CN1262413C - 复合结构的层板 - Google Patents

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Abstract

一种复合结构的层板，它包括两外部金属层如钢层，和中间的合成橡胶芯层，如非泡沫聚氨酯层。此合成橡胶具有大于约250MPa的弹性模量和至少20MPa的伸展和压缩强度。金属和合成橡胶之间的粘合强度至少为3MPa。该复合结构的层板构件作为单独构件在载荷下产生球面的而非不对称的弯曲。

Description

复合结构的层板
技术领域
本发明涉及具有中间层结构的构件，特别是能够用于承载载荷，例如能够代替坚硬的钢板的构件。
背景技术
已知在船壳板或桥面的应用中，是通过提供可伸展的支肋—包括进一步垂直焊接到主板上的钢桁架—而提高钢板的硬度。支肋是依靠板所承载的力，在一个方向或两个垂直的方向上发挥作用的。支肋的使用使制造过程复杂化，重量显著增加，且使整个结构的防侵蚀和维修保养更加困难。
在造船与轮机工程师协会的会刊V93 1985 pp 55-77上发表的“运油船上新型单向-桁架-系统产品的强度评估的可信性分析”一文中，描述了一种仅在一个方向上装置支肋，从而减少船壳板支肋装置的缺陷的尝试。在一定程度上有助于船的制造及维修保养，但不能解决支肋装置上的其他缺陷。
提高隔音或隔热性能的金属-塑料层板，已经被用于包覆或包盖建筑物，见US4,698,278。这种层板一般使用泡沫或纤维材料，且不是用来，或不能够承载巨大的载荷，即显著大于自身重量及由局部风或雪的作用所产生的小载荷。
US4,851,271公开了使用金属-塑料层板为平底油锅加衬，以提供声音隔绝性能。在这种容器的应用中，层板作为一个整体不能承载显著大于自身重量和容器内容物重量的载荷。且衬层板不能对层板的结构强度作出显著的贡献。
US5,219,629公开了具有各种芯材的铝制中间层板在卡车拖车主体构造上的使用。然而，铝制层板太薄且芯材不足够坚固以致不能够在较大的结构中承载巨大的载荷。
Josef Linder在加拿大渥太华Carleton大学一位工程硕士部分实践的基础上提出的论点“先进的双壳中间层板系统的性能：实验性研究”中，考虑了船构造中钢-聚氨酯泡沫-钢中间层板的使用，但认为其不具有足够的弯曲和结合强度，及充分的能量吸收性能。
发明内容
本发明提供的一种层板结构的构件包括：
具有第一内表面和第一外表面的第一金属层；
具有第二内表面和第二外表面的第二金属层，该第二金属层与所述第一金属层相间隔；和
包含有合成橡胶的中间层设置在两层之间，并与上述第一和第二内表面相粘合，所述合成橡胶的弹性模量E，大于或等于约250MPa且其伸展性超过金属层。
本发明还提供一种制造层板结构构件的方法，该方法包括这些步骤：提供相互间隔开的第一和第二金属层从而在其间形成一中心腔体；将未固化的合成橡胶填充到所述中心腔体中，该合成橡胶固化后的弹性模量E大于或等于约250MPa且其伸展性超过该金属层的伸展性；并且，固化该合成橡胶将使其粘合到该金属层；所述层板结构件是由所述第一和第二金属层和已固化的合成橡胶构成的。
本发明的基本要求在于，在承载载荷时层板作为单一的构件要比三个单独的部件强，且其中间层的机械性能及它与外层的结合必须通过效果进行选择。中间层因此必须具有足够的弹性模量和伸展性，以能够在用于两金属层之间时转移遇到的或使用时预期会遇到的横向的力。足够的结合强度对于转移削减力也是需要的。
在应用中，如船上，抗冲击能力是很重要的，中间层还必须具有足够的屈服强度，以使其在预期的冲击载荷下不致断裂。在极度载荷下，该构件通过消散应力，提高刺穿阻力及其作为一个整体构件的非弹性层的作用，将比单独的金属薄板构件吸收更多的能量。
