CN112606943B - 江海直达船的舱口角隅结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种江海直达船的舱口角隅结构，包括角隅基体以及设置在所述角隅基体上的裂纹萌生抑制区、复合区、阻裂槽以及表面延展区；其中，角隅基体上具有一弧形侧面，在弧形侧面上具有一扇形分块；裂纹萌生抑制区一体成型在角隅基体的扇形分块中；复合区包括设置在裂纹萌生抑制区靠近底部处的多个第一沟槽；阻裂槽区包括沿裂纹萌生抑制区的弧长方向设置的弧形阻裂槽，阻裂槽区与裂纹萌生抑制区连接；以及表面延展区包括设置在角隅基体上的多个第二沟槽，表面延展区与阻裂槽区远离裂纹萌生抑制区的一侧连接。本发明能有效提高江海直达船舱口角隅的疲劳性能，延长其疲劳寿命，提升江海直达船的疲劳可靠性。

Description

江海直达船的舱口角隅结构
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程的技术领域，具体涉及一种江海直达船的舱口角隅结构。
背景技术
由于船舶在航行过程中长期受到复杂而频繁的外载荷影响，船体舱口角隅结构也随之受到影响，并始终处于高低应力交变状态，导致其极易产生裂纹，出现结构破坏现象。
江海直达船在整个服役过程中，长期受到来自江段与海段等交变载荷的影响，使得角隅结构始终处于高低应力交变状态，导致船体角隅结构极易产生裂纹，出现结构破坏的现象。随着疲劳损伤的累积加剧，将会严重影响船体结构的使用寿命，因此开展改善和提高船体角隅结构疲劳寿命的技术和方法研究显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种江海直达船的舱口角隅结构，该角隅结构能改善和提高船体角隅结构的抗疲劳性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种江海直达船的舱口角隅结构，包括角隅基体以及设置在所述角隅基体上的裂纹萌生抑制区、复合区、阻裂槽以及表面延展区；其中，
角隅基体，其用于为裂纹萌生抑制区、复合区、阻裂槽区以及表面延展区提供支撑，所述角隅基体上具有一弧形侧面，与所述弧形侧面上具有一扇形分块；
裂纹萌生抑制区，其用于抑制角隅自由边裂纹的萌生，所述裂纹萌生抑制区一体成型在角隅基体的扇形分块中；
复合区，其用于减缓裂纹的扩展速度，所述复合区包括设置在所述裂纹萌生抑制区靠近底部处的多个第一沟槽；
阻裂槽区，其用于缓解裂纹尖端的应力集中程度，所述阻裂槽区包括沿所述裂纹萌生抑制区的弧长方向设置的弧形阻裂槽，所述阻裂槽区与所述裂纹萌生抑制区连接；以及
表面延展区，其用于增加角隅基体表面的延展性，所述表面延展区包括设置在角隅基体上的多个第二沟槽，所述表面延展区与所述阻裂槽区远离所述裂纹萌生抑制区的一侧连接。
进一步地，在所述裂纹萌生抑制区一体成型在所述扇形分块中后，采用喷丸强化工艺对所述裂纹萌生抑制区进行处理。
进一步地，喷丸工艺选用的参数为：气压2-4bar，进流量18-35kg/min，覆盖率100％，弹丸采用铸钢弹丸，铸钢弹丸直径为0.5-1mm。
进一步地，所述角隅基体包括依次垂直连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面以及第四侧面，其中第一侧面和第四侧面通过所述弧形侧面连接，第一侧面的长度为W1，第四侧面的长度为W2，裂纹萌生抑制区的外径R2大于0.25(W1+W2)且不小于0.5(W1+W2)。
进一步地，所述复合区的内弧半径为R1、所述表面延展区的外弧半径为R3，其中，R1长度为0.5(r+R2)，R3长度为(2R2-R1)，式中，r为裂纹萌生抑制区的内径。
进一步地，所述裂纹萌生抑制区的弧长小于所述弧形侧面的弧长。
进一步地，所述裂纹萌生抑制区的弧度为80-100°，所述复合区和所述表面延展区的弧度均为25-35°，且两者均位于其所在扇形区域的弧周的中间部分处。
进一步地，阻裂槽的槽深h不大于0.2b，其中，b为角隅基体的厚度。
进一步地，第一沟槽和第二沟槽的深度均不大于0.01b，第一沟槽和第二沟槽的宽度均不大于0.2mm，两两第一沟槽之间的间距、两两第二沟槽之间的间距不小于0.1mm，其中，b为角隅基体的厚度。
