CN106184608B - 船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶舱壁板骨材开孔及其配套补板的焊接结构，包括舱壁板与补板，舱壁板上开有骨材贯穿孔，骨材穿过骨材贯穿孔装配完成后将骨材贯穿孔和补板焊接，开孔结构包括第一圆弧，第一圆弧连接第一椭圆弧，椭圆弧连接第二圆弧，第二圆弧上端连接上半腰圆，该上半腰圆的下端连接与其相切的直线，补板形式具有第三圆弧，第三圆弧的下端连接第二椭圆弧，第二椭圆弧连接着第四圆弧，第四圆弧另一端与第五圆弧相连接，第五圆弧连接一直角，直角另一边与第六圆弧相连接，第六圆弧与补板上边相切。针对船用T型骨材，通过降低孔边应力集中系数，达到提高船舶疲劳年限的使用要求；降低应力集中系数，延长补板与开孔母材相连的疲劳年限；装配简单适用性广。

Description

船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体是一种船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构。

背景技术

船舶中为了保证纵向骨材的连续性，需要对横向构件进行开孔。开孔孔边存在着较为严重的应力集中现象，通过增设补板可以有效的降低开孔孔边应力。目前所使用的传统的骨材开孔加补板结构孔型主要以腰圆开孔，矩形补板为主。此类开孔加补板形式孔边应力高，容易产生疲劳破坏，使用年限低。目前随着船舶超大型化的发展趋势以及高强钢的广泛应用，疲劳问题越来越受到重视，现有孔型及补板结构已经不能满足未来船舶结构的发展需要。

而对于此类骨材贯穿孔，其主要受到连接纵骨与横框架间焊缝传递的力，以及由水压等外载荷所引起的肋板面内受力。通过合理的改变开孔的几何形状，即在应力集中区域采用流线型、适当增加过渡圆弧的曲率半径等办法优化开孔，可以达到降低孔边应力集中系数，提高疲劳强度的目的。

目前也有对此类骨材贯穿孔孔型进行优化设计的新孔型。但主要是针对钥匙型开孔，此类开孔通用性较差，工艺精度要求高，不具有普遍性，对于目前广泛采用的开孔加补板形式开孔并未给出合理的方案。同时各类新式开孔对骨材与肋板焊缝处的应力集中并未多考虑，而焊缝处相比母材更容易发生破坏。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种船舶舱壁板骨材开孔及其配套补板的焊接结构。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种船舶舱壁板骨材开孔及其配套补板的焊接结构，包括舱壁板开孔孔型与补板结构，舱壁板开孔包括第一圆弧，第一圆弧连接第一椭圆弧，第一椭圆弧连接第二圆弧，第二圆弧上端连接上半腰圆，该上半腰圆的下端连接与其相切的直线，补板具有第三圆弧，第三圆弧的下端连接第二椭圆弧，第二椭圆弧连接着第四圆弧，第四圆弧另一端与第五圆弧相连接，第五圆弧连接一直角，直角另一边与第六圆弧相连接，第六圆弧与补板上边直线相切。

其中，第一椭圆弧的圆心分别通过距离T型材腹板距离a以及距离T型材面板距离b确定，a＝0.4L、b＝0.3L，第一椭圆弧长边c以及短边d，分别为c＝0.9L、d＝0.6L。

其中，第一椭圆弧的长边与水平夹角为93°，以长轴为基准分别向两个方向，通过θ₂以及θ₃分别确定第一椭圆弧的两端，其中θ₁＝30°、θ₂＝63°、θ₃＝50°，θ₁为第一椭圆弧与第一圆弧相接端点与第一椭圆弧圆心的连线和水平线的夹角，θ₂为第一椭圆弧与第一圆弧相接的端点与第一椭圆弧圆心连线和第一椭圆弧长边的夹角，θ₃为第一椭圆弧另一端端点与其弧圆心连线和第一椭圆弧长边的夹角。

