CN103144739B - 主动分离型球鼻艏的制造方法 - Google Patents

主动分离型球鼻艏的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种主动分离型球鼻艏的制造方法，该方法包含以下步骤:A、选择材料：选择高强度材料；B、材料成型：根据球鼻艏与主船体连接部位的尺寸和形状，将上述高强度材料加工成相匹配的尺寸和形状；C、安装：在球鼻艏与主船体连接部位，采用焊接、粘接、或镶嵌工艺安装上述高强度材料，用于连接球鼻艏与主船体；D、打磨处理：打磨上述连接部位，使球鼻艏与主船体之间有着平滑的过渡连接；E、防锈处理：采用喷砂涂底漆；F、无损水密检查：对球鼻艏与主船体连接部位无损水密检查。所述高强度材料是低合金高强度金属材料，其屈服强度值不小于390Mpa，本发明可降低船舶发生碰撞时球鼻艏对对方船体造成的伤害。

Description

主动分离型球鼻艏的制造方法
技术领域
本发明涉及一种船舶部件的制造方法，具体涉及一种主动分离型球鼻艏的制造方法。
背景技术
球鼻艏结构对于减小高速船舶的兴波阻力以及低速船舶的粘压阻力方面有独到的益处，长期以来，被大量的船舶设计者所采用，特别是在集装箱船的设计上面。然而球鼻艏是船艏部突出船体的一部分，伸出的长度很长，在航行的途中，如果它同其它的船舶发生接触，可能会嵌入对方的船体之中，造成对方船舶货物的泄漏。对于油船、化学品船以及装载核燃料等一类危险货物的船舶，如果舱室被撞破，必然会导致危险货物的泄漏，此类事故往往会造成灾难性的后果。
常规的方法，为了解决上述的伸出的球鼻艏会刺入被撞船舶舷侧进而导致被碰撞船舶舱室破裂的问题，人们考虑的主要是通过降低球鼻艏结构的强度和刚度，使球鼻艏结构能够发生较大的变形，降低碰撞的接触力，使得球鼻艏结构吸收更多的碰撞能量。如以下专利文献所提出的专利方法：
1.US4323026  2.JP8164887  3.DE200510028331
一方面，由于球鼻艏的刚度一般而言远大于被碰撞船舷侧的刚度，通过改变球鼻艏的结构形式或者尺寸，使其刚度小于被碰撞船舷侧的刚度，以实现在碰撞过程中球鼻艏主动变形破坏的碰撞保护方法实施起来非常的困难。另一个方面，由于球鼻艏结构需要承受复杂的波浪载荷，如果仅从碰撞保护角度出发，单纯地降低球鼻艏结构的强度会导致其承受常规的波浪载荷的能力下降。第三个方面，若减小球鼻艏的强度，那么在常规的载荷条件下球鼻艏结构容易产生永久性的塑性变形，影响球鼻艏的使用性。
专利号：JP2004314825所涉及的另外一种现有的船舶碰撞防护方法，该方法为了为了降低球鼻艏的横向强度，使球鼻艏在横向载荷条件下容易弯曲变形，采用了塑性应变较大的低屈服强度的材料替换部分的球鼻艏外板材料，该方法通过将球鼻艏部分外板材料替换为屈服强度较低的材料或者屈服应力小于235MPa的低屈服极限材料，使得船舶在非垂直碰撞过程中，球鼻艏在弯矩作用下会比较容易发生弯曲变形，通过球鼻艏的变形吸收更多的碰撞能量，减小球鼻艏对对方船舶舷侧造成的损坏。但是，这种方法有以下的不足：
1，将部分材料替换为低屈服强度的材料，降低了球鼻艏的结构强度，不可避免地会降低球鼻艏结构承受外部载荷的能力。
2，将部分材料替换为低屈服强度的材料，降低了球鼻艏的结构强度，球鼻艏在外载荷作用下容易产生不可恢复的塑性变形。
3，由于普通低碳钢断裂极限应变很大，球鼻艏端部结构破坏后，球鼻艏突出的结构依然存在，不会与主船体分离，碰撞过程中依然会对对方船舶造成后续损伤。
常规的分析带有球鼻艏的船舶与其它船舶的碰撞问题，一般都假定其它船舶静止，带有球鼻艏的船舶主动撞击其它船舶这样一种碰撞情形。但是这种碰撞情形不符合实际。实际的碰撞事故中，一般而言发生碰撞的两船都有一定的航速。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动分离型球鼻艏的制造方法，使得与其它船舶发生碰撞的过程中，球鼻艏和主船体连接处的高强度材料能够发生主动破坏，通过该种高强度材料的破坏，使得球鼻艏与主船体发生分离，避免球鼻艏嵌入到被碰撞船舶的舱室中，从而极大地防止了被碰撞船舶舱室的破坏，防止了有害物质的泄漏。。
本发明通过这样的技术方案解决上述的技术问题：一种主动分离型球鼻艏的制造方法，该方法包含以下步骤:
