內的應力，稱為焊接殘余應力。

焊接變形按照外觀形態可分為：收縮變形﹑角變形﹑彎曲變形﹑失穩變形(波浪變形)和扭曲變形。

（1）收縮變形：焊件縱向收縮和橫向收縮后，尺寸比焊前縮短的現象；

（2）角變形：由于焊縫的收縮導致兩連接構件間相對角度發生變化的變形，需火調或壓平；

（3）彎曲變形：焊件的中心軸偏離原焊件的中心軸而產生的撓度，撓度越大，彎曲變形越大；

（4）失穩變形(波浪變形)：焊接時橫向和縱向的壓應力使薄板失去穩定而造成波浪形的變形；

（5）扭曲變形：裝配質量不好﹑焊接順序及方向不當﹑焊接時位置擱置不當等原因造成焊后構件位置和尺寸發生變化的變形主要是指工字梁﹑薄板和T梁的扭曲變形；

（6）焊件的剛性是指焊件抵抗變形的能力：焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小；反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大。所以，提高焊件的剛性可以有效減小焊接變形。

2.2 吊運變形

吊運變形即在吊裝移運過程中產生的塑形變形，特別是在翻身過程中由于吊體重心不斷變化，吊點位置附近受到的擠壓力特別大；此外，由于整個駕駛室都是由門和窗戶構成，支撐結構少﹑外形輪廓變化大﹑整體結構剛性不夠，非常容易﹑產生變形。

吊運變形的影響因素有：

（1）吊點﹑支撐點的設置。應設置在強檔或實肋位或增加臨時支撐加強；

（2）吊運鋼絲繩的角度。可增加鋼絲繩長度，減小斜力角；

（3）結構的剛性。可臨時支撐加強。

3 防止大開孔變形的傳統方法

防止大開孔變形的傳統方法，主要有三種：

（1）設置支撐工裝。即在大開孔上增加若干角鋼支撐，待分段搭載后安裝附件（門窗）時再割除支撐工裝；其缺點是耗費工裝材料及制作人工成本，分段整體成型后拆除工裝時還要修割﹑補焊﹑打磨﹑補漆等，工序多﹑損耗大﹑經濟性不高；

（2）附件（門窗）預安裝。即將安裝工序前移，在分段階段安裝好附件（門窗）；其缺點是裝配﹑焊接﹑打磨﹑涂裝等工序會破壞附件，整個建造過程都需要對預裝的附件進行保護，可操作性不強；

（3）手工開孔。即不在數控切割時開孔，等安裝附件時再手工開孔；其缺點是方法落后﹑精度和美觀度都不好，質量難以控制﹑返工成本高。

這三種防止大開孔變形的方法都存在較大局限性。本文探討對駕駛室門窗的開孔形式進行優化設計，利用開孔前鋼材自身的結構剛性 ，減小焊接變形和吊運變形，并盡可能地減少后期的切割和打磨的工作量。

4 防止大開孔變形的新方法

4.1 孔內搭橋法

在AM模型上進行模型編輯，在大開孔中間搭接過橋，過橋的寬度一般設置為400 mm，在AM開孔語句增加“BRI, BRW=400, BRR=20, Y1=*, Z1=*, Y2=*,Z2=*”即可。過橋割除也非常方便，切割后稍作打磨即可安裝附件，基本不會影響后續工序，常用于除駕駛室以外的其他不易發生變形的區域。

孔內搭橋法的缺點：防止變形效果一般，不適用駕駛室等大開孔多﹑支撐結構少﹑外形輪廓變化大等極易發生變形的區域；搭接過橋后，孔內的零料難于二次利用。

4.2 環孔搭橋法

見圖1。

（1）在AM模型上進行模型編輯，按實際開孔的位置開設一個環狀的開孔，開孔寬度為10 mm；

（2）然后在套料圖上，在孔的另外3條邊設置3個過橋，過橋的長度可以根據孔的大小合理設置，一般為200～800 mm；

（3）最后切割出來的形狀是4個直角帶狀的小孔。安裝附件（門或窗）時，再沿著4個角的直邊切割大開孔，施工方便快捷﹑防變形效果好﹑孔內的大零料可以二次利用。

圖1 環孔搭橋法

環孔搭橋法的缺點：在AM模型上模型編輯這種環狀孔非常復雜；AM軟件對曲線的限制邊數為不超過10條，這種環形曲線需要合成幾條曲線，增加了建模的工作量；后期修改孔的大小或位置時需要推倒重來，費時耗力且在套料圖上加過橋時容易出錯（AM套料軟件問題），出錯后無法生成切割指令。

