PL195218B1 - Człon laminatowy konstrukcyjny, sposób wytwarzania członu laminatowego konstrukcyjnego i jego zastosowanie - Google Patents

Abstract

1. Cz lon laminatowy konstrukcyjny, zawieraj acy pierw- sz a metalow a warstw e maj ac a pierwsz a wewn etrzn a po- wierzchni e i pierwsz a zewn etrzn a powierzchni e, drug a metalowa warstw e maj ac a drug a wewn etrzn a powierzchni e i drug a zewn etrzn a powierzchni e, przy czym druga metalo- wa warstwa jest oddalona od pierwszej metalowej warstwy, a pomi edzy nimi jest usytuowana po srednia warstwa, znamienny tym, ze po srednia warstwa (2) zawiera elasto- mer umieszczony pomi edzy powierzchniami wewn etrznymi pierwsz a i drug a warstw metalowych (1, 3) i przylegaj acy do nich, przy czym ten elastomer ma modu l spr ezysto sci E równy lub wi ekszy ni z 250 MPa i plastycznosc wi eksz a ni z warstwy metalowe (1, 3). 11. Sposób wytwarzania cz lonu laminatowego kon- strukcyjnego obejmuj acy umieszczanie warstw metalowych pierwszej i drugiej w oddaleniu od siebie i tworzenia wn eki na warstw e po sredni a pomi edzy nimi, znamienny tym, ze utworzon a wn ek e na warstw e po sredni a wype lnia si e nie utwardzonym elastomerem, który po utwardzeniu ma modu l spr ezysto sci E równy lub wi ekszy ni z 250 MPa i plastycz- nosc przewy zszaj ac a plastyczno sc metalowych warstw, po czym utwardza si e ten elastomer tak, ze przylega do warstw metalowych pierwszej (1) i drugiej (3). PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek odnosi się do członu laminatowego konstrukcyjnego, sposobu wytwarzania członu laminatowego konstrukcyjnego i jego zastosowania.

W zastosowaniach takich jak pokłady łodzi, pomosty mostowe, znane jest zwiększanie sztywności płyt stalowych poprzez wyposażenie ich w podłużne usztywniacze, które zawierają dodatkowe belki przyspawane prostopadłe do płyty głównej. Zastosowanie usztywniaczy komplikuje proces wytwarzania całkowitej konstrukcji, powoduje zwiększenie wagi i utrudnia zabezpieczanie antykorozyjne i utrzymanie jedności konstrukcji.

Publikacja „Ocena wytrzymałości nowego środka transportowego produktów olejowych z systemem jednokierunkowych dźwigarów poprzez analizę pewności” (Strength Evaluation of Novel Unidirectional-Girder-System Product Oil Carrier by Reliability Analysis) SNAME Transactions V93 1985 str. 55-77, opisuje próby zmniejszenia wad zastosowania usztywniaczy w kadłubie statku poprzez umieszczenie ich tylko w jednym kierunku. To ułatwia wytwarzanie i konserwację statku, ale nie rozwiązuje innych wad zastosowania usztywniaczy.

Są znane, na przykład z opisu patentowego nr US 4 698 278, laminaty metalu i tworzyw sztucznych o zwiększonych właściwościach izolacji dźwiękowej i cieplnej do okładania lub przykrywania budynków. W takich laminatach ogólnie stosuje się spienione lub włókniste materiały i te laminaty nie są przeznaczone do przenoszenia znacznych obciążeń, to jest znacznie większych niż ciężar konstrukcji i małe obciążenia spowodowane śniegiem lub działaniem wiatru.

Opis patentowy nr US 4 851 271 ujawnia zastosowanie laminatów metal-tworzywo sztuczne do misek olejowych dla zapewnienia właściwości izolacji dźwiękowej. W takich zastosowaniach laminaty jako takie nie przenoszą obciążeń większych niż ciężar pojemnika i jego zawartości. Również warstwy wyłożenia nie zwiększają znacznie wytrzymałości konstrukcyjnej tego laminatu.

Opis patentowy nr US 5 219 629 ujawnia zastosowanie laminatów aluminium z wieloma materiałami rdzeniowymi do konstrukcji karoserii przyczep ciężarówek. Jednak warstwy aluminiowe tego laminatu są zbyt cienkie, a materiały rdzenia niewystarczająco mocne, aby przenosić znaczne obciążenia w większych konstrukcjach.

