浅谈胎架设计

浅谈胎架设计

范留清

中国船级社实业公司深圳分公司广东深圳518067

摘要：胎架是制造船体曲面分段和曲形立体分段的形状胎模和工作台。它根据放样台中的船体肋骨线型，按所要装配的分段外形复制而成，同时具有足够的结构刚性和强度，因而对船体线形尤其复杂线形的控制具有很好的效果。

关键词：胎架种类；设计原则；基面；承载力。

引言

船体外板多数带有曲型，胎架既可保证这些曲型分段的线型符合设计要求，又能改善装焊条件和扩大自动、半自动焊的使用范围。在现阶段，胎架是船体建造中的一种主要工艺设备，极大改善现场的施工环境和作业条件，有效的提高作业效率。

1胎架的结构与种类

胎架的结构按其组成形式有两种，一种是框架式的，即有型钢和模板组合而成，每档肋距或间隔一档肋距设置一块模板（模板尽量设置在结构硬档，为保证线形艏艉约200处也需设置模板），由若干模板组成一只胎架（如图-1所示）。为了使模板与分段外板的接触面积小而又能紧贴，并使分段在焊接时有自由收缩的可能，模板的型线通常制成锯齿状，如图-1所示。此类模板胎架刚性好，有利于控制变形，但耗材较多，材料不经济，修正曲面所需的时间也多。但由于精度好，且有利于批量生产故通常用于军品或技术要求高的批量生产中。

图-1

为了节省材料和工时，我们可以尝试用废旧的边角料，并在角钢上面间隔排列小块胎板（如图-2所示）以代替凹凸锯齿形胎板，同时又能起到锯齿形胎板相应的作用，用料省且修正曲面所花工时也较少。

图-2

另一种支柱式结构的胎架，用角钢或管柱组成。每档肋位应竖角钢的根数，可根据结构情况而定。这种胎架的结构用料省，制造方便，但制造曲面较大的分段，线型较难保证。如图-3所示。

图-3

2设计原则

1）胎架结构的强度和刚性，应根据其使用要求而定。一般应能满足支承分重重量（包括在胎架上进行分段预舾装的重量）的要求；当需要以胎架控制分段形状和执照过程中的变形时，胎架结构应予相应的加强。

2）胎架模板或支柱端点型值，其所形成的工作面应与分段的外形相贴合。同时，应计及为预防变形而施放的纵，横向反变形数值和外板的板厚差。

3）根据生产批量，场地面积，劳动力分配，分段制造周期等因素，选择适当的胎架形式和数量，并根据船体型线决定合理的胎架基面切取方法，以满足生产设计的要求，改善施工条件，扩大自动，半自动和其他高效焊接方法的应用范围。

4）制作胎架应考虑节约钢材，节省工时，降低成本；尽量利用废旧料和变余料。同时，还要考虑胎架搬移，堆叠的方便性，以及在一定范围内的通用性和改装的可能性。

5）胎架模板间距应是肋骨间距的倍数：当分段结构为横骨架式时，板厚≥6mm，取2～3倍肋骨间距，板厚＜6mm，取1～2倍肋骨间距；当分段结构为纵骨架式时，可取2～3倍肋骨间距，但一般≯1.5～2m。分段两端的构架位置必须设有模板。胎架的长，宽方向尺寸应大于分段尺寸。

6）胎架工作面的最低点距地面约600～800mm。

7）胎架上应划出肋骨号，分段中心线（假定中心线），接缝线，水平线，检验线等必要标记。

3胎架基面和胎架型值的确定

胎架基面是用来决定胎架工作曲面型值的基准面。根据它与肋骨剖面和基线面的相对关系，通常分为以下几种类型

正切胎架：胎架基面平行或垂直于基线面，并且垂直于肋骨剖面（图4-a）。正切胎架制作简单，多用于甲板分段，中间底部分段和平行中体部位的舷侧分段等纵向曲度变化较小的分段制作。

