船体箱型梁抗冲击防护结构

摘要

本发明的目的在于提供船体箱型梁抗冲击防护结构，包括箱型梁、上甲板、下甲板、船外板，箱型梁分别安装在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面为箱型梁内板、箱型梁外板以及两块箱型梁支撑板组成的四边形结构，箱型梁内板、箱型梁外板为对边且长度均为a，两块箱型梁支撑板为对边且长度均为b，在两块箱型梁支撑板上分别安装用于连接上甲板、下甲板和船外板的连接板，上甲板、下甲板、船外板采用复合材料。本发明强度特性好，抗爆性能好，剩余强度高，有利于减轻舰船重量，有利于保护重要管道和线缆，有利于提高建造速度、质量控制和维修。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种船舶设计领域的船体结构。

背景技术

传统板架式舰船结构沿用数百年，被实践证明是一种可靠的结构形式，但未必是最优的船体结构形式。在建筑行业，起初楼房建造方式与舰船建造相仿，使用整体式的砖混结构，所有墙体都参与总强度，但后来人们发现，使用框架式结构不但能减轻重量，还具有抗震性能好，稳定性和坚韧性高等诸多优点。从仿生学的角度看，鱼类的总纵强度只是靠脊椎这样的“强梁”来保持，鱼的横向强度靠肋骨来维持，而鱼的型线是靠皮肉来保持。因此，舰船设计可以借鉴建筑领域的成功经验，利用仿生学带来的灵感，建造更优的舰船结构。箱型梁为“骨”而复合材料为“皮肉”的舰船结构就是基于以上考虑因素设计的新型船体结构形式，亦即“刚柔并济”的船体。这种船体结构的特点是箱型梁承担全部的总强度，而船体型线和必要的使用刚度由轻质高强的复合材料结构来保证。

箱型梁框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期，且箱型梁的尺寸相对舱段要小得多，焊缝集中，便于质量控制，应用于船体抗冲击方面具有广阔的前景。研究表明，装有箱性结构的船舶可以提高剩余强度，而且带有箱形结构的板架结构的极限强度有较好的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供提高船舶的抗冲击性能，保证船舶受损之后拥有足够的生命力的船体箱型梁抗冲击防护结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明船体箱型梁抗冲击防护结构，其特征是：包括箱型梁、上甲板、下甲板、船外板，箱型梁分别安装在上甲板、下甲板、船外板上，所述的箱型梁的剖面为箱型梁内板、箱型梁外板以及两块箱型梁支撑板组成的四边形结构，箱型梁内板、箱型梁外板为对边且长度均为a，两块箱型梁支撑板为对边且长度均为b，在两块箱型梁支撑板上分别安装用于连接上甲板、下甲板和船外板的连接板，上甲板、下甲板、船外板采用复合材料。

本发明还可以包括：

1、所述的安装在船体外板和上甲板上的箱型梁的尺寸取a∶b＝1～2∶1，箱型梁间距取为0.8a～2a。

2、所述的安装在下甲板的箱型梁的尺寸取a∶b＝2.5～3∶1，箱型梁间距取为1.5a～3a。

3、箱型梁外板的厚度与船体外板厚度相等或比厚船体外板1～2mm，箱型梁内板较箱型梁外板厚度小2～4mm，箱型梁支撑板厚度等于箱型梁内板厚度或比箱型梁内板厚度小1～2mm，连接板长度取为1/4a～1/3a。

本发明的优势在于：

1)强度特性好，实现局部强度与总体强度的解耦。传统船体的局部强度和总体强度是不可分割的，船体局部一旦破损，则局部强度马上不复存在，如果破损发生在甲板和船底部位，则对总强度影响很大。而箱型梁船体即使产生局部破损，只要箱型梁完好无损，则对总强度没有影响；

2)抗爆性能好，剩余强度高。传统板架结构的抗爆性能进步空间已经很小，纯粹在总重一定的情况下从板厚和骨材尺寸角度对其抗爆性能进行优化的效果微乎其微，最有效的方法还是增加板厚和型材的尺寸，但实际上这并不现实，大量增加的重量将使舰船其它性能严重下降。而箱型梁本身材料厚度很大，强度很高，具有比板架高得多的抗爆性能。

