船体结构计算（船体薄板的变形原因及其控制方法）

船体是由钢板拼接而成，钢板的厚度，是船体是否坚固的重要因素之一。船体受力集中区域，采用厚板；船体受力非集中区域，采用薄板，比如船舶的上层建筑，基本采用薄板。在造船领域中，我们将8mm以下的钢板称为薄板，薄板在船体建造过程中极易发生变形，因此，薄板的变形控制是造船生产中极为重要的一环。

薄板技术是豪华邮轮成功建造的关键技术

所有厚度的钢板，在成为船体结构的制造过程大体是相似的，但不同厚度的钢板，在加工期间产生的变形程度却不一样。20mm以上的厚板，经过切割、焊接，也不会发生明显的变形，而薄板就不一样了，只要经过数切、焊接等工序，就会发生较大的变形。除了运输、吊装、存放会使钢质船体结构受到外力的作用产生冷作变形外，切割、焊接的热量是造成薄板变形的主要因素。

薄板热变形的主要原因

根据生活中的物理常识，两只相同功率的电热壶，一只里盛了0.1升的水，另一只里盛了1升的水（气压相同，水质相同），同时开始加热，0.1升的水很快就沸腾了，而1升的水需要更多的时间才能沸腾，薄板好比0.1升的水，厚板好比1升的水，在相同温度的加热源的作用下，薄板自然更加容易变形。

我们用严谨的物理公式来推导一下薄板为什么更加容易变形（热力影响），物理学中的比热容公式为：C=Q/m（ΔT），C为比热容，Q为吸收的热量，m是物体的质量，ΔT是吸热后温度的变化量。根据比热容公式，我们可以得知：同种物质的比热容一般不随物质质量、形态的变化而变化，在本次推到过程中，薄板和厚板的材质是相同的。具体推导过程见下图所示：

从公式推导的结论来看，在同等温度输入的情况下，薄板需要少量的热量即可达到变形临界温度，厚板需要相对更多的热量才能达到变形临界温度，这就是薄板为什么更加容易发生变形的原因(热力影响)。

薄板变形的因素很多，比如自身约束能力不足，刚性小。在生产过程当中受到的机械外力的作用便会变形，我们将这种变形称为：冷变形，冷变形是薄板变形的次要因素。切割、焊接的热输入是薄板变形的主要因素，薄板热变形的控制是造船业中的让人头疼的难题之一。

薄板变形的控制应融合到船体结构制作的全过程之中，此外在每个工位都应有相应的消除变形的措施，只有做好过程控制和消除措施，最终才能得到优质产品。

原材

钢板在钢厂经过冶炼、轧制成形，反复经过多次高温加热、冷却和机械碾压，表面上规整的钢板内部其实存留了复杂多样的应力。从钢厂到船厂的料场存放时间有限，不足以自然消除这些乱向内应力，所以在进入造船流程前要首先消除一部分钢板的原始应力，具体的措施便是：辊平和预处理。对于薄板，辊平和预处理是必不可少的工序，只有将薄板内部的乱向内应力消除，薄板才能流向下道工序。

根据物理学知识，我们知道力不但有大小，而且还有方向，学名称为“矢量”。存留在钢板原材中的力是一种内力，尽管很难测定其大小和方向，但确实存在于钢板内部。如果不消除钢板内部的内应力，在后续的实际生产过程中，这些内应力会导致薄板发生局部变形，给生产带来不必要的麻烦。

如何消除钢板内部的乱向内应力呢？我们利用钢辊和高速的钢丸在钢板的上下表面同时施力和击打，使那些不平行于钢板表面的矢量力消失，就是钢板辊平和预处理的重要目的之一。

钢板辊平过程中内应力变化的示意图

切割

大多数的钢板在成为船体结构的一部分时都要由切割而来，薄板也是如此。当前船舶行业对钢板的切割都是在切割位置产生高热，使钢板局部熔化，进而用高压气体将熔渣吹开，达到将钢板“切”开的目的。钢板的切割其实就是一种“热加工”。

等离子数切记

用简单的物体 “热胀冷缩”原理就可以解释钢板切割变形的原因。切割机将热量输入到钢板，造成钢板内部金属晶体间隙增大，产生“热涨”，钢板局部出现变形。当切割完成后，受热的局部急剧冷却，膨大的金属晶体间隙，没能来得及“冷缩”回原有的状态，变形就被定格了。

提高切割速度是减轻钢板切割变形的主要方法。根据常识，当我们的手快速通过燃烧蜡烛的上方时，你并不会感到很热；但你慢慢地经过时就会忍受不了，尽管蜡烛燃烧的温度没变，这说明：物体通过高温区域的速度，与物体接收的热量成反比。在相同的温度下，物体的速度越快，传递到内部的热量越少，反之则多。

快速切割是降低钢板切割变形的有效方法。除了切割原理不同之外，等离子切割机的速度是传统氧 燃气切割机的三到四倍，用等离子切割钢板吸收的热量大为减少，从而变形大大降低。对于薄板而言，激光切割的速度又快于等离子，所以如果有大量的薄板需要切割，激光切割机是必选，一个造船企业，要想制造豪华邮轮，激光切割机是必不可少的设备。