A、选择材料：选择高强度材料；
B、材料成型：根据球鼻艏与主船体连接部位的尺寸和形状，将上述高强度材料加工成相匹配的尺寸和形状；
C、安装：在球鼻艏与主船体连接部位，采用焊接、粘接、或镶嵌工艺安装上述高强度材料，用于连接球鼻艏与主船体；
D、打磨处理：打磨上述连接部位，使球鼻艏与主船体有着平滑的过渡连接；
E、防锈处理：采用喷砂涂底漆；
F、无损水密检查：对球鼻艏与主船体连接部位无损水密检查。
进一步的改进在于，所述高强度材料是低合金高强度金属材料。
进一步的改进在于，在球鼻艏外板与主船体外板连接部位，安装所述低合金高强度金属材料。
进一步的改进在于，所述低合金高强度金属材料的屈服强度值不小于390Mpa，该低合金高强度金属材料的屈服强度大于与其相邻的主船体外板材料和球鼻艏外板材料的屈服强度。
进一步的改进在于，所述低合金高强度金属材料的厚度小于与其相邻的主船体外板和球鼻艏外板的厚度，并且所述低合金高强度金属材料的中心处厚度小于该低合金高强度金属材料和与其相邻的主船体外板和球鼻艏外板连接处厚度。
进一步的改进在于，所述低合金高强度金属材料和与其相邻的主船体外板和球鼻艏外板连接处采用平滑连接。
进一步的改进在于，所述低合金高强度金属材料的质量配比百分比包括：碳不大于0.2；硅不大于0.55；磷不大于0.045；硫不大于0.045；钒不大于0.2；铌不大于0.06；铊不大于0.2；铝不大于0.7；铬不大于1.2；镍在0.45到1.5之间；锰在1.3到1.6之间。
进一步的改进在于，所述采用焊接工艺用的焊剂就是低合金高强度金属材料。
进一步的改进在于，所述焊剂的质量配比百分比包括：碳不大于0.15；硅不大于0.8；磷不大于0.03；硫不大于0.03；钒不大于0.05；铝不大于1.8；铬等于0.15；镍在2到2.6之间；锰在1.75到2.25之间，钼在0.35到0.65之间。
进一步的改进在于，所述焊剂可以替代低合金高强度金属材料，直接将球鼻艏外板与主船体外板焊接成型即可。
本发明具有以下优点：
高强度材料，一般而言其塑性比常规的低强度材料差，而脆性却比常规的低强度材料好，并且随着强度的提高，高强度材料的塑性降低，脆性特征越来越明显。并且，高强度材料在一定的低于常规的低强度材料的应变情况下，会发生断裂，并且裂纹扩展较快。本发明运用高强度材料的这种脆性断裂性质，在不降低球鼻艏结构强度的前提下，利用高强度材料的破坏，实现控制球鼻艏与主船体结构发生分离，达到船舶碰撞防护的目的。
（1）球鼻艏处材料的替换是在不降低球鼻艏本身强度的条件下进行。
（2）已有技术是通过设法让球鼻艏结构能发生大面积的变形，通过球鼻艏结构的变形来吸收船舶碰撞的动能，而本发明中的装置是通过使球鼻艏折断，减小球鼻艏的长度，从而降低伸出的球鼻艏刺穿对方船舶的货舱舱壁的可能性这个方面来实现碰撞的防护的。
（3）已有技术(专利号：JP2004314825)是通过使用屈服强度较低的金属材料，设法让球鼻艏结构在碰撞过中容易发生弯曲变形，通过球鼻艏结构的弯曲变形来降低碰撞接触力。而本发明中的装置是通过使球鼻艏折断，减小球鼻艏的长度，从而降低伸出的球鼻艏刺穿对方船舶的货舱舱壁的可能性这个方面来实现碰撞的防护的。
附图说明
图1A一种主动分离型球鼻艏结构的示意图；
图1B一种主动分离型球鼻艏结构的示意图；
图2A对应于图1A的A-A横向剖面的示意图；
图2B对应于图1B的A-A横向剖面的示意图；
图3A对应于图1A的B-B横向剖面的示意图；
图3B对应于图1B的B-B横向剖面的示意图；
图4主动分离型球鼻艏结构水平C-C剖面示意图；
图5主动分离型球鼻艏结构的水平C-C剖面，D区域局部放大视图；
图6船舶碰撞示意图；
图7主动分离型球鼻艏碰撞效果示意图；
图8本发明制造方法工艺流程图。
图中：1.主船体2.被碰撞船货舱区3.被碰撞船外壳
4.被碰撞船纵向舱壁5.球鼻艏6.球鼻艏外板7.高强度材料
8.主船体外板9.横向强框架10.横向普通框架
具体实施方式
实施例一：
下文将对这种主动分离型球鼻艏做详细的描述，包括使用高强度材料替换普通的低碳钢材料。这种高强度材料具有一定的特性，这些特性包括：屈服强度高，较明显的脆性，低的断裂应变值。
