防止船舶駕駛室變形的方法研究

劉小堯，劉 濱

（廣東中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，東莞523146）

1 前言

由于船舶駕駛室的通行﹑通風(fēng)和可視性要求，需設(shè)置一些大開孔（如：門孔﹑窗孔﹑百葉窗孔﹑風(fēng)管孔等），這些大開孔在建造過程中（裝配﹑焊接﹑移運(yùn)等）受到擠壓很容易產(chǎn)生變形。一旦變形達(dá)到一定程度，就必須耗費(fèi)大量的人力﹑物力和時(shí)間去整改，情況嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致分段報(bào)廢，所以應(yīng)引起足夠的重視。

2 產(chǎn)生變形的原因

2.1 焊接變形

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

焊接變形按照外觀形態(tài)可分為：收縮變形﹑角變形﹑彎曲變形﹑失穩(wěn)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(xiàn)象；

（2）角變形：由于焊縫的收縮導(dǎo)致兩連接構(gòu)件間相對(duì)角度發(fā)生變化的變形，需火調(diào)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(chǎn)生的撓度，撓度越大，彎曲變形越大；

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

（5）扭曲變形：裝配質(zhì)量不好﹑焊接順序及方向不當(dāng)﹑焊接時(shí)位置擱置不當(dāng)?shù)仍蛟斐珊负髽?gòu)件位置和尺寸發(fā)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(yùn)變形

吊運(yùn)變形即在吊裝移運(yùn)過程中產(chǎn)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(diǎn)位置附近受到的擠壓力特別大；此外，由于整個(gè)駕駛室都是由門和窗戶構(gòu)成，支撐結(jié)構(gòu)少﹑外形輪廓變化大﹑整體結(jié)構(gòu)剛性不夠，非常容易﹑產(chǎn)生變形。

吊運(yùn)變形的影響因素有：

（1）吊點(diǎn)﹑支撐點(diǎn)的設(shè)置。應(yīng)設(shè)置在強(qiáng)檔或?qū)嵗呶换蛟黾优R時(shí)支撐加強(qiáng)；

（2）吊運(yùn)鋼絲繩的角度。可增加鋼絲繩長(zhǎng)度，減小斜力角；

（3）結(jié)構(gòu)的剛性。可臨時(shí)支撐加強(qiáng)。

3 防止大開孔變形的傳統(tǒng)方法

防止大開孔變形的傳統(tǒng)方法，主要有三種：

（1）設(shè)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(shí)再割除支撐工裝；其缺點(diǎn)是耗費(fèi)工裝材料及制作人工成本，分段整體成型后拆除工裝時(shí)還要修割﹑補(bǔ)焊﹑打磨﹑補(bǔ)漆等，工序多﹑損耗大﹑經(jīng)濟(jì)性不高；

（2）附件（門窗）預(yù)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(diǎn)是裝配﹑焊接﹑打磨﹑涂裝等工序會(huì)破壞附件，整個(gè)建造過程都需要對(duì)預(yù)裝的附件進(jìn)行保護(hù)，可操作性不強(qiáng)；

（3）手工開孔。即不在數(shù)控切割時(shí)開孔，等安裝附件時(shí)再手工開孔；其缺點(diǎn)是方法落后﹑精度和美觀度都不好，質(zhì)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(duì)駕駛室門窗的開孔形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用開孔前鋼材自身的結(jié)構(gòu)剛性 ，減小焊接變形和吊運(yùn)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(nèi)搭橋法

在AM模型上進(jìn)行模型編輯，在大開孔中間搭接過橋，過橋的寬度一般設(shè)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(huì)影響后續(xù)工序，常用于除駕駛室以外的其他不易發(fā)生變形的區(qū)域。

孔內(nèi)搭橋法的缺點(diǎn)：防止變形效果一般，不適用駕駛室等大開孔多﹑支撐結(jié)構(gòu)少﹑外形輪廓變化大等極易發(fā)生變形的區(qū)域；搭接過橋后，孔內(nèi)的零料難于二次利用。