优选地，应对两金属层和中间层间的相对强度和比例，特别是中间层刚度进行选择，以保证当被施予极度的上拱和下陷的载荷时，能弯曲成球面(作为一个整体)而非反对称弯曲或局部弯曲。
同样优选地，中间层应有足够的伸展性和弹性模量以分散金属层裂缝尖端所集中的重压，并将其转移到别处，以防止裂缝在两层之间蔓延。裂缝在层板上开始蔓延时，中间层应对其有一延缓的作用。
金属层优选是由钢制成的，每一层的厚度在3.5-25mm之间。最小厚度是指能够被有效地焊接边界—这是强度所必需的—的最薄的板。在最上限值时本发明的优势减少。并不要求两金属层具有相等的厚度。特别是当使用中能提供一种超过边界的板时，会面临一种侵蚀环境。
在使用中预期的负荷下，优选使用性能类同于合成橡胶的塑料材料，且厚度在20至100mm之间。中间层的厚度可随构件的不同应用而变化。材料优选是紧密的，即非泡沫的，虽然可能是有意的，也可能是所使用的制造方法产生了副作用而存在一些无效空间，只要复合板所期望的性能没有降低即可。中间层可接受的最大无效空间在10-20％之间。
本发明也提供一种将一种层板结构构件连接到其它构件的方法，该层板结构构件包括第一和第二金属层及由第一合成橡胶材料制成的中间层，该方法包括这些步骤：提供邻接一部分该层板结构构件的焊接边借此该中间层被置于该第一和第二层凹处；将该部分焊接到该其它构件；将未固化的合成橡胶填充到该焊接边界，该合成橡胶固化后的弹性模量E大于或等于约250MPa且其伸展性超过该金属层的伸展性；并且，固化该未固化的第二合成橡胶从而将使其粘接到该第一和第二金属层及该层上。
本发明还提供如上述层板结构的构件，其中至少所述的第一和第二金属层至少有一层是由钢构成的。
本发明还提供如上述将一种层板结构构件连接到其它构件的方法，其中所述的填充步骤包括提供至少一种穿过所述第一和第二金属层及中间层，到达所述焊接边的填充孔洞，且所述未固化的第二合成橡胶穿过这个或每一个填充孔洞至所述焊接边，且上述方法还包括在所述的固化步骤之后密封这个或每一个填充孔洞。
本发明在复杂结构，如在船上使用时，通过减少所需的一些或所有支肋，而使其复杂性，重量和成本减少了，减少或增加了纵向和横向桁架间的间隔，减少了需要涂层的表面积和对侵蚀敏感的部位。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明，其中：
图1是本发明的层板构件的横截面图；
图2是本发明的包含有隔板的层板构件的局部剖面透视图；
图3是使用本发明的层板构件构筑的双外壳船的局部截面图；
图4是本发明的层板构件在水平载荷时的轴向压缩坐标图；
图5是根据本发明所制成的试验样品板的透视图；
图6是说明试验样品在横向载荷时的性能坐标图；和
图7是使用本发明的层板构件构筑的货柜船的装货口盖透视图。
具体实施方式
在附图中，相同的部分用相同的数字标识。
图1是本发明的层板构件10的横截面图。层板构件10包括第一外层1，中间层或芯层2和第二外层3。中间层2以足够的强度分别与第1和第2外层1，3结合，而转移外层之间的剪切载荷，以构成一能够承载显著大于其自身重量的载荷的复合结构构件。
层板构件所能承载的准确载荷要取决于其具体被置于何处应用而定。例如，如果层板构件被用于载重40,000DWT的油船的壳板上时，它应该能够在2m宽没有弯曲的条件下，至少承载10-12,000kN的水平载荷，或至少100kPa，优选1,000kPa或更大的横向载荷，而不会断裂。对于较小的船只，特别是游艇，层板构件则不需要如此坚固。