Praca Josefa Linder'a „Zachowanie się zaawansowanych systemów płyt laminatowych w podwójnych kadłubach: badania eksperymentalne” (Behaviour of Advanced Double Hull Sandwich Plate Systems: Experimental Investigation”), przedstawiona jako częściowa rozprawa magisterska w Uniwersytecie w Carlton, Ottawa, Canada, rozważa zastosowanie laminatu stal-pianka poliuretanowa-stal do budowy statków, ale stwierdza, że nie ma on dostatecznej wytrzymałości na zginanie i wytrzymałości połączenia, ani odpowiedniej absorpcji energii.

Według wynalazku, człon laminatowy konstrukcyjny, zawierający pierwszą metalową warstwę mającą pierwszą wewnętrzną powierzchnię i pierwszą zewnętrzną powierzchnię, drugą metalową warstwę mającą drugą wewnętrzną powierzchnię i drugą zewnętrzną powierzchnię, przy czym druga metalowa warstwa jest oddalona od pierwszej metalowej warstwy, a pomiędzy nimi jest usytuowana pośrednia warstwa, charakteryzuje się tym, że pośrednia warstwa zawiera elastomer umieszczony pomiędzy powierzchniami wewnętrznymi pierwszą i drugą warstw metalowych i przylegający do nich, przy czym ten elastomer ma moduł sprężystości E równy lub większy niż 250 MPa i plastyczność większą niż warstwy metalowe.

Korzystnie, elastomer ma moduł sprężystości równy lub większy niż 275 MPa lub ma wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie co najmniej 20 MPa.

Elastomer może być zwarty.

Całkowita objętość pustych przestrzeni w elastomerze warstwy pośredniej korzystnie jest mniejsza niż 20% całkowitej objętości warstwy pośredniej.

Korzystnie, elastomer jest poliuretanem.

Pośrednia warstwa w korzystnym wariancie ma grubość w zakresie od około 20 do około 100 mm.

Warstwy metalowe pierwsza i druga mogą być ukształtowane ze stali.

Każda z warstw metalowych pierwszej i drugiej ma grubość w zakresie od około 3,5 do około 25 mm.

Korzystne jest, gdy stosunek całkowitej grubości warstw metalowych pierwszej i drugiej do grubości pośredniej warstwy zawiera się w zakresie od 0,1 do 2,5.

PL 195 218 B1

Sposób wytwarzania członu laminatowego konstrukcyjnego, obejmujący umieszczanie warstw metalowych pierwszej i drugiej w oddaleniu od siebie i tworzenia wnęki na warstwę pośrednią pomiędzy nimi, według wynalazku charakteryzuje się tym, że utworzoną wnękę na warstwę pośrednią wypełnia się nie utwardzonym elastomerem, który po utwardzeniu ma moduł sprężystości E równy lub większy niż 250 MPa i plastyczność przewyższającą plastyczność metalowych warstw, po czym utwardza się ten elastomer tak, że przylega do warstw metalowych pierwszej i drugiej.

Wypełnianie prowadzi się przy minimalizowaniu porywanego powietrza tak, że udział objętości pustych przestrzeni po utwardzeniu jest mniejszy niż 20%.

Przed wypełnianiem kształtuje się we wnęce co najmniej jeden wylot odpowietrzający, który korzystnie uszczelnia się po utwardzeniu elastomeru.

Przed wypełnianiem wnęki można umieścić elementy dystansowe do utrzymywania rozdzielenia metalowych warstw pierwszej i drugiej podczas etapów wypełniania i utwardzania.

Elementy dystansowe korzystnie umieszcza się tworząc krawędzie boczne wnęki, przy czym pośrednią warstwę elastomeru kształtuje się jako wgłębiona względem co najmniej jednej krawędzi pomiędzy warstwami metalowymi pierwszą i drugą z utworzeniem marginesu do spawania.

Według wynalazku zastosowaniem członu laminatowego konstrukcyjnego o powyższych cechach jest użycie go do budowy łodzi lub statku.

Istotnym wymaganiem co do członu laminatowego konstrukcyjnego jest to, żeby zachowywał się pod obciążeniem jak pojedynczy człon, a nie jak trzy indywidualne części składowe i dlatego właściwości mechaniczne warstwy pośredniej i jej połączenia z zewnętrznymi warstwami muszą być dobrane tak, aby to wymaganie było spełnione. Pośrednia warstwa musi dlatego mieć odpowiedni moduł sprężystości i plastyczności, aby móc przenosić siły poprzeczne, które mogą powstać pomiędzy dwiema warstwami metalowymi przy używaniu. Odpowiednia wytrzymałość połączenia do przenoszenia sił tnących jest także wymagana.

