复合材料上层建筑建造工艺研究

高翠萍，彭劲松

（武昌造船厂集团有限公司，武汉 430060）

复合材料上层建筑建造工艺研究

高翠萍，彭劲松

（武昌造船厂集团有限公司，武汉 430060）

通过开展上层建筑钢骨架建造及复合材料壳板安装工艺研究，掌握复合材料分块敷设安装方法，形成复合材料上层建筑建造工艺方案，为舰船复合材料上层建筑建造及改装提供技术指导。

复合材料；钢骨架建造；壳板安装

0 引言

复合材料由于具有质量轻、强度大、无磁性、耐蚀性好及材料的可设计性等一系列优良特性，在理论研究和实际应用上引起了人们极大的关注。近年来，世界各国纷纷致力于复合材料的研究开发，许多国家对采用复合材料建造大型舰船上层建筑的可行性进行了评估，由于玻璃钢的屈服应力约为钢的10倍，因此在钢结构与复合材料上层建筑连接处产生疲劳断裂的可能性大大减小，同时复合材料上层建筑代替钢质上层建筑还可减轻重量，对于小型海军舰艇（长度小于20m）来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量[1]。复合材料还可以通过特殊的添加剂达到频率选择、吸波(声波、雷达波)的目的，具有良好的声隐身和磁隐身性能。

我国的复合材料起始于1958年，第一艘玻璃钢工作艇于当年在上海诞生。这之后通过不断的研制和开发，已建造了大小不一的百余种型号玻璃钢船艇，已造了200多艘；1992年在中国蛇口召开第二届国际高性能船舶会议，此后，广东地区掀起研制复合材料高速客船的热潮，先后研制了 40～100客位单体高速船，1995年还建成160客和225客高速双体气垫船，并与法国合作开发了双体机动帆艇[2]。我国复合材料事业经历了40多年的发展，取得了一定的成绩，打下了一定基础，但总的来说我们的发展速度还不够快，与发达国家还有一定的差距。

1 现状分析

目前我国舰艇上层建筑为全焊接结构，采用分段建造，反装形式，在胎架上先进行钢壳板的拼焊，后进行加强结构装焊的建造模式。新型舰艇及改装的上层建筑将由复合材料壳板取代钢质壳板，通过螺栓与结构钢骨架进行连接。

以往舰艇上复合材料结构的建造工艺大致为：先制造钢骨架，再将钢骨架运至复合材料厂家，在钢骨架上整体糊制玻璃钢，待其成型后运回，与艇体连接，该工艺可称为复合材料整体敷设安装。这种工艺在运输过程中，极易造成钢骨架的变形，耗费人力、物力、影响生产周期。

现在复合材料结构的建造工艺：先制造上层建筑钢骨架，同时预制复合材料壳板，将复合材料壳板分块安装于钢骨架上，再将安装好的复合材料结构与艇体连接，这种工艺可称为复合材料分块敷设安装。

工厂具备复合材料整体敷设安装经验，缺少复合材料分块敷设安装方法和经验。针对上述情况，开展复合材料上层建筑建造工艺研究，通过开展复合材料上层建筑钢骨架建造工艺研究，摸索上层建筑钢骨架面板线型偏差控制技术，通过开展复合材料壳板安装工艺研究，掌握复合材料壳板装配质量控制技术，为舰船复合材料上层建筑结构建造提供技术指导。

2 钢骨架线型偏差控制技术研究

2.1 不同装配方法对钢骨架线型偏差的影响研究

通过上层建筑钢骨架单元体建造工艺试验，以两种不同的装配工艺制作的钢骨架单元体在外观尺寸、线型偏差上进行对比分析，找到两种不同装配方法对钢骨架线型偏差的影响规律，提出合适的上层建筑钢骨架装配方法。

2.1.1 试验方法

试验模型为上层建筑钢骨架单元体（以下简称“单元体”）2个，分别编号A和B，主要由肋骨横梁、纵桁、可拆板框架结构组成，其中单元体A是采用正装法焊接装配（正装法），单元体B是在工装胎架上焊接装配（反装法）。测量单元体的外形尺寸（长度、半宽、高度），使用全站仪测量单元体面板在测点处的位置坐标，计算出测点的线型偏差值。线型偏差为测点三维模型理论坐标与试验模型实际坐标的差值。

2.1.2 试验结果

根据测量结果得出单元体A、单元体B的外形尺寸与线型偏差如表1和表2所示。

表1 单元体外形尺寸(mm)

表2 单元体的线型偏差(mm)

2.1.3 结果分析

通过两种不同的装配方法（正装法和反装法）完成的试验模型，在外观尺寸和线型偏差上差异不大，说明不同装配方法对上层建筑钢骨架线型偏差的影响不大。这是因为上层建筑钢骨架装配过程中焊缝较少，焊接工作量小，由焊接引起的变形不大。正装法是采用装配样板控制结构的线型，该方法操作简单，建造周期短，只适合于简单结构，而不适合结构复杂，焊接工作量大的结构；反装法是采用工装胎架来控制结构的线型，该方法对于结构复杂，焊接工作量大的结构来说，容易保证其建造精度，但是建造周期较长。因此上层建筑钢骨架可采用正装法进行结构焊接装配。