其中，第一圆弧圆心位于距T型材面板距离h₁＝0.5L且与T型材腹板右侧相交处，第一圆弧半径r₁长度为圆心到第一椭圆弧左侧末端距离。

其中，通过上半腰圆的直线段距T型材上表面的垂直距离h₂、上半腰圆的腰圆半径r_y以及上半腰圆的直线段的长度l₁确定上半腰圆位置，h₂＝0.35L，r_y＝0.3L，l₁＝1.1L+10mm，第二圆弧的半径r₂＝2L。

其中，补板宽度N＝L+50mm，高度M＝H+0.65L，补板内的第三圆弧的半径r₃以及第二椭圆弧的尺寸分别与第一圆弧r₁以及第一椭圆弧尺寸一致。

其中，第二椭圆弧圆心分别通过距离补板长边距离a以及补板上部距离h₄确定，其中，a＝0.4L、h₄＝0.95L，第二椭圆弧长边c以及短边d，分别为c＝0.9L、d＝0.6L，以长边为依据分别通过θ₄以及θ₅分别确定椭圆弧的两边，其中θ₄＝30°、θ₅＝63°、θ₆＝50°，θ₄为第二椭圆弧与第四圆弧相接的端点与第二椭圆弧圆心连线和水平之间的夹角，θ₅为第二椭圆弧与第四圆弧相接的端点与第二椭圆弧圆心连线和第二椭圆弧长边的夹角，θ₆为第二椭圆弧另一端端点与其圆心连线和第二椭圆弧长边的夹角。

其中，第三圆弧的圆心位于距补板上边距离h₃＝1.15L且与补板右侧边相交处，r3长度为圆心与第二椭圆弧左侧末端距离。

其中，补板的第五圆弧为1/4圆，其半径r₅＝0.35L，圆心距补板长边距离为l₃+l₂，距短边距离为r₅+h₅+r₆，其中与之相连的直角边l₂＝0.15L，h₅＝0.25L；l₃＝0.25L，r₆＝0.15L，第六圆弧也为1/4圆弧，分别与补板上边以及直角边相切，其中r₆＝0.15L。

其中，第四圆弧通过半径r₄以及椭圆弧以及第五圆弧两端确定，其中r₄＝1.35L。

有益效果：本发明的一种船舶舱壁板骨材开孔及其配套补板的焊接结构，针对船用T型骨材，通过降低孔边应力集中系数，达到提高船舶疲劳年限的使用要求；可以降低应力集中系数，延长补板与开孔母材相连的疲劳年限；相较于现有钥匙孔此类开孔，装配简单适用性广。

附图说明

图1是本发明新孔型及其补板装配完成示意图；

图2是本发明开孔孔型具体尺寸示意图；

图3为第一椭圆弧示意图；

图4是本发明补板具体尺寸示意图；

图5为第二椭圆弧示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的一种船舶舱壁板骨材开孔及其配套补板的焊接结构，包括船舶骨材贯穿孔孔型及其配套补板结构。如图2、图3所示，其中贯穿孔包括第一圆弧，第一圆弧连接第一椭圆弧，第一椭圆弧连接第二圆弧，第二圆弧上端连接上半腰圆，该上半腰圆的左下端连接直线。如图4、图5所示，补板上包括第三圆弧，第三圆弧的下端连接第二椭圆弧，第二椭圆弧连接着第四圆弧，第四圆弧另一端与第五圆弧相连接，第五圆弧连接一直角，直角另一边与第六圆弧相连接，第六圆弧与补板上边相切。

如图1、图2所示，当骨材为T型材时，对于此类开孔直线确定第一椭圆弧，第一椭圆弧圆心与T型材腹板及面板分别距离为a＝0.4L、b＝0.3L。第一椭圆弧椭圆长边及短边分别为c＝0.9、d＝0.6L。通过与水平线的夹角确定第一椭圆弧长边方向以及椭圆弧两边方向，其中长边与水平夹角为93°，椭圆弧两边分别由θ₂以及θ₃确定其中θ₂＝63°、θ₃＝50°，θ₁为第一椭圆弧与第一圆弧相接端点与第一椭圆弧圆心的连线和水平线的夹角，θ₂为第一椭圆弧与第一圆弧相接的端点与第一椭圆弧圆心连线和第一椭圆弧长边的夹角，θ₃为第一椭圆弧另一端端点与其弧圆心连线和第一椭圆弧长边的夹角。