W zastosowaniach, gdzie jest istotna zdolność do wytrzymywania uderzeń, na przykład w budowie statków, warstwa pośrednia musi dodatkowo mieć wystarczającą wytrzymałość na rozciąganie, aby nie powodować rozerwania pod założonymi obciążeniami udarowymi. Pod wpływem obciążeń ekstremalnych, człon będzie absorbował większa energię niż porównywalny człon z pojedynczego arkusza blachy wskutek rozpraszania naprężeń, wzrostu odporności na przedziurawienia i niesprężystego działania membrany jako całości.

Korzystnie, względna wytrzymałość i stosunek wytrzymałości dwóch metalowych warstw i warstwy pośredniej, zwłaszcza sztywność warstwy pośredniej są dobrane tak, że człon, kiedy jest poddany ekstremalnym naprężeniom wyginającym i uginającym, będzie wybrzuszał się jako całość, a nie odkształcał się niesymetrycznie lub lokalnie.

Również pośrednia warstwa powinna mieć plastyczność i moduł sprężystości, który jest odpowiedni do rozpraszania naprężeń skoncentrowanych na wierzchołku pęknięcia w jednej warstwie metalowej przy przenoszeniu ich do drugiej tak, że zapobiega się propagacji pęknięcia pomiędzy warstwami. Warstwa pośrednia ma także wpływ spowalniający na propagacje pęknięcia w warstwie, w której jest ono zapoczątkowane.

Warstwy metalowe są korzystnie wykonane ze stali i każda ma grubość w zakresie od około 3,5 do około 25 mm. Minimalna grubość jest grubością najcieńszego arkusza, który może być efektywnie zespawany na styk z zapewnieniem koniecznej wytrzymałości. W górnej granicy korzyści wynalazku zmniejszają się. Nie jest konieczne, aby obie warstwy metalowe miały tę samą grubość. W szczególności jest możliwe zapewnienie protektorowego nadmiaru po stronie, która podczas używania jest zwrócona do środowiska korozyjnego.

Warstwa tworzywa sztucznego korzystnie zachowuje się jak elastomer pod obciążeniami oczekiwanymi przy używaniu i ma grubość w zakresie od około 20 do około 100 mm. Grubość warstwy pośredniej może zmieniać się w członie przy pewnych zastosowaniach. Materiał jest korzystnie zwarty, to jest nie spieniony, chociaż pewne puste przestrzenie mogą być obecne, albo celowo zaprojektowane, albo będące efektem ubocznym stosowanego sposobu wytwarzania, pod warunkiem, że wymagane właściwości kompozytu nie są zmniejszone. Uważa się, że maksymalna akceptowana objętość pustych przestrzeni w warstwie pośredniej zawiera się pomiędzy 10 i 20%.

Zastosowanie wynalazku w konstrukcji złożonej, na przykład do budowy statku, umożliwia zmniejszenie złożoności, wagi i kosztów wyrobów poprzez wyeliminowanie potrzeby stosowania pewnych lub wszystkich elementów usztywniających, wyeliminowanie dźwigników wzdłużnych i poprzecz4

PL 195 218 B1 nych lub rozsunięcie ich, zmniejszenie pola powierzchni wymaganego do pokrywania i zmniejszenie ilości miejsc podlegających korozji.

Kompozytowy człon konstrukcyjny według wynalazku ma strukturę laminatową i może być użyty przy obciążeniu, a zwłaszcza w zastosowaniach, w których przenoszone jest obciążenie, na przykład zamiast usztywnionych płyt stalowych.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 jest widokiem przekroju poprzecznego członu laminatowego według wynalazku; fig. 2 jest widokiem perspektywicznym, z częściowym wycięciem członu laminatowego według wynalazku, zawierającego elementy dystansowe; fig. 3 jest częściowym widokiem zbiornika podwójnego kadłuba skonstruowanego przy użyciu członu laminatowego według wynalazku, fig. 4 jest wykresem ukazującym osiowe skrócenie członu laminatowego według wynalazku pod obciążeniem w płaszczyźnie; fig. 5 - widok perspektywiczny próbki testowej zawierającej płytę według wynalazku; fig. 6 jest grafem przedstawiającym zachowanie próbki testowej pod obciążeniem poprzecznym i fig. 7 jest widokiem perspektywicznym pokrywy luku zbiornika skonstruowanej przy użyciu członu laminatowego według wynalazku.

Na figurach podobne części są oznaczone podobnymi numerami. Fig. 1 jest przekrojem poprzecznym członu laminatowego 10 według obecnego wynalazku. Człon laminatowy 10 zawiera pierwszą metalową warstwę wewnętrzną 1, warstwę pośrednią 2 lub rdzeń i drugą metalową warstwę zewnętrzną 3. Warstwa pośrednia 2 jest spojona z każdą z metalowych warstw zewnętrznych pierwszą 1 i drugą 3 z wystarczająca wytrzymałością do przenoszenia obciążeń tnących pomiędzy warstwami zewnętrznymi tak, że utworzony jest kompozytowy człon konstrukcyjny zdolny do przenoszenia obciążeń znacznie większych niż jego ciężar.