在船体上使用主动分离型球鼻艏，可以极大地减小球鼻艏对于对方船舶的威胁。在高能量的撞击过程中，通过使该段高强度材料发生破坏而实现球鼻艏与住船体分离，减小球鼻艏对于对方船船体结构的破坏；在低能量的撞击过程中，高强度材料基本上处于弹性范围内，球鼻艏的变形基本上能恢复到其原始的形状，并保持足够的完整性，以抵抗以后的撞击。
具体地参见附图，图1A和图1B按照本发明技术方案所设计的两种主动分离型球鼻艏结构的示意图，如图1A和图1B所示：其中黑色区域部分7为高强度材料7，其余结构的形式以及尺寸可以按照现行的船舶建造规范来确定。
高强度材料7的厚度按照材料等强度替换的原则来确定，如：常规情况下板厚为18mm的屈服强度为235MPa的球鼻艏外板6，替换为屈服强度为690MPa的高强度材料板7，板厚可以选为(18×235)÷690=6.13(mm)就能满足初步的强度要求。
高强度材料7沿着船长方向（纵向）的尺度：
该船肋距为L0，高强度材料7的纵向长度可以为（1%～100%）×L0。
高强度材料7的纵向布置位置：高强度材料7布置在防撞舱壁以前，最好布置在球鼻艏内部的横向强框架9的前端，具体的位置可以按照横舱壁的位置以及使用的要求来确定，如图1所示，该高强度材料7布置在横向强框架9的前方。
高强度材料7与常规船体材料的焊接过渡：为了防止由于板厚的变化引起的板连接处的应力集中，要保证在不同厚度板之间要平滑过渡，可采用打磨等工艺使焊接部位平整光滑。
以下是几组可供选择的低合金高强度材料的化学成分，但需要注意的是本发明可供选择的高强度材料并不局限于所列的几组。
表1：几组低合金高强度材料的化学成分质量配比百分比
以下是上述几组可供选择的低合金高强度材料的力学性能，但需要注意的是本发明可供选择的高强度材料并不局限于所列的几组。
表2：几组低合金高强度材料的力学性能
以下是几种可供选择的适用于焊接上述高强度材料的焊剂以及焊接方法，但需要注意的是本发明可供选择的用于焊接高强度材料的焊剂和焊接方法并不局限于所列的几种。
表3：可选择的现有技术焊剂
选择上述的一组低合金高强度材料以及对应的焊接方法，并运用上述的安装方法，本领域普通技术人员能清楚方便地实现本发明所述的技术方案。
实施例二：
为实现本专利所述的技术方案，一种更为简洁的替代方案是：用本发明的高强度材料焊剂将主船体外板和球鼻艏外板连接在一起。由于焊剂本身已经具有低合金高强度材料的各种力学性能，所以，可以完全不需要选择合适的低合金高强度材料，也不需要制造成型，而是直接用本发明的高强度材料焊剂将现有主船体外板和球鼻艏外板焊接在一起即可起到相同的脆性主动断裂性能。
以下是可供选择的本发明的几组低合金高强度材料焊剂，但需要注意的是本发明可供选择的高强度材料焊剂并不局限于所列的几组。
表4：本发明的几组低合金高强度材料焊剂的化学成分质量配比百分比
表5：本发明的上述几种低合金高强度材料焊剂对应的力学性能
组 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/%
1 ≥400 490～620 ≥20
2 ≥470 550～690 ≥19
3 ≥610 690～830 ≥16
4 ≥680 760～900 ≥15
选择上述的任一组本发明的低合金高强度材料焊剂，并运用上述的安装方法，本领域普通技术人员能够清楚方便地实现本发明所述的技术方案。
实施例三：
在球鼻艏外板与主船体外板连接部位，也可以部分安装所述低合金高强度金属材料。如图1B所示，所述低合金高强度金属材料的上下部分采用错位安装方式也可，图2B的A-A向剖视图清晰地表明了上部分材料是低合金高强度金属材料，下部分材料是现有球鼻艏外板材料；在球鼻艏外板与主船体外板连接部位，也可以采用间隔安装所述低合金高强度金属材料的方式，未图示。
如图6，按照上述的方法制造的主动分离型球鼻艏5，当船舶碰撞发生时，球鼻艏5与被碰撞船货舱区2发生接触，由于主船体1存在一定的航速，球鼻艏5会撞击被碰撞船货舱区2的舷侧使船舶货舱区2的被碰撞船外壳3发生变形。由于被碰撞船货舱区2也存在一定的向前的速度，沿着被碰撞船货舱区2的行进方向，球鼻艏5与被碰撞船货舱区2的舷侧会有相对的运动。一方面由于球鼻艏5嵌入到被碰撞船外壳3之中，相对的运动会导致被碰撞船外壳3对球鼻艏5有一个推挤作用；使球鼻艏5承受巨大的弯矩和横向的剪力；另一方面，由于球鼻艏5与被碰撞船外壳3之间存在着相对运动，二者之间存在相当大的摩擦力，摩擦力的效果是使球鼻艏5结构承受了很大的剪力。