进一步地，所述第一沟槽、所述第二沟槽以及阻裂槽的槽口均位于同一平面上，且所述第一沟槽、所述第二沟槽以及阻裂槽的深度方向均与弧形侧面的径向垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明上设置有经过喷丸强化处理成型得裂纹萌生抑制区，该裂纹萌生抑制区与舱口角隅自由边连接以使得舱口角隅自由边的表面产生塑性层从而强化了其表面得硬度，并且该裂纹萌生抑制区引入了残余压应力场，能有效延缓裂纹在角隅自由边的萌生与扩展；复合区是在喷丸强化处理成型得裂纹萌生抑制区上铣削加工的扇形沟槽，在该复合区有残余压应力场的作用，表面的扇形沟槽带能提升表面的延展性、降低表面的应力集中程度以及阻碍裂纹扩展；阻裂槽区是当裂纹不可避免地扩展至阻裂槽区时，裂纹尖端的应力集中会被阻裂槽区缓解，并诱导裂纹沿阻裂槽区边界扩展，改变裂纹的扩展路径，从而减缓裂纹的扩展速率；表面延展区是在角隅基体表面铣削出的扇形沟槽带，以增加角隅结构表面的延展性，降低表面的应力集中程度，从而减缓裂纹的扩展，同时诱导裂纹沿沟槽扩展，改变裂纹在表面的扩展路径，减缓裂纹的扩展；本发明能有效提高角隅结构的可靠性，且能改善船体角隅结构的抗疲劳性能。
附图说明
图1为本发明实施例江海直达船的角隅结构的结构示意图；
图2为本发明实施例角隅结构的局部放大示意图；
图3为本发明实施例复合区铣削的第一沟槽/表面延展区铣削的第二沟槽的结构示意图，其中，a为沟槽之间的间距，d为沟槽深度，c为宽度；
图4为本发明实施例的阻裂槽的结构示意图。
其中，1、裂纹萌生抑制区，2、复合区，3、表面延展区，4、阻裂槽区，5、角隅基体，20、第一沟槽，30、第二沟槽，40、阻裂槽，50、第一侧面，51、第二侧面，52、第三侧面，53、第四侧面，54弧形侧面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明提供一种江海直达船的舱口角隅结构，包括角隅基体5、依次设置在角隅基体5上的裂纹萌生抑制区1、复合区2、阻裂槽区4以及表面延展区3。角隅基体5采用钢材料制成，角隅基体为块状结构，其包括依次垂直连接的第一侧面50、第二侧面51、第三侧面52、第四侧面53以及连接第一侧面50和第四侧面53的弧形侧面54。在使用时，可以将角隅基体5的第二侧面51和第三侧面52固定在舱口上。为了提高角隅结构的抗疲劳性能，在角隅基体5的弧形侧面54上具有一扇形分块，在扇形分块中一体成型出与其形状大小吻合的裂纹萌生抑制区1，再对裂纹萌生抑制区1进行喷丸工艺处理，其中，裂纹萌生抑制区1的弧长小于弧形侧面的弧长。其中，喷丸工艺选用的参数为：气压2-4bar，进流量18-35kg/min，覆盖率100％，弹丸采用铸钢弹丸，铸钢弹丸直径为0.5-1mm。在本实施例中，喷丸工艺选用的参数为气压3bar、进流量25kg/min、覆盖率100％，弹丸采用S280铸钢弹丸，其平均直径为0.8mm。在本实施例中，裂纹萌生抑制区1的弧度为90°，当然在别的实施例中可以根据实际情况在80-100°之间进行选择。之后在裂纹萌生抑制区1的一侧面上铣削加工复合区2，具体地，见图3，在裂纹萌生抑制区1的侧面铣削加工出多个第一沟槽20，该多个第一沟槽20形成复合区2，复合区2设置在裂纹萌生抑制区1的底部且其位于裂纹萌生抑制区1弧周的中间位置处。如图4所示，加工完复合区2后，在角隅基体5靠近裂纹萌生抑制区处铣削成型出阻裂槽区4，该阻裂槽区4包括沿扇形分块的弧长方向设置的阻裂槽40，其中，阻裂槽40的槽口与第一沟槽20的槽口在同一个侧面上。该阻裂槽40的深度h与角隅基体5的厚度b有关，但不应大于0.2b，且阻裂槽40的深度方向和第一沟槽20的深度方向，均与弧形侧面的径向垂直。
而为了进一步减缓裂纹的扩展，在角隅基体5上与弧形侧面垂直的侧面上铣削加工出表面延展区3，表面延展区3也位于其所在扇形区的弧周的中间位置上。具体而言，见图3，在角隅基体5的该侧面上铣削加工出多个第二沟槽30，第二沟槽30与第一沟槽20的形状尺寸相同，具体地，该第一沟槽20和第二沟槽30的尺寸均符合如下条件：第一沟槽20和第二沟槽30的深度d应不大于0.01b，其中，b为角隅基体的厚度，第一沟槽20和第二沟槽30的宽度c应不大于0.2mm，两两第一沟槽20之间的间距、两两第二沟槽30之间的间距a应不小于0.1mm。为了防止角隅基体5上的粗糙度过大，该表面延展区3的弧度为25-35°，在本实施例中，其弧度为30°，与之对应地，复合区的弧度也控制在25-35°，在此处可选择30°。此外，要注意在进行沟槽的加工时，需要注意分别距离阻裂槽区的内外弧2mm内不进行铣削加工。至此，角隅结构加工完成。加工完成后的角隅结构中裂纹萌生抑制区1、阻裂槽区4以及表面延展区3依次连接。
加工完成后的角隅结构中，角隅基体5中的第一侧面50的长度为W1，角隅基体5中的第四侧面53的长度为W2，裂纹萌生抑制区1的外径R2大于0.25(W1+W2)且不小于0.5(W1+W2)。此外，复合区2的内弧半径为R1、表面延展区3的外弧半径为R3，其中，R1长度为0.5(r+R2)，R3长度为(2R2-R1)，式中，r是裂纹萌生抑制区1的内径。阻裂槽区4的中心半径为R4，R4比R2长至少t+1mm，其中，t为阻裂槽区4的宽度。