Dokładne obciążenia, które mogą być przenoszone przez człon laminatowy zależą od zastosowania, do którego jest użyty. Na przykład, jeżeli człon laminatowy ma być zastosowany jako płyta kadłuba statku w zbiornikowcach produktów naftowych o wyporności 40000 DWT, powinien on być w stanie wytrzymać obciążenia w płaszczyźnie co najmniej 10-12000 kN na szerokości 2 m bez wybrzuszania lub obciążenia poprzeczne wynoszące co najmniej 10 kPa, korzystnie 1000kPa lub większe, bez rozrywania. Dla małych statków, zwłaszcza jachtów, człon laminatowy nie musi być tak wytrzymały.

Figura 4 pokazuje typową krzywą obciążenia i osiowego skrócenia dla płyty laminatowej na kompozytowy pokład według wynalazku o szerokości 2000 mm. Ukazuje ona zasadniczo liniowe skrócenie przy obciążeniu do 12075 kN.

Warstwy pierwsza 1 i druga 3 są wykonane z metalu, a warstwa pośrednia 2 jest wykonana z tworzywa sztucznego lub materiału elastomerowego. Bezwzględne i względne wymiary członu i zastosowane materiały zależą od zastosowania, do którego człony są przeznaczone. Jako minimum, zewnętrzne warstwy pierwsza i druga maja grubość 3 mm, a warstwa pośrednia 20 mm. Warstwa pośrednia musi także mieć moduł sprężystości E wynoszący co najmniej 250 MPa, korzystnie 275 MPa, przy maksymalnej oczekiwanej temperaturze otoczenia, w której człon ma być stosowany. Przy zastosowaniu do budowy statków wynosi ona 100°C. Elastomer nie powinien być zbyt sztywny, a więc E powinien wynosić mniej niż 2500 MPa w najniższej oczekiwanej temperaturze, -40 lub -45°C, w zastosowaniach do budowy statków.

Wytrzymałości na rozdzieranie, ściskanie i rozciąganie, jak również wydłużenie powinny być maksymalne dla umożliwienia absorbowania energii przez laminat kompozytowy w przypadku nadzwyczajnych obciążeń, takich jak uderzenia. W szczególności, wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie elastomeru powinny wynosić co najmniej 20 MPa, a korzystnie 40 MPa. Wytrzymałość na ściskanie może oczywiście być znacznie większa niż te minima.

Warstwy metalowe są korzystnie ze stali konstrukcyjnej, chociaż także mogą być z nierdzewnej stali aluminiowej lub innych stopów konstrukcyjnych w szczególnych zastosowaniach, gdzie lekkość, odporność na korozję lub inne szczególne właściwości są istotne. Metal powinien korzystnie mieć minimalną granicę plastyczności wynosząca 240MPa i wydłużenie co najmniej 20%. Dla wielu zastosowań, zwłaszcza w przemyśle okrętowym, istotne jest, aby metal mógł być spawany.

Plastyczność elastomeru w najniższej roboczej temperaturze musi być większa niż warstw metalowych, która wynosi około 20%. Korzystna wartość plastyczności elastomeru w najniższej temperaturze roboczej wynosi 50%. Współczynnik termiczny elastomeru musi być wystarczająco bliski do współczynnika stali, aby zmiany temperatury w oczekiwanym zakresie roboczym i podczas spawania nie powodowały rozwarstwienia. Zakres, jakim współczynniki termiczne tych dwóch materiałów mogą się różnić, zależy w części od sprężystości elastomeru, ale uważa się, że współczynnik rozszerzalnoPL 195 218 B1 ści termicznej elastomeru może być około 10 razy większy niż warstw metalowych. Współczynnik rozszerzalności termicznej może być regulowany przez dodatek wypełnień do elastomeru.

Wytrzymałość połączenia pomiędzy elastomerem i warstwami metalowymi musi być co najmniej 3, korzystnie 6 MPa w całym zakresie roboczym. Korzystnie, jest to osiągane poprzez wewnętrzną przyczepność elastomeru do stali, ale mogą być stosowane dodatkowe kleje.