4.3 化整為繁法

見圖2。

在AM模型上進行語句編輯，將一個大開孔（虛線）拆分成4個直角帶狀的小開孔（實線，HOL11～HOL14）和4個長圓狀的小開孔（實線，HOL15～HOL18，視實際情況選開），小開孔一般設置為長度200 mm﹑寬度為10 mm﹑倒圓為R10；在套料圖上不需要再做其他修改，可以直接生成切割指令；再通過等離子數控切割機對虛線進行畫線并切割出小孔。

當需要在孔內安裝附件（門窗）時，再沿著虛線切割開孔，切割后稍作打磨即可安裝門窗等附件，基本不會影響后續工序；這種方法最大程度地利用虛線內鋼材自身的結構強度，起到減小和防止結構在裝配﹑焊接﹑吊運過程中產生變形的作用；后期切割出來的孔內大廢料還可以再次利用。

圖2 化整為繁法

化整為繁法在AM模型上模型編輯這些小孔非常復雜繁瑣，但可以通過編制Excel小程序，利用Excel的函數公式，只需輸入大開孔（虛線）的位置大小的原始參數，自動輸出可直接在AM軟件中開設小開孔（實線）的SCH語句，使用方法簡單快捷，減少設計人員的工作量；使用Excel小程序前，設計人員在AM里面開設一個防止變形的孔大約需要20分鐘左右；使用Excel小程序后，設計人員在AM里面開設一個防止變形的孔僅需要2分鐘左右。

使用方法如下：

（1）以開孔中心建立拓撲點（P1,P2,P3……），引申開孔拓撲點（P11,P12,P13,P14;P21,P22……）；

（2）設計人員只需要按要求填寫開孔大小﹑孔中心拓撲點的名稱﹑開孔所在平面﹑輔助點的序號等參數，

（3）Excel小程序自動輸出SCH語句；

（4）在SCH語句里新建一行新語句，拷貝輸出結果并保存。

圖3 AM模型語句生成小程序

4.4 三種新的防止變形方法的對比

方法1：孔內搭橋法防止變形效果一般，僅適用于除駕駛室以外的其他不易發生變形的區域；其操作簡單容易，割除過橋也非常方便，基本不會影響后續工序；

方法2：環孔搭橋法由于在套料過程中增加過橋會導致軟件出錯，且難以修改開孔的大小和位置，也沒有開發減少設計人員工作量的Excel小程序，僅在方法3未出現前作為方法1的補充；

方法3：化整為繁法適用于駕駛室等大開孔多﹑支撐結構少﹑外形輪廓變化大﹑極易發生結構變形的區域；配合已開發的AM模型語句生成的小程序，建模比較簡單，防變形效果非常好。

必須指出雖然方法3防止變形效果好﹑操作也相對簡單，但所有開孔都采用方法3來防止變形的話將會導致無法通行施工，所以需要在相對不易發生變形的開孔處采用方法1，保證有足夠的通道供施工使用。

5 防變形控制流程圖

見圖4。

圖4 防變形控制流程圖

經過幾艘船的實際建造反饋，開設這種防變形開孔能使門窗開孔精度有極大提高，駕駛室整體變形特別是壁板的波浪變形得到控制，降低了返工工作量（如表1所示）。

表1 駕駛室變形情況對比表

6 結束語

造船精度管理技術是精益造船的主要技術，防變形又是精度管理技術的重中之重，在縮短造船周期﹑降低造船成本﹑提高造船質量等方面具有重大意義。本文通過優化大開孔（門窗等）的形式，將船體結構的一個大開孔拆分成4～8個小開孔，最大限度地利用未切割的鋼材自身的結構強度，減小建造過程中產生的變形，避免了因變形產生的結構修改損失；配合自行開發的AM模型語句生成小程序，操作方法簡單易行，防變形效果顯著，新方法在船舶建造領域具有廣譜適用性；同時，切割出來的孔內大廢料還可以再次利用，節約材料成本。

下一步計劃通過收集﹑總結﹑分析焊接應力引起的變形問題，從裝焊順序﹑焊接方向﹑焊接順序﹑反變形法﹑熱彈塑性有限元法預測焊接變形等方面著手，進一步提高焊接效率和建造精度。