本发明的工作原理如下：喷丸工艺处理成型的裂纹萌生抑制区1具有较大的残余压应力场，在承受江、海段大小载荷交替作用下，能有效抑制江海直达船舱口角隅自由边萌生裂纹。当裂纹不可避免地萌生后，残余压应力场仍能抑制裂纹扩展的速率。裂纹扩展至复合区2后，受到残余压应力与复合区2的沟槽带的共同作用，残余压应力场能抑制裂纹扩展的速率，复合区2的表面沟槽带增加了角隅结构的表面延展性，由于表面延展性的提高，局部的应力集中程度将下降，并且裂纹的局部扩展路径将被诱导至沿着沟槽扩展，阻碍裂纹在角隅结构表面沿原路径扩展，以此减缓裂纹的扩展速率。当裂纹扩展至阻裂槽区4，裂纹尖端的应力集中将被阻裂槽区4的几何过渡形状部分释放，减缓了裂纹的扩展。裂纹的扩展路径受到阻碍，其扩展路径被诱导沿着阻裂槽区4底部内弧扩展一定长度，随后再穿过阻裂槽区4底部到达外弧并沿外弧扩展一定长度后，裂纹穿过阻裂槽区4，这较大地改变了裂纹的原有扩展路径，裂纹的扩展速率被大幅减缓。表面延展区3与上述复合区2中沟槽带的作用相同。综上，本发明的江海直达船的舱口角隅结构能有效提高江海直达船舱口角隅的疲劳性能，延长其疲劳寿命，提升江海直达船的疲劳可靠性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，包括角隅基体以及设置在所述角隅基体上的裂纹萌生抑制区、复合区、阻裂槽以及表面延展区；其中，
角隅基体，其用于为裂纹萌生抑制区、复合区、阻裂槽区以及表面延展区提供支撑，所述角隅基体上具有一弧形侧面，在所述弧形侧面上具有一扇形分块；
裂纹萌生抑制区，其用于抑制角隅自由边裂纹的萌生，所述裂纹萌生抑制区一体成型在角隅基体的扇形分块中；
复合区，其用于减缓裂纹的扩展速度，所述复合区包括设置在所述裂纹萌生抑制区靠近底部处的多个第一沟槽；
阻裂槽区，其用于缓解裂纹尖端的应力集中程度，所述阻裂槽区包括沿所述裂纹萌生抑制区的弧长方向设置的弧形阻裂槽，所述阻裂槽区与所述裂纹萌生抑制区连接；以及
表面延展区，其用于增加角隅基体表面的延展性，所述表面延展区包括设置在角隅基体上的多个第二沟槽，所述表面延展区与所述阻裂槽区远离所述裂纹萌生抑制区的一侧连接；
其中，在所述裂纹萌生抑制区一体成型在所述扇形分块中后，采用喷丸强化工艺对所述裂纹萌生抑制区进行处理，喷丸工艺选用的参数为：气压2-4bar，进流量18-35kg/min，覆盖率100%，弹丸采用铸钢弹丸，铸钢弹丸直径为0.5-1mm。
2.根据权利要求1所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，所述角隅基体包括依次垂直连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面以及第四侧面，其中第一侧面和第四侧面通过所述弧形侧面连接，第一侧面的长度为W1，第四侧面的长度为W2，裂纹萌生抑制区的外径R2大于0.25(W1+W2)且不小于0.5(W1+W2)。
3.根据权利要求2所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，复合区的内弧半径为R1、表面延展区的外弧半径为R3，其中，R1长度为0.5(r+R2)，R3长度为(2R2-R1)，式中，r为裂纹萌生抑制区的内径。
4.根据权利要求1所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，所述裂纹萌生抑制区的弧长小于所述弧形侧面的弧长。
5.根据权利要求1所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，所述裂纹萌生抑制区的弧度为80-100°，复合区和表面延展区的弧度均为25-35°，且两者均位于其所在扇形区域的弧周的中间位置处。
6.根据权利要求1所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，阻裂槽的槽深h不大于0.2b，其中，b为角隅基体的厚度。
7.根据权利要求1所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，第一沟槽和第二沟槽的深度均不大于0.01b，第一沟槽和第二沟槽的宽度均不大于0.2mm，两两第一沟槽之间的间距、两两第二沟槽之间的间距不小于0.1mm，其中，b为角隅基体的厚度。
8.根据权利要求1所述的江海直达船的舱口角隅结构，其特征在于，所述第一沟槽、所述第二沟槽以及所述阻裂槽的槽口均位于同一平面上，且所述第一沟槽、所述第二沟槽以及所述阻裂槽的深度方向均与弧形侧面的径向垂直。
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