Dodatkowe wymagania, jeżeli człon ma być stosowany do budowy statków, obejmują to, że wytrzymałość na rozciąganie poprzecznie na powierzchni styku musi być wystarczająca do przenoszenia oczekiwanego podciśnienia i sił rozwarstwiających od połączenia ze stalą. Elastomer musi być hydrolitycznie stabilny zarówno w wodzie morskiej, jak i słodkiej, a jeżeli człon ma być stosowany w zbiornikowcach produktów ropnych musi być chemicznie odporny na ropę.

Elastomer dlatego zasadniczo zawiera poliol (na przykład poliester lub polieter) razem z izocyjanianem lub diizocyjanianem, przedłużacz łańcucha i wypełniacz. Wypełniacz jest zastosowany, jeśli jest konieczne, do zmniejszenia współczynnika termicznego warstwy pośredniej, zmniejszenia jej kosztu i regulacji fizycznych właściwości elastomeru. Mogą być włączone dalsze dodatki, na przykład do regulacji hydrofobowości lub przyczepności i opóźniacze ogniowe.

Stosunek całkowitej grubości zewnętrznych warstw do grubości elastomeru (T1+T3)/T2 jest w zakresie od 0,1 do 2,5.

Na zewnętrznych powierzchniach warstw metalowych, przed lub po wytworzeniu laminatu, mogą być zastosowane powłoki, na przykład ze względów kosmetycznych lub odporności na korozję.

Człon według obecnego wynalazku jest zasadniczo bardziej wytrzymały i sztywniejszy niż człon o tej samej grubości z metalu, ale bez warstwy pośredniej. Jest tak dlatego, że człon działa w analogiczny sposób jak dźwignik skrzynkowy lub belka dwuteowa z warstwą pośrednią pełniąca funkcje średnika lub średników. Aby spełniać tę funkcję, pośrednia warstwa i jej złącze z warstwami zewnętrznymi musza być odpowiednio wytrzymałe, aby przenosić siły, które powstają przy używaniu członu.

Dodatkową korzyścią obecnego wynalazku, zwłaszcza w budowie statków jest to, że pośrednia warstwa zapobiega propagacji pęknięć pomiędzy warstwą zewnętrzną i wewnętrzną. Sprężystość pośredniej warstwy zapobiega przenoszeniu koncentracji naprężeń przy wierzchołku pęknięcia w jednej zewnętrznej warstwie do innej ze względu na rozchodzenie się sztywnego połączenia zamiast obciążenia.

Figura 3 pokazuje, częściowo w przekroju, kadłub zbiornikowca 30 wykorzystujący człon laminatowy według wynalazku. Poszycie zewnętrzne 32 i wewnętrzne 31 zbiornika są skonstruowane z konstrukcyjnych członów laminatowych według wynalazku i mają zewnętrzne warstwy ze stali 10 mm i rdzeń z elastomeru poliuretanowego 50 mm. Dwa poszycia są połączone ze sobą za pomocą prostych płytowych wzdłużnych dźwigarów 33 i poprzecznych płyt podporowych 35 przy poprzecznych grodziach 36 o podwójnych ścianach, z dodatkowymi wzdłużnymi płytami stalowymi 38 w obszarach górnych krawędzi nadburcia i zęzy. Wyeliminowano potrzebę wzdłużnych lub poprzecznych usztywniaczy dla obu poszyć.

Grodzie 36 o podwójnych ścianach, pokład i wzdłużne pokładowe dźwigary 37 są także skonstruowane z konstrukcyjnych członów laminatowych według wynalazku. To eliminuje dodatkowe elementy usztywniające. Wzdłużne pokładowe dźwigary 37 mogą być zastąpione dźwigarami poprzecznymi.

Korzystnym sposobem wytwarzania członu laminatowego według wynalazku jest odlewanie lub wtryskiwanie elastomeru bezpośrednio do wnęki utworzonej przez dwie metalowe warstwy. Jeżeli jest to wykonane poziomo, płyty metalowe są korzystnie utrzymywane w odstępie od siebie za pomocą elementów dystansowych, które mogą być z metalu lub elastomeru. Jeżeli elementy dystansowe są elastomerowe, muszą one być kompatybilne z materiałem tworzącym warstwę pośrednią i nieco wyższe niż wymagany odstęp, aby mogły być ściśnięte do właściwej długości pod wpływem ciężaru górnej płyty. Elementy dystansowe mogą być podłużne i dzielą wnękę na przestrzenie, które mogą być wypełniane oddzielnie lub mogą być kołkami, wokół których elastomer przepływa. Jeżeli są podłużne, elementy dystansowe mogą mieć prostokątny lub trapezowy przekrój poprzeczny i mogą mieć różną wysokość wzdłuż jej długości dla zapewnienia członu o zmiennej grubości elastomeru. Elementy dystansowe są przymocowane do płyt stalowych za pomocą środków łączących lub związków kompatybilnych z elastomerem o wystarczającej wytrzymałości do utrzymania płyt na miejscu podczas procesu wtryskiwania, dopóki elastomer nie jest dostatecznie utwardzony.