第一圆弧通过第一圆弧圆心及第一椭圆弧左侧末端确定，圆心位于T型材面板距离h₁＝0.5L且与T型材腹板右侧相交处，第一圆弧半径r₁长度通过圆心与第一椭圆弧左侧圆弧末端距离确定。

再通过上半腰圆距T型材上表面距离h₂、腰圆半径r_y以及l₁确定上半腰圆位置，其中如图所示h₂＝0.35L，r_y＝0.3L，l₁＝1.1L+10mm。通过腰圆右侧末端、第一椭圆弧上部末端以及r₂确定第二圆弧，第二圆弧圆形位于腰圆右侧末端、第一椭圆弧上部末端连线的中垂线上，其中r₂＝2L。

如图1与图4所示，此类开孔补板主体为长为M宽为N的矩形补板，在其面内切割出一类似右侧开孔的半牙型，第三圆弧以及第二椭圆弧尺寸与第一圆弧及第一椭圆弧尺寸一致，只是关于T型材腹板对称。第二椭圆弧如图2所示通过与补板长边距离a，以及距补板上边距离h₄确定a＝0.4L、h₄＝0.95L，第二椭圆弧长边c短边d以及与水平夹角均与开孔孔型一致，分别为c＝0.9L、d＝0.6L，长轴与水平夹角为θ₁+θ₂，以长轴为依据分别通过θ₄以及θ₅分别确定第二椭圆弧的两边其中θ₄＝30°、θ₄＝63°、θ₆＝50°。其中，θ₄＝30°、θ₅＝63°、θ₆＝50°，θ₄为第二椭圆弧与第四圆弧相接的端点与第二椭圆弧圆心连线和水平之间的夹角，θ₅为第二椭圆弧与第四圆弧相接的端点与第二椭圆弧圆心连线和第二椭圆弧长边的夹角，θ₆为第二椭圆弧另一端端点与其圆心连线和第二椭圆弧长边的夹角。

r₃圆心位于如图4所示距补板上边距离h₃＝1.15L且与补板右侧边相交处，第三圆弧半径r₃长度通过圆心到第一椭圆弧左侧圆弧末端距离确定。

补板内第五圆弧r₅为1/4圆弧r₅＝0.35L圆心分别距补板长边距离为l₃+l₂距短边距离为r₅+h₅+r₆处，其中与之相连的直角边相切其中l₂＝0.15L，h₅＝0.25L；l₃＝0.25L，r₆＝0.15L。

补板对应第五圆弧r₅为1/4圆弧r₅＝0.35L圆心分别距补板长边距离为l₃+l₂距短边距离为r₅+h₅+r₆处，其中与之相连的直角边l₂＝0.15L，h₅＝0.25L；l₃＝0.25L，r₆＝0.15L。所述第六圆弧r₆也为1/4圆弧，分别与补板上边以及直角边相切，其中r₆＝0.15L。其中第四圆弧通过半径r₄以及第二椭圆弧以及第五圆弧两端确定，其中r₄＝1.35L。

下表1表2分别给出典型尺寸下扁钢和球扁钢的此类开孔尺寸(单位：毫米)：

表1 开孔尺寸

注：θ₁＝30°，θ₂＝63°，θ₃＝50°。实际工程应用中对于计算所得尺寸选取小数点前两位，根据实际情况可以有不同参数设计。

表2 补板尺寸

注：补板中θ₁＝30°，θ₂＝63°，θ₃＝50°。第二椭圆弧尺寸a、c、d与表1一致，实际工程应用中对于计算所得尺寸选取小数点前两位，根据实际情况可以有不同参数设计。

