T型材规格优化设计_彭震.pdf
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1、-9-wCeHR2/mmNoutfbfCwfhb2.0作者简介:彭震(1983-),男,高级工程师,船舶设计设计。王亮(1984-),男,高级工程师,船舶结构设计。杨荣森(1996-),男,助理工程师,船舶结构设计。T T 型材规格优化设计型材规格优化设计彭震王亮杨荣森(广船国际技术中心、海洋科技研究院)摘要:运用轻量化、标准化思想,结合规范要求、企业工艺水平和生产习惯,对大型船舶所使用的 T 型材规格进行优化,简要介绍了优化原理及方法。关键词:T 型材;优化;轻量化;标准化DOI:10.3969/j.issn.2095-4506.2023.01.0030前言T 型材在规格尺寸上具有较强灵活性
2、,又具有很好的力学性能,因此作为骨材在大型船舶上广泛应用。设计人员一般根据结构强度、刚度的要求以及生产应用的经验来选取具体规格。由于设计人员水平、经验的不同易导致规格种类多样化,并且可能出现不理想的规格导致结构重量增加,或增加建造工作难度和工作量导致生产效率低下等情况。因此有必要结合实际应用需求进行系统优化来达到降本增效的目的。1现状分析在公司建造过的各类船舶产品中,T 型材的规格种类方面几乎毫无标准可言,种类各式各样。某船在同一分段既有腹板/面板规格为 400*10/150*22的 T 型材,又有 430*10/150*16 的规格,腹板与面板的选取明显没有规律性,显然不符合轻量化和标准化思
3、想,存在较大优化空间。以油船为例,一艘主要骨材使用 T 型材的船舶,其 T 型材的重量可占结构总重量的 20%左右。如能进行适当的优化,其优化成果将非常可观。2规范要求规范对 T 型材规格尺寸的要求主要体现在长细比、最小板厚、屈服强度以及疲劳强度这 4 个方面。由于大部分船舶需满足结构共同规范(CSR),优化工作按 CSR 要求进行,下面按照 CSR 的具体要求分别阐述。2.1长细比T 型材净尺寸示意图如图 1 所示。T 型材腹板净厚度要求如下:235eHwwwRCht 取 75,为材料的最小屈服应力,。T 型材面板板净厚度要求如下:235eHfoutffRCbt取 12,为腹板厚度中线至翼板
4、边缘的最大距离。面板宽度与腹板高度的比值要求:。图 1T 型材净尺寸示意图2.2最小板厚骨材的腹板和面板的最小净厚度要求如表 1 所示。2.3屈服强度在外部载荷作用下,骨材上会产生剪力和弯矩,为保证骨材结构不发生破坏,结构应有足够的有效剪切面积来抵抗剪力,有足够的模数来抵抗弯矩。有效剪切面积的计算方法为有效剪切高度乘以腹板净厚度,有效剪切高度为骨材连同带板一起扣除腐蚀增量部分后的总高度,模数为骨材连同有效带板一起扣除腐蚀增量的净模数。2.4疲劳强度通常骨材端部连接疲劳强度采用简化应力评估方法,T 型材由于具有对称面板,其面板应力集中因子较小,抗疲劳性能较好。由于板厚会通过几何形状和厚度方向的应
5、力分布影响焊接接头的疲劳强度,规范对于 tnet50大于 22GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-10-毫米的钢板要进行修正,修正后的计算结构疲劳寿命有所降低。骨材通常为面板应力最高,且面板与主要支撑构件或壁板上的扶强材、肘板等结构相连,存在形状突变点,疲劳风险较大,所以骨材的面板厚度要考虑相关影响。3生产应用方面的影响因素从设计人员确定 T 型材的规格,到 T 型材建造、组装,最后作为船舶的一部分随船交付使用过程中,涉及一系列的过程和状态,都会对 T 型材的优化方向产生需求。下面对一些主要因素分别进行说明。T 型材总的种类
6、数量一般不宜过多。种类过多时,零件一致性变差;T 型材加工、堆放、运输等工作量增加,安装出错率相对提高。从数学理论上讲,优化后的某一系列 T 型材,在一定范围内,模数从小到大规格越多,相近规格间模数差越小,根据强度需要选用规格时,越能选到最接近要求的,出现的强度富余和材料浪费就会越小。但 CSR 中有骨材组的概念,可将位于主要支撑构件之间的一块加筋板上相同尺度顺序排列的骨材作为一组来决定骨材的尺度。因此最终优化后的 T 型材相近规格的模数差距百分比不必太小,一般以 5%-10%左右为宜。从装配角度来讲,在误差角度相同的情况下,T型材制作时,T 型材腹板越高,面板宽度越大,那么腹板远离面板的边缘
7、及面板边缘处的绝对偏差就越大。T 型材安装到壁板上时,同样由于角度误差的存在,越是远离壁板,其偏差就越大。T 型材穿过贯穿孔、与主要支撑构件上结构的连接以及补板安装的精度就越难以保证,当精度不满足要求时,就会导致修改和返工,特别是拉入法安装工艺,从而导致效率低下及成本升高,因此必须考虑精度对T 型材规格尺寸的限制。从原材料采购、管理方面来讲,同一批次的材料规格种类越少、单一种类量越大,材料的管理、运输就越方便,价格往往也更有优势。另一方面,不同板厚、规格的钢板的采购价格存在差异,过薄或过厚的钢板较常规厚度都会存在加价情况。同一批次需求的 T 型材,如果腹板、面板的板厚及材质种类很多,在下料时使
8、用的钢板种类必然很多。钢板通常为较大规格采购回来,在总量不变的情况下,使用到越多的钢板来下料,必然存在钢板单次利用率不足的情况,导致余料增多,即使余料会再次利用也会导致生产效率下降,总钢材利用率下降。所以按照企业产品特点和生产习惯,T 型材的腹板、面板的板厚和材质应进行必要的精简。在结构设计时,一根 T 型材从起点延伸到终点,各位置处的载荷可能不相同,因而需要在适当的位置增大或减少规格。不同规格间的 T 型材对接时,要考虑板宽与板厚的影响。按照习惯,当腹板存在高度差时,腹板过渡采用 1:4 的斜率,面板相应弯折,为了便于面板弯折,腹板高度差不宜小于 20 毫米。由于对接可能出现在两个邻近规格之
9、间,所以邻近规格间的高度差应大于等于 20 毫米。当面板宽度存在差别时,需将宽面板逐步削窄至窄面板宽度再进行对接。为减少削窄工作量,宽度变化步长宜用较小值。当腹板或面板存在厚度差且厚度差超过3 毫米时需要将厚板按过渡要求削薄。因此 T 型材腹板、面板的板厚变化步长不宜超过 3 毫米。在分段大接缝处或规格变化处,T 型材需要对接。相同横截面积的面板,薄而宽的类型在大接缝处对接时的焊接填充量小于厚而窄的类型,腹板同理。由于 T 型材对接往往采用单面开坡口的焊接方式,板厚越厚,焊接热输入量相对越大,结构变形量也越大,由此产生的焊接应力也越大,不利于精度控制和结构安全性。使用插入法时,T 型材腹板越高
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