单斜切胎架：胎架基面不平行也不垂直于基线面而是成一倾角，但仍垂直于肋骨剖面（图4-b）。制作容易，适用于纵向曲度变化小的舷侧分段。

正斜切胎架：胎架基面不平行于基线面，或垂直于基线面，并且不垂直于肋骨剖面（图4-c）。此类胎架制作较麻烦，胎架上分段的横向构件划线和安装均要考虑胎架基面的倾角，主要用于纵向型线变化大的艏艉底部分度制造，以达到节约材料、降低工作高度的目的。

双斜切胎架：胎架基面不垂直也不平行于基线面，但垂直于肋骨剖面（图4-d）。制作和使用特点类似正斜切胎架，主要用于曲度变化大的舷侧分段。由于切取基面的自由度大，在降低分段制造高度的同时，可使胎架的四角基本处于相同高度范围内，增加施工的安全性，并有利于扩大自动焊和半自动焊的使用范围。

图-4

胎架型值的确定：首先在肋骨型线图上作出胎架基面的投影线或胎架基面与各肋骨剖面的交线，再根据胎架支柱间距在胎架基面投影线上求出支柱点，然后过这些支柱点沿胎架基面投影线的垂直方向，量取到对应肋骨线的距离，然后减去板厚，即可得到胎架的高度型值。

4胎架承载力初步估算

胎架作为分段或总段制作的平台，其承载的安全性直接关乎到施工环境的安全，安全重于泰山。同时合理布置胎架的支撑也有利于节省各种加强及辅材。为了能更优的确定胎架的制作及评估胎架的强度和安全性，因此很有必要对胎架的承载力做一个初步的估算。

根据以往的经验，胎架的破坏主要是由于支撑立杆的失稳导致整个胎架的坍塌。在实际生产中，立杆主要是角钢。因此我们目前可以粗略的对角钢的抗压强度进行一个简单的计算。

从受力状态分析来看，胎架主要承受分段或总段的重量以及自身结构的重量，而对于胎架的支撑角钢来说，它主要的也就是分段及胎架模板的重量。当我们已知一个分段重量，和分段承受的面积后，间距范围基本选定1000×1000，那么角钢的数量就定下来了。按照分段重量除以角钢数量，便可得出每根角钢所要承受的重量。角钢的下端可以简化成固定端，而上端因可与分段共同作微小的位移，所以简化成自由端。这样就成为下端固定，上端自由的压杆。

我们仅从材料力学失稳的情况考虑，欧拉公式为Pcr=π2EI/（μι）2其中μ为长度系数。压杆的约束条件一般有以下几种典型情况。

由此我们可以得出胎架的立柱的临界应力Pcr=π2EI/（2*ι）2。其中E为弹性模量一般取201GPa，ι为胎架的长度，I为横截面惯性矩。一般的角钢：

I=（B*e13+a*e23-b*h3）/3

一般情况下，我们也可以在型钢表里查出对应规格的角钢的惯性矩。以1500mm长的90*56*8角钢为例，其惯性矩I=16.34cm4，我们简单计算一下它的临近应力Pcr=π2EI/（2*ι）2=3.14*3.14*201*109*16.34*10-8/（2*1.5）2=35980N，换算成重量大概为3.6吨。也就是说1.5米高的90*56*8的角钢在不加斜撑的情况下，可以大概承重3.6吨不会失稳。由此，当知道分段重量后，可以根据已有辅材规格来大概算出胎架平均高度下辅材能承受的重量，进而可以得出所需辅材的数量。这样就比较经济划算，而且可以大概估算出胎架的稳性如何，提高安全系数。

5如何提高胎架的安全性

由公式Pcr=π2EI/（2*ι）2可以看出提高临界应力由两种情况：

1、提高辅材的惯性矩，这里一般有使用较大规格的角铁，但使用较大规格的角铁不经济，现场施工中一般是给角铁增加斜撑用来提高立柱的惯性矩。

2、降低胎架的高度，在保证施工空间可行性的情况下，尽可能降低胎架的高度，不仅仅可以节约辅材，而且对于施工来说越高越危险。

参考文献：

[1]船舶建造工艺学[2011]刘玉君

[2]造船生产设计[2008]黄广茂

[3]材料力学（第五版）[2011]刘鸿文