船體結構應力監測點的選取方法研究

蔡金濤

【摘 要】本文主要針對船體結構應力監測點的選取方法展開分析，思考了船體結構應力監測點選取方法的要點和內容，并對其中選取的一些關鍵點進行了分析，希望能夠為今后船體結構應力監測點的選取工作提供參考。

【關鍵詞】船體結構；應力監測點；選取方法

前言

在船體結構應力監測點的選取過程中，要選取更加科學合理的點位，才能夠提高船體結構應力監測點選取方法的科學性和合理性，為此，進一步分析船體結構應力監測點的選取方法是十分必要的。

1 殘余應力的分類

1.1 裝配殘余應力

一些小型船廠，缺少冷加工成型設備，一些線形較復雜的曲面，未經過塑性加工，而直接將板材吊上，用外力強制成型，導致構件內部存在較大的彈性極限應力，即使有少量成型設備，加工也是不到位的。

另外，分段制作或合攏階段，板材與板材之間、型材與型材之間裝配過程中，經常出現錯位、未對齊、間隙超差等問題，不采取必要的措施，如調整，重新定位等，而用輔助裝置強行校準，雖然局部滿足裝配要求，但是，結構內部同樣會殘存彈性極限應力。

當彈性極限應力過大時，就會引起過大的彈性變形，導致船體結構的剛度不足，引起結構失效，導致船舶在運行中產生振動。若振動過大，會導致船體結構疲勞破壞，影響船上設備和儀器的正常工作，降低使用精度，嚴重時，還會導致船體斷裂或沉沒。

1.2 焊接殘余應力

焊接殘余應力產生的原因：船體結構由板材和型材通過對接或角接的方法連接而成，由于焊接過程是對船體結構的局部加熱過程，加熱范圍小，溫度梯度大，焊接區受熱膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區域的約束[1]，使焊縫區處于壓縮的狀態，冷卻過程中焊接區的冷卻收縮受到周圍區域的約束，最終，焊接區域呈現拉伸殘余應力，相鄰區域則呈現壓縮殘余應力。

2 船體結構應力監測點的選取方法

2.1 根據高應力部位選擇監測點

將船體結構按其特點分為幾類，如甲板與平臺、船體外板、艙壁、底縱朽與實肋板、縱向骨材、舷側肋骨、支柱等七類結構，在每一類結構內將各點應力響應按從大到小排序。

2.2 考慮海況信息的監測點選擇

由上述過程可以看出，選取的位置是各浪向與頻率組合的工況中應力響應最大的幾個位置，即認為一旦遭遇某一特定海況則通過上述方法選出的位置將是該海況下船體結構最易出現破壞的位置。但是船舶在航行中遭遇某一特定浪向與頻率組合的工況的概率是相對較低的.絕大多數情況下船舶是會遭遇各種不同的海況，因此當海況資料完備時，僅由上述方法選取的位置是不夠全面的。因此本文通過對各工況下的響應函數進行加權，根據加權平均值來選取結構應力監測點。需要指出的是該方法是在以下兩點假設的前提下提出的：（1）船舶的遭遇浪向服從均勻分布；（2）航速對線性波浪載荷的影響不大。

由于船舶遭遇浪向可近似認為服從均勻分布，因此，相應的權函數僅與船舶的裝載工況和遭遇頻率有關。對于裝載工況的時間分配系數，可根據船舶的實際情況來確定各工況所占的比例，或根據相關規范來確定。對于遭遇頻率，可根據船舶航行區域的海浪譜資料求出各遭遇頻率的出現概率，將該出現概率與各工況的時間分配系數相乘作為求解加權平均應力響應函數的權值。

3 殘余應力的控制措施

3.1 裝配過程控制

超差現象是裝配過程中經常遇到的問題，超差的部位如果不進行適當處理而直接施焊，構件受力分布會發生變化，承受負荷能力減弱，影響結構強度；在外力作用下，超差的接頭產生附加彎矩，嚴重時可導致焊縫根部斷裂。

措施：1）對接縫坡口盡量縮小坡口截面積，具體為控制根部間隙在允許范圍內，并考慮到收縮余量；2）對接接頭出現間隙超差時，若超差在規定的范圍內，可以先在坡口一側進行堆焊，當間隙合格后，再進行焊接；3）T型角接縫出現間隙超差時，可以先開坡口，在一側進行堆焊，當間隙合格后，再進行焊接，焊縫形式也將連續角焊縫改為深熔焊；當接頭間隙超差超過規定范圍之后，則需進行割換板處理。4）構件對接錯位或十字接頭錯開量超過板厚或型材厚度一半時，必須拆開重新裝配。

3.2 焊接工藝控制

焊接層數。焊接層數也影響焊后焊接應力與變形。多層焊時，第一層焊縫引起的收縮量最大；第二層焊縫的收縮量約為第一層的20%；第三層焊縫的收縮量約為第一層的5%～10%。由于第一層的熔敷金屬少，熱量分布均勻，同時焊接后一層焊縫時，前一層焊縫對后層焊縫的收縮有牽制作用，因此在焊接剛度大（或者厚板）的結構時，常采用多層焊或多層多道焊，以減少結構的應力與變形。

3.3 精度管理

船體結構在建造的整個施工過程中，經過鋼料加工、框架制作、分段裝配到船臺合攏等一系列工序，不可避免地發生尺寸偏差。而由于尺寸偏差的不可控因素及各種失誤，包括吊運損傷、操作失誤等，致使構件及分段的尺寸、形狀及安裝位置出現偏差。進行精度控制，目的就是保證各工序間尺寸精度。船體零件、部件、分段，預制使其達到規定的尺寸精度后再進行組裝，這一措施不僅能非常有效地控制結構的殘余應力，而且組件的尺寸精度保證了整體結構的尺寸精度。各道工序已經產生的殘余應力與變形，應及時消除，避免累計。

4 結束語

綜上所述，在船體結構應力監測點的選取的過程中，要采取更好的選取方案，本文總結了船體結構應力監測點的選取方法和選取的措施，明確了如何進行科學選取，可供參考。

參考文獻：

[1]曹雷，嚴俊，宗培，等.船體結構焊接殘余應力消除的若干方法[J].船舶，2018（4）：26-29.

[2]張彥華.焊接結構原理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2018.25

（作者單位：啟東中遠海運海洋工程有限公司）