2.2 钢骨架焊接变形控制技术研究

以正装法完成建造的上层建筑钢骨架模型为载体，通过合理地选择焊接方法和规范，在建造过程中适当进行刚性固定，针对钢骨架精度不符合之处进行焊后矫正，使钢骨架的焊后精度满足技术要求。

2.2.1 合理地选择焊接方法和规范

由于上层建筑钢骨架以薄板居多，在焊接过程中常常产生各种焊接变形，故选用焊接线能量较小的CO2半自动气体保护焊方法来代替手工焊，这样不但效率高，而且可以减少薄板的焊接变形[3]。

通过查阅相关焊接资料，借鉴以往的焊接工艺经验，确定该焊接工艺参数（表3）。

由于单个肋骨结构的面板与腹板较薄，其之间的角焊缝较长，为避免扭曲等各种焊接变形，采用从中间向两端进行间断焊接。

表3 CO2气体保护焊规范

2.2.2 刚性固定法

由于上层建筑单个肋骨结构钢板较薄，线型简单，结构强度不高，在装焊过程中容易发生变形，故焊接之前，在适当跨度上采用槽钢进行临时加强。定位焊之前，在腹板的适当位置采用装配马板进行临时加强[4]，防止焊接面板与腹板时发生变形。

为防止整个上层建筑钢骨架在焊接过程中产生变形，在装配时采用槽钢和角钢分别在结构的横向和垂向设置临时支撑。

2.2.3 焊后校正

焊接之后，上层建筑的个别T型结构焊接变形超出精度要求，此时采用氧乙炔火焰在腹板上进行加热，然后水冷。若采用此加热方法都难以满足技术要求，则再次采用机械加工方法进行焊后校正，使之满足技术要求。单个肋骨结构和整个钢骨架的局部焊接变形超出精度要求的位置，采用氧乙炔火焰进行焊后矫正。

3 复合材料壳板安装工艺研究

3.1 现场配钻工艺技术研究

现场配钻是以钢骨架面板上的螺孔为基准配钻复合材料壳板上的螺孔，复合材料壳板是由高强度玻璃纤维复合材料、增强聚氨酯材料组成，厚度为13mm，用M20×60mm不锈钢沉头螺钉连接到钢骨架面板上。因此需要研究针对高强度、大厚度玻璃钢开沉头孔的配钻工艺。本研究以工艺试验的方式进行，以复合材料上层建筑钢骨架为试验载体，研究复合材料壳板螺孔定位方法、钻孔方法和沉头孔加工方法。

3.1.1 复合材料壳板螺孔定位方法研究

为了保证复合材料壳板与钢骨架之间连接质量，必须要求复合材料壳板与钢骨架面板上相应的螺孔同心。课题组提出了两种方案：一是在复合材料壳板预组装后用压紧工装（图 1）夹紧，用划规在壳板螺孔相应位置划线，然后将复合材料壳板取下，在机床加工螺孔；二是在复合材料壳板预组装后用压紧工装夹紧，用定位工装进行螺孔定位（图2）做好标记，然后取下复合材料壳板用手电钻加工螺孔。

图1 用压紧工装进行壳板预组装

图2 用定位工装进行螺孔定位图

在试验模型上进行两种方案的试验验证，结果表明两种方案都找到了钢骨架面板上螺孔与复合材料壳板上螺孔的中心，第一种方案由于机床钻头钻程与壳板表面不垂直导致弧形壳板上部分螺孔出现偏心，第二种方案通过人为控制、正交视角定位来保证钻头钻程与壳板表面垂直，复合材料壳板上所有螺孔都与钢骨架上相应的螺孔同心。试验还表明，螺孔偏心小于5mm，可以通过旋转锉来修正，使复合材料壳板上所有螺孔都与钢骨架上相应的螺孔同心[5]。

因此，选择第二种方案，即采用定位工装并打样冲进行复合材料壳板螺孔定位更合适。

3.1.2 复合材料壳板钻孔方法研究

课题组分别作了三组测试，每组选取 50个螺孔。第一组选用Ф6的工具钢钻头先钻Ф6的通孔，然后将Ф6通孔加工成Ф20的通孔；第二组选用Ф20工具钢钻头直接加工成Ф20螺孔；第三组选用Ф10的工具钢钻头先钻Ф10的通孔，然后将Ф10通孔加工成Ф20的通孔。

试验结果显示：第一组平均每钻2个螺孔折断1个Ф6的钻头；第二组Ф20的钻头钻孔时烧钻头；第三组平均每钻 10个螺孔钻头出现磨损无法继续使用。此外，还用合金钻头进行了试验，结果显示，合金钻头硬度高脆性大，容易断钻头。试验还发现电钻转速对钻孔效率有影响，转速过快易烧钻头，转速过慢损伤钻头。