Figura 2 pokazuje, dla celów ilustracyjnych, trzy różne typy elementów dystansowych, które mogą być zastosowane do konstruowania członów laminatowych według wynalazku. Cylindryczny elastomerowy czop 4A jest zastosowany do podpierania górnej płyty bez rozdzielania wnęki, która ma

PL 195 218 B1 być wypełniona. Jeżeli wnęka ma być ograniczona lub podzielona stosuje się podłużny metalowy element dystansujący 4B lub podłużny elastomerowy element dystansowy 4C. Metalowy element dystansowy 4B może być przyspawany z zaokrągleniem do dolnej płyty i jest podparty na styk pomiędzy dwoma odcinkami górnej płyty lub działa jako podpierający pręt dla spoiny. Elastomerowy czop 4A i podłużny element dystansowy 4C mogą być zetknięte z metalowymi płytami przez wylaniem i mogą być wykonane zasadniczo z tego samego elastomeru, jaki ma być wtryśnięty lub różnego elastomeru kompatybilnego z elastomerem wtryskiwanym. W rzeczywistości, człon laminatowy nie wymaga wszystkich typów elementów dystansowych.

Podczas odlewania płyty mogą być utrzymywane jako nachylone w celu ułatwienia przepływu elastomeru lub nawet pionowo, chociaż czoło hydrostatyczne elastomeru podczas odlewania nie powinno być nadmierne, a przepływ przemieszczanego powietrza powinien być zoptymalizowany. Płyty mogą być także zamocowane na miejscu w konstrukcji i wypełnione elastomerem na miejscu.

W celu umożliwienia spawania członów do innych członów lub istniejącej konstrukcji, konieczne jest pozostawienie wystarczającego marginesu na spawanie wokół krawędzi dla zapewnienia, że elastomer i jego spojenie z płytami stalowymi nie zostanie zniszczone przez ciepło wytwarzające się przy spawaniu. Szerokość marginesu na spawanie zależy od odporności cieplnej elastomeru i stosowanej techniki spawania i może wynosić około 75 mm. Jeżeli elastomer jest odlewany pomiędzy płytami, margines na spawanie powinien być ograniczony podłużnymi elementami dystansowymi.

Liczba wlotów wtryskowych zależy od dostępnego wyposażenia do pompowania składników elastomeru, zminimalizowania rozpryskiwania (idealnie bez rozpryskiwania) i porywania powietrza (dla zmniejszenia pustych przestrzeni), jak również czasu żelowania elastomeru. Wloty powinny być usytuowane w odpowiednich miejscach, w których ma być umieszczony człon. Jeżeli człon ma być zastosowany jako płyta kadłuba i statku z podwójnym kadłubem, wloty wtryskowe są korzystnie sytuowane tak, że są zwrócone do szczeciny pomiędzy kadłubami, a nie w kierunku morza lub obszaru załadunkowego. Wloty wtryskowe są korzystnie dyszami dającymi się szybko odłączać, zwłaszcza z zaworami jednodrogowymi, które mogą być zamknięte po wylaniu. Mogą one być także zamykane czopem, które są łatwo wyrównywane po odlaniu.

W każdej wnęce są ukształtowane wyloty odpowietrzające umożliwiające odpływ całego powietrza z wnęki i zapobiegające pozostawaniu pustych przestrzeni. Wyloty odpowietrzające mogą być wkręcane, aby umożliwić umieszczenie czopów po wypełnieniu lub zawierają zawory albo inne mechaniczne urządzenia, które są zamykane po napełnieniu. Wyloty odpowietrzające i czopy oraz zawory mogą być wyrównane po zestaleniu elastomeru.

Czopy umieszczone w dyszach wtryskowych lub wylotach odpowietrzających powinny być wykonane z materiału, którego właściwości galwaniczne są kompatybilne z warstwami metalowymi. Jeżeli warstwy metalowe są ze stali, czopy mogą być z mosiądzu.

Proces wtryskiwania musi być monitorowany dla zapewnienia równomiernego wypełniania wnęki bez jakiegokolwiek ciśnienia wstecznego, które może spowodować nacisk i nierównomierną grubość płyt. Wtryskiwanie może także być prowadzone przy użyciu rur, które są wyciągane kolejno po wypełnianiu wnęki.

Po wytwarzaniu może być korzystne sprawdzenie, czy elastomer został właściwie przytwierdzony do warstw metalowych. Może to być wykonane za pomocą ultradźwięków lub promieni X.