图4表示本发明的2,000mm宽的层状复合壳板的典型的轴向压缩载荷曲线。它表明，基本上直到装载到12,075kN的载荷时，均为线性压缩。
标号为1、3的第1层和第2层是由金属制成的，中间层2是由合成橡胶材料制成的。构件的绝对和相对尺寸及所用的精确材料取决于该构件被置于何处应用。第一和第二外层的最小厚度为3mm，中间层的最小厚度为20mm。在所预期的最高环境温度下使用时，中间层的弹性模量E也必须至少为250MPa，优选275MPa。在船只的建造应用中温度可以为100℃。合成橡胶也不应该太坚硬，因此船只建造的应用中，在所预期的最低温度为-40或-45℃时，E应小于2,500MPa。
撕裂、压缩和伸展的强度及伸张度，应大到能够使复合层板在异常载荷的条件，如冲击下吸收能量。特别是，合成橡胶的压缩和伸展强度应至少为20，优选40MPa。当然压缩强度能够显著大于这些最小值。
金属层优选是钢结构的，尽管在一些特殊的应用中，轻质、抗侵蚀或其它特定性能很重要时，也可以是铝不锈钢或其它结构的合金。该金属应优选具有240MPa的最小弯曲强度和至少20％的伸张度。在很多应用，特别是船的应用中，金属可以焊接是至关重要的。
在最低的操作温度下，合成橡胶的伸展性必须比金属层的伸展性大，约为20％。合成橡胶的伸展性在最低操作温度下的优选值为50％。合成橡胶的导热系数还必须充分接近于钢的导热系数，以便在温度的变化跨越所预期的操作范围和在焊接时不会引起分层。两种材料导热系数的范围不同，部分取决于合成橡胶的弹性，但合成橡胶的热膨胀系数可以大约是金属层的10倍。可以通过合成橡胶的附加填充物来控制热膨胀系数。
在整个操作范围中，合成橡胶和金属层之间的结合强度必须至少为3，优选是6Mpa。这优选通过合成橡胶到钢之间的内在粘合性来达到，但可以提供另外的粘合剂。
构件被用于船只的附加的必要条件包括，跨越接合面的伸展强度必须能够充分承载所预期的负性流体静压及与钢连接处的分层压力。合成橡胶对于海水和淡水都必须是水解稳定的，且如果构件被用于油船，还必须对油具有化学抵抗能力。
合成橡胶基本包括多元醇(如聚酯型多元醇或聚醚)及异氰酸盐或二异氰酸盐、增链剂和填充剂。必须提供填充剂以减小中间层的导热系数，减少成本，另外控制合成橡胶的物理性能。也可以包括其他添加剂，例如控制疏水性或粘合的物质及防火剂。
外层的总厚度和合成橡胶厚度的比例(T1+T3)/T2的范围为0.1-2.5。
在制造层板之前或之后，可以将装饰或防侵蚀用的涂料，涂在金属层的外表面。
本发明的构件显著地比没有中间层的同等厚度的金属板更加坚实牢固。这是因为构件以类似的方式作用于箱形桁架或I形梁上时，中间层起连接板的功能。为了发挥这样的作用，中间层自身和其与外层的结合必须足够坚固，以转移使用层板时将会出现的压力。
本发明的又一优点，即在船只上的特殊优势，是中间层可防止在内层和外层之间裂缝的蔓延。中间层的弹性可防止压力在外层裂缝尖端处集中，并将压力转移到坚固的连接处等其他地方，而使载荷分散。
图3表示利用本发明层板结构的构件所设计的油船30的壳板的部分截面图。油船的外壳板32和内壳板31是由本发明层板结构的构件构筑的，该构件具有10mm的钢质外层和一50mm的聚氨酯合成橡胶芯层。这两个壳板是通过简单的纵向钢板桁架33，横向连接板35，和位于舷缘和底舱区域的附加纵向钢板38，在双面的横向隔壁36上连接的。满足了两壳板对纵向和横向加固板的需求。
双壁的横向隔壁36，舱面和纵向舱面桁架37也是由本发明层板结构的构件所构筑的。这便消除另外的加固件。纵向舱面桁架37也可以由横向桁架所取代。