3)有利于减轻舰船重量。箱型梁将主要布置在船底和甲板，这两处都远离中和轴，对强度的贡献最大，材料的利用率高。而横剖面中部的其它部位使用轻质的复合材料，一般只为钢材密度的几分之一，这样可以大大减轻结构重量，省出的部分重量可以继续增加箱型梁的构件尺寸，进一步提高其强度；

4)有利于保护重要管道和线缆。箱型梁本身是一种空心结构，是管道和线缆的良好载体，但是它的空间有限，只能容纳有限数量的管道和线缆。由于箱型梁壁厚很大，能够抵御相当程度的爆炸攻击，有利于保护其内部的线缆；

5)有利于提高建造速度、质量控制和维修。箱型梁框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；箱型梁的尺寸相对舱段要小得多，焊缝集中，便于质量控制。而蒙皮的复合材料不参与强度，质量控制标准可相对降低。蒙皮与箱型梁的连接采用铆接、螺栓等物理连接，蒙皮更换方便，便于维修。

附图说明

图1是传统纵向加强构件船体横剖面图；

图2是本发明横剖面图；

图3是箱型梁局部结构图；

图4是箱型梁局部结构尺寸图；

图5是单个箱型梁模型图；

图6是箱型梁与复合材料连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明防护原理及设计原则：

同传统材料相比，复合材料在力学性能上有以下特点：从传统的力学分析观点来看，连续纤维增强聚合物复合材料是由干纤维和高聚合物两种材料组成，比强度(σ_b/ρ)和比模量(E/ρ)较高，具有可设计性。纤维增强复合材料是由两种或两种以上不同强度和模量的材料组成，而且多数又是每一铺层方向可随意设置的层合材料结构，所以可以改变组分材料的种类和含量，以及铺层方向和顺序，使之在一定范围内满足结构设计中对材料强度、弹性和方向性的要求。这在通常的金属材料的结构设计中较难实现。本发明便充分利用复合材料上述特点。

船舶在设计抗损结构形式时，选择的总体原则是：

1)有利于结构强度的增强；

2)有利于提高结构抗爆性能和剩余强度；

3)有利于结构抵抗战斗损伤和防护设计；

船体箱型梁新型抗损结构能满足上述要求，而且对船体的重量、航行性能影响很小，能较大提高船体的总纵强度。通过对现有船体改装箱型梁抗损结构可以提高船体的强度，延长船体的使用寿命，提高舰船的生命力。如果新船设计采用箱型梁抗损结构，还有利于节省钢材，降低船舶造价。

结构设计技术方案：

基于以上防护原理及设计原则，船体箱型梁抗冲击结构在保证船体重量不增加的情况下，重新分配钢板质量，把原来大部分质量分配在箱型梁板厚上，没有箱型梁的外板应用复合材料，在箱型梁设计好之后把剩下的质量全部分给复合材料板的板厚上，蒙皮的复合材料与箱型梁的连接采用铆接、螺栓等物理连接，蒙皮更换方便，便于维修。这样船体重量没有增加，而整个船体的强度却提高很多，从而提升船舶的抗爆抗冲击性能。

具体技术方案如下：

1)利用箱型梁强度大，不易破损特性，可以有效为船外板提供支撑，大大提高整个船体的强度，抗爆抗冲击能力更好。如图4所示，数值模拟分析得出a∶b＝1～3∶1时抗冲击能力最好，因此船体外板和上甲板等受冲击概率较大易损坏的部位箱型梁尺寸取为a∶b＝1～2∶1，下甲板等对强度要求稍低的部位a∶b＝2.5～3∶1。箱型梁外板厚与船体外板厚度相当或厚1～2mm，内板较外板厚度小2～4mm，冲击要求不高的部位内板和外板厚度可相等并且都取较小值。支撑板厚度等于内板厚度，或小1～2mm，连接板长度取为(1/4～1/3)a，其长度和两铆钉位置可根据实际需要进行调整。