W celu naprawy uszkodzonego członu lub w przypadku, gdy elastomer jest niewłaściwie połączony, uszkodzony obszar płyty stalowej jest odpiłowywany (cięcie na zimno) lub odcinany ogniowo i elastomer jest wycinany lub usuwany, na przykład za pomocą frezu lub wody pod ciśnieniem (oczyszczanie wodne) dopóki nie odsłoni się dobrego elastomeru i nie utworzy się marginesu na spawanie. Odsłonięte powierzchnie pozostałego elastomeru muszą być odpowiednio czyste, aby nowy elastomer odlewany na miejscu mógł przywrzeć.

Alternatywnym sposobem wytwarzania jest przyklejanie wstępnie ukształtowanych odlewów elastomerowych do płyt metalowych.

Skonstruowano próbkę testową płyty stępkowej do zbiornika drobnicowca przy użyciu kompozytowego laminatu konstrukcyjnego według wynalazku. Próbka 50 jest pokazana na fig. 5 i zawiera płytę zewnętrznego kadłuba 51, płytę wewnętrznego kadłuba 52, wzdłużne dźwigniki 53, 54 i poprzeczną podporę 55. Ukształtowano okna dostępu 56 dla urządzeń pomiarowych, ale zwykle nie są one potrzebne.

PL 195 218 B1

Płyta zewnętrznego kadłuba 51 zawiera metalowe warstwy pierwszą i drugą ze stali średniej o grubości 8 mm i pośrednią warstwę o grubości 50 mm rdzenia z elastomeru poliuretanowego, zasadniczo pozbawionego pustych przestrzeni.

Dla uproszczenia, wewnętrzna płyta kadłuba jest pojedynczą płytą stalową o grubości 8 mm oddzieloną od zewnętrznej płyty wzdłużnymi dźwigarami 53, 54 o wysokości 700 mm. W rzeczywistych zastosowaniach, wewnętrzny kadłub zwykle jest także członem według wynalazku, ale nie koniecznie o takich samych wymiarach. Wymiary próbki były w rzucie 2600 na 5000 mm.

W płycie zewnętrznego kadłuba są umieszczone wzdłużne i poprzeczne elementy dystansowe dla zapewnienia właściwego odlewania elastomeru za pomocą dostępnego wyposażenia. Mogą one być wyeliminowane, gdy cała wnęka zewnętrznej płyty jest odlewana w jednej operacji.

Próbka testowa była zmontowana w poziomej ramie przedstawiającej sztywność otaczającej konstrukcji statku i przyłożono obciążenie wywierane przez cztery 500 tonowe hydrauliczne siłowniki. Zachowanie próbki testowej pod obciążeniem przedstawiono na fig. 6, która ukazuje poprzeczne przesunięcie w funkcji przyłożonego obciążenia.

Zniszczenie poprzez rozerwanie zewnętrznej płyty zewnętrznego kadłuba pojawiło się przy obciążeniu 8201 kN.

Figura 7 ukazuje pokrywę luku dla statków zbiornikowych spełniającą wymagania i przepisy Lloyd'a, skonstruowaną z płyt według wynalazku. Płyty 71 zawierają zewnętrzne warstwy o grubości 4 mm ze stali i warstwę pośrednią o grubości 25 mm i nie wymagają żadnych usztywnień. Główny dźwignik 72 i krawędziowy dźwignik 73 są ukształtowane w zwykły sposób, ale liczba belek dodatkowych 74 jest zwykle zmniejszona. Zastosowano belki pomocnicze 75 do podniesienia pokrywy luku i wsporniki 77 dźwigników krawędziowych umożliwiające bezpośrednie usuniecie ładunku pojemnika. Podwójne płyty 76 są zastosowane w razie konieczności.

Warstwa pośrednia posiada wypełnienie regulujące termiczny współczynnik rozszerzalności elastomeru do poziomu zbliżonego do stali (12 · 10⁶ mm/mm/°C) dla zapobiegania rozwarstwianiu spowodowanego przez zmiany temperatury.

Powstała pokrywa luku ma wytrzymałość co najmniej równą wytrzymałości typowych całkowicie stalowych konstrukcji i ma konstrukcję znacznie prostszą dzięki zmniejszeniu długości spoin, jak również wymaganej liczby elementów usztywniających i innych.

Obecny wynalazek został opisany powyżej głównie z odniesieniem do zastosowania w budowie statków. Jednak wynalazek jest także przydatny w innych zastosowaniach, zwłaszcza tych, gdzie są oczekiwane wysokie obciążenia styczne i poprzeczne, gdzie wymaga się dużej wytrzymałości na rozerwanie lub gdzie konieczne jest ograniczenie propagacji pęknięć zmęczeniowych.