本发明层板构件的优选制作方法是在两金属层形成的腔中直接浇注或注入合成橡胶。如果是水平地操作，金属板优选用隔板隔开，这种隔板可以是金属的或合成橡胶的。如果隔板是合成橡胶的，那么它们必须与形成中间层的材料相容，且略高于所预期的间隔，以便在上部板的重量之下，它们能够压缩至恰当的距离。可以将隔板延展以把两金属层形成的腔分成多个空间，分别将其填充，或在合成橡胶流过这些腔时简单地塞住。如果将隔板延展，隔板在横截面上可以是长方形的或是不等边四边形的，且沿着其长度方向可以有高度的变化，以提供合成橡胶的厚度可以变化的构件。必须用粘合剂或合成橡胶-相容的化合物将该隔板与钢板以足够的强度相连接，以使板在注入过程中，直到合成橡胶被充分固化，仍然保持在原处。
图2用于说明3种不同类型的可以用于构筑本发明的层板构件的隔板。使用一种圆柱形的合成橡胶塞4A支撑上层板，而不将欲填充的腔分隔。如果需要将腔划界或分隔，则可以使用可延展的金属隔板4B或可延展的合成橡胶隔板4C。金属隔板4B可以用角焊焊接到下层板上，支撑上层板两部分间的焊接接口，或作为焊接的支撑杆。合成橡胶塞4A和可伸展的合成橡胶隔板4C可以在浇注前被粘附于金属板上，它们可以由基本上与被注入的合成橡胶相同的，或与被注入的合成橡胶相容但不同的合成橡胶制成。实际中的层板构件可以不需要所有这些不同类型的隔板。
尽管在浇注时合成橡胶的流体静压头不应该太多，且排气的流速应当是最佳的，浇注过程中可以使层板倾斜，甚至是垂直，以促使合成橡胶流动。也可以将层板安装在结构中，在该位置处填充合成橡胶。
为能使一个构件焊接到另一个构件或已存在的结构上，必须围绕边缘留出一充足的焊接边，以保证合成橡胶及它与钢板的结合不致被焊接的热量所破坏。焊接边的宽度取决于合成橡胶的抗热性和所使用的焊接技术，但大约为75mm。如果合成橡胶是浇注在两层板之间，则焊接边要由可伸展的隔板所定。
所需注入口的数量取决于用于抽吸合成橡胶成分的有效设备和所提供的最小的溅落(理想的自由溅落)、掺气(以使无效空间达到最小)和合成橡胶的胶化时间。使用时，注入口应位于构件所放置的适当的位置。如果构件被用作双壳板船中的壳板，注入口应被理想地放置，以面对中间壳板的缺口，而不是大海或或货物的空间。理想地注入口是快速的隔离口，可以带有单向阀，在浇注后即能被磨掉。它们还可以用塞子密封，在浇注之后磨平。
每个腔均设有排气孔，以便排出腔中的所有空气而保证不留下无效的空间。排气孔可以是贯通的以允许在填充之后插入塞子，或包括在填充之后关闭的阀门或其他机械装置。可以在放入合成橡胶之后磨平排气孔和任何的塞子或阀门。
制造插入注入口或排气孔的塞子的材料应该具有和金属层相一致的产生电流的性能。如果金属层是钢的，那么塞子可以是铜的。
必须监控注入过程，以确保平稳地填充腔体而没有任何可引起膨胀和层板厚度不平的后部压力。也可以使用管子来进行注入，随着腔体的填充而逐步撤出这些管子。
在制作之后，还需确定合成橡胶已经正确地粘附于金属层上了。这可以使用超声波或X-射线技术来完成。
为了修补已损坏的构件，或假设合成橡胶未适当地粘合，将钢板的破损部分锯(冷切)下来或以火焰切割下来，用刳刨工具或压力水(水力爆破)切割合成橡胶或将其挖出，直到暴露出好的合成橡胶，且制出焊接边缘。必须充分的清理剩余的合成橡胶的暴露表层，以便在此位置注入新的合成橡胶并粘合。
另一种制造方法是将合成橡胶的预制板粘合在金属板上。
已经制造出使用本发明复合结构的层板作为大型运输船只外部壳板的龙骨板的测试样品。在图5中标出了样品50，它包括外部壳板51，内部壳板52，纵向桁架53，54和横板55。还提供了测量装置的进孔56，但这不是必需的。
外部壳板51包括由8mm厚的软钢构成的第一和第二金属层，及由50mm厚的聚氨酯合成橡胶芯材组成的中间层，其基本上是没有空隙的。