当碰撞的能量比较大时，因为高强度材料7处的板比相邻的板材厚度薄，该位置处的应力比较大，当该位置处的应力达到该高强度材料的断裂应力时，该处的结构发生断裂，高强度材料7结构发生迅速破坏，碰撞船舶1的球鼻艏5的尖端与碰撞船舶的主船体结构实现快速分离。
如图7，由于主船体1与被碰撞船货舱区2的相对运动依然存在，球鼻艏5的前端会在被碰撞船外壳3的作用下，随着被碰撞船外壳3一起运动，然后与主船体1的主船体外板8脱离，从而实现球鼻艏5与主船体1的主船体分离。
如果此时主船体1还存在较大的航速，继续向前运动，继续作用于被碰撞船货舱区2。这个时候，由于球鼻艏5的长度缩短，并且两船接触界面的面积增大，球鼻艏5的前端嵌入被碰撞船货舱区2的可能性大大减小，从而可以避免被碰船舶纵向舱壁4的破坏，起到碰撞防护的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种主动分离型球鼻艏的制造方法，该方法包括以下步骤:
A、选择材料：选择高强度材料；
B、材料成型：根据球鼻艏与主船体连接部位的尺寸和形状，将上述高强度材料加工成相匹配的尺寸和形状；
C、安装：在球鼻艏与主船体连接部位，采用焊接、粘接、或镶嵌工艺安装上述高强度材料，用于连接球鼻艏与主船体；
D、打磨处理：打磨上述连接部位，使球鼻艏与主船体有着平滑的过渡连接；
E、防锈处理：采用喷砂涂底漆；
F、无损水密检查：对球鼻艏与主船体连接部位无损水密检查。
2.如权利要求1所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述高强度材料是低合金高强度金属材料。
3.如权利要求2所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：在球鼻艏外板与主船体外板连接部位，安装所述低合金高强度金属材料。
4.如权利要求3所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述低合金高强度金属材料的屈服强度值不小于390Mpa，该低合金高强度金属材料的屈服强度大于与其相邻的主船体外板材料和球鼻艏外板材料的屈服强度。
5.如权利要求3所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述低合金高强度金属材料的厚度小于与其相邻的主船体外板和球鼻艏外板的厚度，并且所述低合金高强度金属材料的中心处厚度小于该低合金高强度金属材料和与其相邻的主船体外板和球鼻艏外板连接处厚度。
6.如权利要求5所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述低合金高强度金属材料和与其相邻的主船体外板和球鼻艏外板连接处采用平滑连接。
7.如权利要求2所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述低合金高强度金属材料的质量配比百分比包括：碳不大于0.2；硅不大于0.55；磷不大于0.045；硫不大于0.045；钒不大于0.2；铌不大于0.06；铊不大于0.2；铝不大于0.7；铬不大于1.2；镍在0.45到1.5之间；锰在1.3到1.6之间。
8.如权利要求3所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述采用焊接工艺用的焊剂就是低合金高强度金属材料。
9.如权利要求8所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述焊剂的质量配比百分比包括：碳不大于0.15；硅不大于0.8；磷不大于0.03；硫不大于0.03；钒不大于0.05；铝不大于1.8；铬等于0.15；镍在2到2.6之间；锰在1.75到2.25之间，钼在0.35到0.65之间。
10.如权利要求9所述的主动分离型球鼻艏的制造方法，其特征是：所述焊剂可以替代低合金高强度金属材料，直接将球鼻艏外板与主船体外板焊接成型即可。
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