Claims (17)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Człon laminatowy konstrukcyjny, zawierający pierwszą metalową warstwę mającą pierwszą wewnętrzną powierzchnię i pierwszą zewnętrzną powierzchnię, drugą metalową warstwę mającą drugą wewnętrzną powierzchnię i drugą zewnętrzną powierzchnię, przy czym druga metalowa warstwa jest oddalona od pierwszej metalowej warstwy, a pomiędzy nimi jest usytuowana pośrednia warstwa, znamienny tym, że pośrednia warstwa (2) zawiera elastomer umieszczony pomiędzy powierzchniami wewnętrznymi pierwszą i drugą warstw metalowych (1, 3) i przylegający do nich, przy czym ten elastomer ma moduł sprężystości E równy lub większy niż 250 MPa i plastyczność większą niż warstwy metalowe (1,3).
2. 2. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że elastomer ma moduł sprężystości równy lub większy niż 275 MPa.
3. 3. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że elastomer ma wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie co najmniej 20 MPa.
4. 4. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że elastomer jest zwarty.
5. 5. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 4, znamienny tym, że całkowita objętość pustych przestrzeni w elastomerze warstwy pośredniej (2) jest mniejsza niż 20% całkowitej objętości warstwy pośredniej (2).
6. 6. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że elastomer jest poliuretanem.
7. 7. Człon laminatowy konstrukcyjny według z^^tr^^. 1, tym, że pośrednia warstwa (2) ma grubość w zakresie od około 20 do około 100 mm.

   PL 195 218 B1
8. 8. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, zż warstwy metalowe pierwsza (1) i dzggs (3) są kCsarsłrowssd ad srali.
9. 9. Człon l aminatowy konstrukcyjny według zzt^tr^^. 1, znamienny tym, zet każdaz warstw metalowych pierwszej (1) i drugiej (3) ma grubość w aaCresie od około 3,5 do około 25 mm.
10. 10. Człon laminatowy konstrukcyjny według zastrz. 1 albo 7, albo 8, albo 9, znamienny tym, że sroskseC yałCowirej grubości warsrw meralowyyh pierwszej (1) i drugiej (3) do grubości pośredniej warsrwy (3) zawiera się w aaCresie od 0,1 do 2,5.
11. 11. Sposób wytwaazania czaonu laminatowego konstrukcyjriego obeemujący umieszczanie warsrw meralowyyh pierwsaej i drugiej w oddaleniu od siebie i rworaesia wsęCi sa warsrwę pośrednią pomięday simi, znaminnny tym, że urworaosą wsęCę sa warsrwę pośredsią wypełsia się sie urwardaosym elastomerem, Cróry po urwardaesiu ma moduł sprężysrośyi E rówsy lub więCsay siż 250 MPa i plasryyasość praewyżsaająyą plasryyasość meralowyyh warsrw, po yaym urwardaa się res elastomer raC, że przylega do warsrw meralowyyh pierwsaej (1) i drugiej (3).
12. 12. Sppoób według zastrz. 11, znamienny tym, że wygeto-sanie prowadzi się; przy minimaIlzowasiu porywasego powierraa raC, że udaiał objęrośyi pusryyh praesrizesi po urwardaesiu jesr msiejsay siż 20%.
13. 13. Sppoób według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że pr^eć wypetnianiem kszłatłujn sśę we wsęye yo sajmsiej jedes wylor odpowierraająyy.
14. 14. Spooch według zastrz. 13, znamienny tym, że wyloo odpowietrza-ący uszczelnia εϊξ? po urwardaasiu elastomeru.
15. 15. Spooch według zastrz. 11, znamienny tym, że preed wypeeiianiem wnęki urm^^^ł^ί^ł- sśę elemesry dysrassowe (4A, 4B, 4C) do urraymywasia roadaielesia meralowyyh warsrw pierwsaej (1) i drugiej (3) podyaas erapów wypełsiasia i urwardaasia.
16. 16. Spooch według zastrz. 15, znamienny tym, że elementy dystansowe (4B, 4C) umieszcza się rworaąy Crawędaie boyase wsęCi, pizy yaym pośredsią warsrwę (2) elastomeru Csarałtoje się jaCo wgłębiosą waględem yo sajmsiej jedsej Crawędai pomięday warsrwami metalowymi pierwsaą (1) i drugą (3) z urwor'aesiem margisesu do spawasia.
17. 17. Zastosowasie yałosu lamisatowego CosstruCyyjsego według zastrzeżeń 1-10 do budowy łodzi lub srarCu.