为了简单起见，内部壳板是一单一的8mm厚的钢板，用700mm高的纵桁架53、54使其与外部壳板分隔。在实际应用中，内部壳板通常也是本发明的构件，但不要求具有严格相等的尺寸。在设计方案中，样品的测量值为2600-5000mm。
在外部壳板中，安装纵向和横向的腔体隔板以确保用有效装备适当地浇注合成橡胶。如果能在一次操作中浇注外层板的整个腔体，那么这些则可以省去。
测试样品被安装在一水平的反应构架上，并施加四个500吨的液压致动器载荷，以体现周围船结构的坚固程度。图6说明测试样品载荷下的情形，它显示横向位移相对于所施加载荷的关系。
在载荷8201kN时，外部壳板的外层板发生剪张力断裂。
图7表示使用根据本发明的层板所设计的货柜船的装货口盖，该货柜船满足劳埃德商船协会的注册规定和规则。层板71包括4mm厚的钢制外层板和25mm厚的中间层板，且无需任何支肋。主桁架72和边桁架73均为常规的形状，但次桁架74的数量减少了。第三级桁架75用于举起装货口盖，边桁架的托架77可使货柜载荷直接拆卸。装备双板76是必需的。
中间层中装有填充物以控制合成橡胶的热膨胀系数，使其接近钢(12×10-6mm/mm/℃)的热膨胀系数，以防止温度变化引起的分层。
装货口盖与传统的全钢设计的相比，其坚固程度相等或更高，结构更简单，这是因为焊接长度、支肋数量和其它所需的零件减少了。
以上详述了本发明与船只建造应用相关的内容。然而本发明在其它应用中也是有用的，特别是用于那些预计有较高的水平和横向载荷，需要较高的断裂强度或需要防止疲劳裂缝蔓延的情况。

Claims (30)

1.一种层板结构的构件，包括：
具有第一内表面和第一外表面的第一金属层；
具有第二内表面和第二外表面的第二金属层，此第二金属层与上述第一金属层相间隔；且
一中间层，其包括位于上述第一和第二内表面间粘附在其上的合成橡胶，所述合成橡胶的弹性模量E大于或等于250Mpa，且其伸展性超过金属层。
2.根据权利要求1所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述的合成橡胶具有的弹性模量大于或等于275Mpa。
3.根据前面任何一个权利要求所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述的合成橡胶的伸展和压缩强度至少为20Mpa。
4.根据权利要求1或2所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述的合成橡胶是致密性的材料。
5.根据权利要求4所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述中间层总的空隙空间少于中间层总体积的20％。
6.根据权利要求1或2所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述的合成橡胶是聚氨酯。
7.根据权利要求1或2所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述的中间层的厚度为20-100mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种层板结构的构件，其特征在于：至少所述的第一和第二金属层至少有一层是由钢构成的。
9.根据权利要求1或2所述的一种层板结构的构件，其特征在于：所述的第一和第二金属层每一层的厚度为3.5-25mm。
10.根据权利要求1或2所述的一种层板结构的构件，其特征在于：第一和第二金属层总的厚度与中间层厚度的比值为0.1-2.5。