2)箱型梁的位置和数量由船体重量要求和抗冲击要求权衡考虑布置，但箱型梁的间距不能过大，否则会出现明显的应力集中，对强度不利。在船体外板和上甲板等受冲击概率较大易损坏的部位箱型梁间距取为0.8a～2a，下甲板等对强度要求稍低的部位箱型梁间距取为1.5a～3a。其它非关键部位采用比强度大、比模量大的复合材料，减轻结构质量，发生有效的吸能变形模式，可以吸收较多的能量。

3)由于全船采用强度较大的纵向箱型梁结构，使整个船体形成一个整体，载荷被均匀的传递到全船各个部位，从而降低了局部外部载荷的冲击强度，达到提高整个船体生命力的目的。

图1中①为传统船体上甲板，②为下甲板，③为双层底，④为传统纵向加强构件；

图2中⑤为改装箱型梁结构后船体的上甲板，⑥为下甲板，⑦为箱型梁纵向加强构件；

图3中I表示使用传统钢材材料区域，II表示使用复合材料区域，其它部位材料布置相同，即箱型梁采用传统钢材，其它板材使用复合材料；

图4说明箱型梁a和b位置的板厚，⑧为箱型梁内板，⑨为箱型梁支撑板，⑩为箱型梁外板；

图5为单个箱型梁模型示意图及各个板的说明；⑧、⑨、⑩表示意义与图4相同，为箱型梁与复合材料的连接板；

图6表示箱型梁与复合材料连接示意图，可采用螺栓或铆钉连接。实际中根据需要决定采用那种连接形式，在此给出铆钉连接的形式图，表示为铆钉连接，表示两端用两个铆钉连接，表示复合材料层合板。

要保证船舶遭受某种程度的破损后仍能有一定的生命力，就需要采用有效的船舶防护结构。船舶设置防护结构的目的，是为了有效地抵御各种意外的冲击，保证船舶在一定损伤允许的范围内，仍能漂浮于水面保持一定的抗沉性，从而提高舰船舶的生存能力。对于民船所受冲击载荷一般主要是碰撞和搁浅事故中的碰撞力载荷。因此，采用新型有效的抗冲击防护结构对提高船舶生命力是必要的。

由于该发明为一种新型船体抗冲击防护结构形式，替代传统纵向球半钢、T型材等纵向加强构件，并未涉及具体某型船舶，因此应用范围很广。但是，针对不同吨位、不同船型的船体，箱型梁的布置区域与箱型梁板厚尺寸等可以根据国际公约、准则及船级社的相关规范做以合理的调整。一般情形下，箱型梁在船底和甲板处的尺寸较大、板厚较厚、数量较多，箱型梁外板和内板的厚度较大，且外板大于内板的，支撑板厚度相对较小。箱型梁不宜过大，根据具体船舶的大小在保证重量不增加的前提下合理分配箱型梁的大小、位置及板厚，确定复合材料板厚，具体板厚可参考结构设计技术方案。

这里以球扁钢为纵向加强构件的某小型船舶为例，如图1所示，进行箱型梁结构改进，改进后如图2所示，来提高该船的抗爆抗冲击性能，具体实施方式如下：

1、计算原船横剖面面积

根据计算软件绘制船体横剖面图，计算包括纵向加强构件在内的横剖面面积。若设计新船，不是改进船型可跳过此步。

2、确定箱型梁板厚和数量

根据计算的原船横剖面面积，在不超过此面积的情况下分配箱型梁板厚，确定箱型梁的数量及复合材料板厚。新船可直接在重量的要求，确定箱型梁的板厚数量及复合材料外板厚度，具体板厚要求参考结构设计技术方案。

3、焊接工艺要求

箱型梁的焊接采用CO₂气体保护焊，焊接工艺标准严格按照船级社相关焊接规范要求，并结合船厂具体施工工艺要求限制。

4、箱型梁和复合材料层合板的连接

如图6所示，箱型梁与复合材料连接示意图，箱型梁连接板和复合材料层合板采用铆接连接形式，两端用分别用两个铆钉连接。