因此，选择第三种方案，即采用工具钢钻头先钻Ф10的孔，再扩成Ф20的孔比较合适，钻Ф10的孔转速为240r/min，钻Ф20的孔转速为600r/min。3.1.3 复合材料壳板锪孔方法研究

M20螺孔钻完后需要加工出Ф34、沉头120°、深度为5mm的沉头孔，由于复合材料壳板在安装后要求螺帽与复合材料壳板表面平齐，沉头孔深度将直接影响复合材料壳板安装质量。但手电钻无法与Ф34的120°锪孔钻匹配，因此课题组提出了两种方案：第一组方案是利用Ф34工具钢钻头加工沉头孔；第二种方案是做一个连接头将手电钻与锪空钻连接后，将螺钉插入Ф20孔内，沿螺帽边缘在壳板上划线，然后以此线为基准加工沉头孔。

试验结果表明，第一种方案由于电钻惯性力很大，沉头孔深度无法控制并且部分沉头孔与Ф20孔不同心；第二种方案所有沉头孔深度都能达到保证螺帽与复合材料壳板表面平齐。

因此，选用第二种方案，即将螺钉插入Ф20孔内，沿螺帽边缘在壳板上划线，以此线为基准采用连接头将手电钻与锪孔钻头连接后进行沉头孔加工更合适。

3.2 复合材料壳板装配工艺及质量控制技术研究

本研究以工艺试验的方式进行，以复合材料上层建筑钢骨架为试验载体，应用研究得出的现场配钻技术研究复合材料壳板装配工艺及质量控制技术，最后提出了复合材料壳板安装工艺，工艺流程如下：

1）壳板第一次加工。先测量钢骨架尺寸，以框架板条中心线（比如横梁中心线、纵桁中心线）为壳板边界线，各边再放2mm的余量，用记号笔在壳板表面划上边界线。用水切割机沿边界线切割复合材料壳板。

2）壳板预组装。按一定顺序（如从艏端向艉端或从中间向两端）将相邻的复合材料壳板安放在钢骨架上，用压紧工装压紧固定，使壳板与钢骨架紧密贴合；观察壳板间隙与壳板平整度是否符合要求。

3）壳板第二次加工。取下间隙不符合要求的壳板，用电动砂轮机打磨壳板边缘至壳板重装后间隙满足要求；取下平整度不符合要求的壳板，用电动砂轮机打磨壳板下表面（即壳板与钢骨架的贴合面）至壳板重装后平整度满足要求。

4）壳板预组装。

5）螺孔定位与配钻。壳板预组装满足要求后，将螺孔定位工装塞入钢骨架面板的螺孔中，用手电钻从壳板下表面向上表面钻Ф10mm的通孔；取出螺孔定位工装，再从壳板上表面的通孔处向下表面钻Ф20mm的通孔；塞入沉头螺钉，比划螺帽边线；取出沉头螺钉，手电钻换上Ф34mm的锪窝钻头，将Ф20mm的通孔沿着螺帽边线加工成Ф34mm的沉头孔。

6）锪孔。

7）壳板连接与安装。螺孔配钻完成后，将沉头螺钉塞入壳板上的螺孔，螺钉穿过钢骨架面板用螺母、垫圈锁紧；先安装壳板四角处的螺钉，再安装壳板边上的其余螺钉。注意待螺钉安装完成后再取下压紧工装。

8）壳板涂装。用丙酮擦拭清洁复合材料上层建筑表面，按照设计要求对复合材料上层建筑表面进行涂装。

4 结论

通过钢骨架线型偏差控制技术和钢骨架焊接变形控制技术研究，明确了钢骨架线型偏差控制方法，突破了复合材料壳板现场配钻工艺技术和装配工艺及质量控制技术，形成了复合材料上层建筑钢骨架建造工艺方案和复合材料壳板安装工艺方案。该工艺方案可用于指导复合材料上层建筑建造工艺的编制。

[1] 黄晓艳, 刘源, 刘波. 复合材料在舰船上的应用[J].江苏船舶, 2008(4):13-15.

[2] 刘土光. 复合材料在军船上的应用展望[J]. 舰船科学技术, 2005(6):9-11.

[3] 田锡唐. 焊接结构[M]. 北京:机械工业出版社, 1982:128-156.

[4] 王德义, 罗春博, 陈龙超. T形支架焊接变形的控制[J]. 现代化农业, 2002(1):28-29.

[5] 史淑艳. 朝天门大桥钻孔精度控制[J]. 钢结构, 2008(8):32,66-68.

Research on Fabrication Technology of Composite Material Superstructure

Gao Cui-ping, Peng Jin-song
(Wuchang shipyard group co.,LTD. Wuhan 430060, China)

This paper predominates fixing method about composite material and shape fabrication technology by analyzing steel structure fabrication and lamella installation, in order to find out technical method for composite material fabricate and alteration.

composite material; steel structure fabrication; lamella installation

U668

A

1005-7560(2014)01-0021-04

高翠萍（1980-），女，硕士研究生，研究方向：振动噪声控制。