通过有限元软件，结合DNV规范中S-N曲线表达式(S-N曲线对应各值见表3)以及载荷计算加载方法。可以计算得出新式开孔相比较于原来孔型对应疲劳强度。

表3 DNV疲劳S-N曲线

通过与现有技术中各典型开孔经过计算对比可得如表4所示，本开孔最大应力集中处的疲劳年限相于传统孔型疲劳年限提高了五倍，其补板与母材连接处焊缝处疲劳年限提高了八十倍，本发明孔型比现有技术中的钥匙孔最低疲劳年限提高了三倍本，焊缝处疲劳年限比钥匙孔型焊缝处的最低疲劳年限提高了四倍，比现有苹果孔最低疲劳年限提高了20％，其中本发明孔型焊缝处疲劳年限比苹果孔型焊缝处的最低疲劳年限提高了一倍。通过与现有技术孔型对比可以发现新式开孔疲劳年限比现有孔型有明显的改善。对此，我们发现通过使用新孔型可以在保证经济性的前提下提高安全性。

表4 新式开孔与现有技术中应力大小及使用年限对比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，包括舱壁板开孔孔型与补板结构，其特征在于：舱壁板开孔包括第一圆弧，第一圆弧连接第一椭圆弧，第一椭圆弧连接第二圆弧，第二圆弧上端连接上半腰圆，该上半腰圆的上端连接与其相切的直线，补板具有第三圆弧，第三圆弧的下端连接第二椭圆弧，第二椭圆弧连接着第四圆弧，第四圆弧另一端与第五圆弧相连接，第五圆弧连接一直角，直角另一边与第六圆弧相连接，第六圆弧与补板上边直线相切；第一椭圆弧的圆心分别通过距离T型材腹板距离a以及距离T型材面板距离b确定，a＝0.4L、b＝0.3L，第一椭圆弧长边c以及短边d，分别为c＝0.9L、d＝0.6L；第一椭圆弧的长边与水平夹角为93°，以长轴为基准分别向两个方向，通过θ₂以及θ₃分别确定第一椭圆弧的两端，其中θ₁＝30°、θ₂＝63°、θ₃＝50°，θ₁为第一椭圆弧与第一圆弧相接端点与第一椭圆弧圆心的连线和水平线的夹角，θ₂为第一椭圆弧与第一圆弧相接的端点与第一椭圆弧圆心连线和第一椭圆弧长边的夹角，θ₃为第一椭圆弧另一端端点与其弧圆心连线和第一椭圆弧长边的夹角。

2.根据权利要求1所述的船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，其特征在于：其中，第一圆弧圆心位于距T型材面板距离h₁＝0.5L且与T型材腹板右侧相交处，第一圆弧半径r₁长度为圆心到第一椭圆弧左侧末端距离。

3.根据权利要求1所述的船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，其特征在于：其中，通过补板上边直线距T型材上表面的垂直距离h₂、腰圆半径r_y以及补板上边直线的长度l₁确定上半腰圆位置，h₂＝0.35L，r_y＝0.3L，l₁＝1.1L+10mm，第二圆弧的半径r₂＝2L。

4.根据权利要求1所述的船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，其特征在于：其中，补板宽度N＝L+50mm，高度M＝H+0.65L，补板内的第三圆弧的半径r₃以及第二椭圆弧的尺寸分别与第一圆弧r₁以及第一椭圆弧尺寸一致。

5.根据权利要求4所述的船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，其特征在于：其中，第三圆弧的圆心位于距补板上边直线距离h₃＝1.15L且与补板右侧边相交处，r3长度为圆心与第二椭圆弧左侧末端距离。

6.根据权利要求1所述的船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，其特征在于：其中，补板的第五圆弧为1/4圆，其半径r₅＝0.35L，圆心距补板右侧边距离为l₃+l₂，距补板上边距离为r₅+h₅+r₆，其中与第五圆弧上端相连的直角的横边长l₂＝0.15L，竖边长h₅＝0.25L；l₃＝0.25L，r₆＝0.15L，第六圆弧也为1/4圆弧，分别与补板上边以及与第五圆弧上端连接的直角边竖边相切，其中r₆＝0.15L。

7.根据权利要求4所述的船舶舱壁板的骨材贯穿孔孔型及其补板焊接结构，其特征在于：其中，第四圆弧通过半径r₄以及椭圆弧以及第五圆弧两端确定，其中r₄＝1.35L。