11.根据权利要求1或2的一种层板结构的构件，其特征在于：所述合成橡胶和所述金属层之间的结合强度至少为3Mpa。
12.一种至少包含根据权利要求1所述的层板结构构件的艇或船。
13.一种制造层板结构的构件的方法，包括以下步骤：
提供相互间隔开的第一和第二金属层，以便在其间限定一中心腔体；
用未固化的合成橡胶填充上述中心腔体，其固化后将具有大于或等于250Mpa的弹性模量E和超过金属层的伸展性；且
固化上述合成橡胶以使其与所述的金属层相粘合；所述层板结构构件是由所述第一和第二金属层和已固化的合成橡胶构成的。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于：所述的填充步骤是为了使掺气达到最少，以使空隙空间的比例在固化之后少于20％。
15.根据权利要求13或14的方法，还包括在上述填充步骤之前，在所述腔体中提供至少一个排气孔。
16.根据权利要求15的方法，还包括在所述的固化步骤之后，密封上述排气孔。
17.根据权利要求13的方法，还包括在所述的填充和固化步骤过程中，提供隔板用以支撑所述第一和第二金属层之间的间隔。
18.根据权利要求17的方法，用所述的隔板限定孔洞的边缘，这样所述的合成橡胶中间层至少有一边从第一和第二金属层凹进去，以提供一焊接边。
19.根据权利要求13的方法，其特征在于：所述合成橡胶粘合到所述金属层固化后的结合强度至少为3Mpa。
20.根据权利要求15的方法，其特征在于：所述密封步骤包括用具有与所述金属层相容的产生电流性能的塞子密封所述的排气孔。
21.一种将层板结构构件接合到其它的构件上的方法，所述层板结构构件包括第一和第二金属层及由第一合成橡胶构成的中间层，所述的方法包括下列步骤：
所述中间层从第一和第二金属层凹进去，提供了与一部分所述层板结构构件相邻近的焊接边；
将上述部分焊接到所述的其它构件上；
用未固化的第二合成橡胶填充所述的焊接边，所述合成橡胶固化后的弹性模量E大于或等于250MPa且其伸展性超过所述金属层的伸展性；和
将上述未固化的第二合成橡胶固化，以使其与所述的第一和第二金属层及中间层相粘合。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于：所述的部分是边缘部分。
23.根据权利要求21或22的方法，其特征在于：所述的提供焊接边的步骤是在所述层板结构构件的制造过程中完成的。
24.根据权利要求21或22的方法，其特征在于：所述的提供焊接边的步骤包括切削一部分与上述中间层相邻近的部分，如刳刨或水力爆破。
25.根据权利要求21或22的方法，其特征在于：所述的其它构件是指一种包括第一和第二金属层和合成橡胶中间层的层板结构的构件。
26.根据权利要求21或22的方法，其特征在于：所述的第一和第二合成橡胶是相同的。
27.根据权利要求21或22的方法，其特征在于：所述的填充步骤包括提供至少一种穿过所述第一和第二金属层及中间层，到达所述焊接边的填充孔洞，且所述未固化的第二合成橡胶穿过这个或每一个填充孔洞至所述焊接边，且上述方法还包括在所述的固化步骤之后密封这个或每一个填充孔洞。
28.根据权利要求27的方法，其特征在于：所述密封步骤包括用具有与所述金属层相容的产生电流性能的塞子密封所述至少一个填充孔洞。
29.根据权利要求18或21的方法，其特征在于：所述焊接边的宽度为75mm。
30.根据权利要求21的方法，其特征在于：所述合成橡胶粘合到所述金属层固化后的结合强度至少为3Mpa。
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