4.2 環(huán)孔搭橋法

見圖1。

（1）在AM模型上進(jìn)行模型編輯，按實(shí)際開孔的位置開設(shè)一個(gè)環(huán)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(shè)置3個(gè)過橋，過橋的長(zhǎng)度可以根據(jù)孔的大小合理設(shè)置，一般為200～800 mm；

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

圖1 環(huán)孔搭橋法

環(huán)孔搭橋法的缺點(diǎn)：在AM模型上模型編輯這種環(huán)狀孔非常復(fù)雜；AM軟件對(duì)曲線的限制邊數(shù)為不超過10條，這種環(huán)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(shí)需要推倒重來，費(fèi)時(shí)耗力且在套料圖上加過橋時(shí)容易出錯(cuò)（AM套料軟件問題），出錯(cuò)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(jìn)行語句編輯，將一個(gè)大開孔（虛線）拆分成4個(gè)直角帶狀的小開孔（實(shí)線，HOL11～HOL14）和4個(gè)長(zhǎng)圓狀的小開孔（實(shí)線，HOL15～HOL18，視實(shí)際情況選開），小開孔一般設(shè)置為長(zhǎng)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(shù)控切割機(jī)對(duì)虛線進(jìn)行畫線并切割出小孔。

當(dāng)需要在孔內(nèi)安裝附件（門窗）時(shí)，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(huì)影響后續(xù)工序；這種方法最大程度地利用虛線內(nèi)鋼材自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，起到減小和防止結(jié)構(gòu)在裝配﹑焊接﹑吊運(yùn)過程中產(chǎn)生變形的作用；后期切割出來的孔內(nèi)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(fù)雜繁瑣，但可以通過編制Excel小程序，利用Excel的函數(shù)公式，只需輸入大開孔（虛線）的位置大小的原始參數(shù)，自動(dòng)輸出可直接在AM軟件中開設(shè)小開孔（實(shí)線）的SCH語句，使用方法簡(jiǎn)單快捷，減少設(shè)計(jì)人員的工作量；使用Excel小程序前，設(shè)計(jì)人員在AM里面開設(shè)一個(gè)防止變形的孔大約需要20分鐘左右；使用Excel小程序后，設(shè)計(jì)人員在AM里面開設(shè)一個(gè)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?fù)潼c(diǎn)（P1,P2,P3……），引申開孔拓?fù)潼c(diǎn)（P11,P12,P13,P14;P21,P22……）；

（2）設(shè)計(jì)人員只需要按要求填寫開孔大小﹑孔中心拓?fù)潼c(diǎn)的名稱﹑開孔所在平面﹑輔助點(diǎn)的序號(hào)等參數(shù)，

（3）Excel小程序自動(dòng)輸出SCH語句；

（4）在SCH語句里新建一行新語句，拷貝輸出結(jié)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(duì)比

方法1：孔內(nèi)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(fā)生變形的區(qū)域；其操作簡(jiǎn)單容易，割除過橋也非常方便，基本不會(huì)影響后續(xù)工序；

方法2：環(huán)孔搭橋法由于在套料過程中增加過橋會(huì)導(dǎo)致軟件出錯(cuò)，且難以修改開孔的大小和位置，也沒有開發(fā)減少設(shè)計(jì)人員工作量的Excel小程序，僅在方法3未出現(xiàn)前作為方法1的補(bǔ)充；

方法3：化整為繁法適用于駕駛室等大開孔多﹑支撐結(jié)構(gòu)少﹑外形輪廓變化大﹑極易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的區(qū)域；配合已開發(fā)的AM模型語句生成的小程序，建模比較簡(jiǎn)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(duì)簡(jiǎn)單，但所有開孔都采用方法3來防止變形的話將會(huì)導(dǎo)致無法通行施工，所以需要在相對(duì)不易發(fā)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(jīng)過幾艘船的實(shí)際建造反饋，開設(shè)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(duì)比表

6 結(jié)束語

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

下一步計(jì)劃通過收集﹑總結(jié)﹑分析焊接應(yīng)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(yù)測(cè)焊接變形等方面著手，進(jìn)一步提高焊接效率和建造精度。