焊接

切割是将钢板按设计要求“分开”，而焊接则相反，是将不同的船体构件“连接”在一起。当今船体结构的焊接，就是利用电弧产生的热量，熔化附熔金属，将钢铁物体拼合或粘接在一起。同切割一样，都要在结构局部输入热量，从而使构件产生变形。由于热容量的关系，薄板在焊接过程中，更加容易变形。

无论何种焊接设备和方法的焊接速度都远远低于等离子切割机的切割速度，提高焊接速度来减小焊接变形在现阶段的意义不大。造船技术人员已经总结出了行之有效、多种多样的控制和消除薄板焊接变形的方法，广泛地在造船生产中应用。

01严格控制焊喉高和焊道盈余高

造船规范和CSQS详细的规定了各种焊角的焊喉高和焊道的盈余高。往往实际形成的高度要大于规定值。焊角和焊道高度的增加，不仅造成了电力的浪费和焊接材料的无益消耗，更为严重的是由于热输入量的增加，带来结构更大的变形。

在造船生产中，造船企业大量引进高效自动焊等高科技的焊接设备，工作人员只需提前设置好焊接的电流、电压、速度等参数，焊接机器便可进行精准焊接，减少人为干扰因素。目前，高效自动焊接设备已经被广泛应用于造船生产当中。近年来，随着我国人口老龄化的持续加剧，劳动力已经持续短缺，焊接机器人的大量推广势在必行。

焊喉高和焊道盈余高 标准

02严格控制焊接顺序

焊接顺序的正确与否，也是控制和减少薄板焊接变形的关键。在焊接时，对接焊要求先短后长、先横后纵，角接焊必须先立后平，先间断后连续。薄板分段整体焊接时，为减轻焊接变形，封焊顺序要求由中向四周辐射封焊。焊接顺序对薄板分段的变形控制至关重要，在施工时，需要严格按照施工工艺文件执行。

正确的焊接顺序可大幅减小薄板的变形程度

03给薄板增加约束

自由状态下进行焊接和有约束的焊接产生的焊接变形是大不一样的。有效的约束可以使焊接变形减少60%，对于薄板约束的效果更加显著。船体结构在焊接可以采用的约束方法相当简单，主要是“封胎”、在薄板的四周边缘加装临时加强构件、在焊道附近加重物或磁力束缚等办法。

绷梁对薄板进行约束

04背烧

背烧的原理通俗一些讲就是“以毒攻毒”的办法来治病。进行构件与平板填角焊时，产生的热输入造成了构件区域薄板的不明显的角变形。在焊道背面再次加热，抵消焊接产生的残余应力，达到减少薄板内在应力的目的，为后工序继续安装和施焊创造良好的条件。

施工时需严格按图施工

背烧要在结构整体翻身后实施。背烧要讲究加热温度，对于薄板背烧的加热温度要控制在300～400℃之间，温度不够效果不好，温度过高反而会将变形明显。

背烧顺序至关重要，直接决定背烧效果

05水火矫平

薄板结构完工后如果出现整体弯曲或边缘带呈波浪状或局部出现鼓包等现象，说明上工序控制变形出现了问题，造成了较严重的变形。修复薄板结构变形首选的办法是水火矫平。

水火矫平是在薄板构件的反面进行高温加热后快速冷却，利用反向收缩力矩抵消一部分焊道收缩的引起的弯曲变形和鼓包。

火焰的加热温度应控制在600～800℃，这种温度既不会对钢板的材质造成影响，又对消除变形较有效。加热钢板表面出现褐红色或樱红色时，就是600～800℃了，这时就要立即用水冷却。

加热的方式有三种，第一种为线状加热，对消除薄板结构整体的弯曲变形有效；第二种为圆点加热，对局部鼓包的消除有作用；第三种为三角形加热，对减弱波浪变形有效果。

火工矫正的加热方法

吊运和存放

由于薄板和其结构的强度和刚度较低，吊运和存放时不能过于随意，否则薄板在其它外力的作用下极易发生物理变形，为后续施工带来不必要的麻烦。

薄板的单板必须使用磁力吊吊运，板列翻身应用吊杠辅助。合理的布置吊点，降低每个吊点位置的集中力，使其受力相对均匀。存放时支点位置非常重要，不能因为重力分配不均，导致薄板结构的塑性形变。

大功率磁力吊

航空母舰、液化天然气（LNG）船和大型邮轮被喻为造船业皇冠上的三颗“明珠”，航空母舰、液化天然气(LNG)船已被国内重点造船企业成功攻克，唯一尚未攻克的便是大型豪华邮轮，而薄板变形控制技术是豪华邮轮成功建造的核心技术，随着国内豪华邮轮项目的成功签单，相信在中国造船人的不断努力下，薄板变形控制技术必将取得新的突破，让中国制造更上台阶！

,