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不鏽鋼夾層板設計與製造評述,不鏽鋼夾層板設計與製造評述

更新时间:2019-12-02 02:27人气:2217

1 前言對於交通運輸工具,如輪船、火車、卡車和公共汽車,更大、更快和更輕的要求進步了有效結構布置的首要性 。開發有效結構原則上講有兩種實用方法:利用新材料或采用新的結構設計。實踐已證實非常切實可行的解決方案是采用複合材料和夾層結構。采用這類方法,可獲得高的強度重量比,而且重量最輕。夾層結構有可能提供一係列有吸引力的設計方案。除了重量減輕外 ,這些方案經常可以節省空間、防火、控製噪音,和改善保溫順冷卻性能 。 激光焊接的金屬夾層板具有很多良好的性能,使設計職員能夠為各種不同用處開發輕型和有效的結構構形 。近1 5年來,世界上對這些夾層板進行了積極的研究 。奧托昆普團體一向在參加這個領域的幾個合作項目。在芬蘭,涉及所有夾層鋼板的研究都是自1 9 8 8年在赫爾辛基技術大學船舶實驗室開始的。最初的研究重點放在破冰船船殼構造中采用的夾層板。從那時起在芬蘭開展了大量的研究項目,如Shipyard2000,Weld 2000和Kenno輕型結構技術項目和鋼夾層板的製造、設計和最優化 。 本文從不鏽鋼材料的視角 ,總結了上述鋼夾層結構與利用方麵研發工作的初期成果。 2 夾層結構 夾層結構最多見的類型是上下兩層采用剛性好、強度高、密度大的薄板,中間夾一層低密度材料,與上、下麵層材料相比,中間夾層材料的剛性和強度比較低。按照這個大致的比例,當心部材料的重量接近上、下兩層合計的重量時可得到一種最經濟的夾層。 上、下麵層和心部材料都是鋼板的夾層板被稱為鋼夾層板或鋼夾層結構。鋼夾層板根據心部材料的結構可分為:直腹板狀的I形心,矩形梁做心的O形心,帽形或波形薄板做心的Vf/V形心和用兩個帽形做心部的x形心。其他斷麵類型C、U或Z也可以用作心部。通過使用夾層結構,可能會獲得高的強度重量比,即夾層結構比使用傳統的鋼板輕30%~50%。 3設計原則與設計工具 在設計中常采用工程材料的一些特征值。結構的使用性能達到最大化,在承載零件中意味著對於給定重量,剛性與強度的比最大。結構的使用性能取決於負載的類型(拉伸、壓縮、彎曲、扭曲或這些類型的組合)、斷麵的外形(實心、管狀、I形斷麵等)和材料的性能(模數、強度、韌性等等) 。 鋼夾層板的設計公式發表在"鋼夾層板強度分析公式"的報告中(Kujala和ROmanov,2002) 。在這個報告中考慮了夾層板的幾何外形是I形心板 ,O形心板和Vf/V形心板。同時對所有鋼夾層板如何使用設計的公式也進行了簡單先容。文章中還先容了一些計算結果 、強度試驗 、三維有限元模型之間的比較。 通過填充PU泡沫、金屬泡沫 、輕質混凝土或礦棉替換金屬夾層可使金屬夾層板強度、防火性、疲憊等性能大大改善。在利用時,使用的填充材料的類型首要取決於所要求的性能、製造方法和價格。 夾層板結構的精確設計與撓度、應力和壓曲負荷的分析同等首要。此外一塊夾層板與另一塊夾層板或與其他結構連接的設計是這些結構實際利用中的關鍵身分之一。 芬蘭Componeering公司可提供一種分析和設計金屬夾層板的軟件利用程序。這類ESAComp軟件最初是為複合結構的分析和設計而開發的,比來升級增加了金屬夾層的模型。 ESA Comp軟件提供了金屬夾層橫斷麵為I、O、V、C、Z形腹部結構的定義。填充材料也可能被包括在夾層板中,一塊板的等效剛度用分析方法計算,它可以對梁和矩形板如許的結構部件進行給定負載下的分析 。 夾層板應力分解到表麵薄板和腹板上,從而提供具體的失效評價,包括屈服極限和局部不穩定性的狀況。ESA Comp進一步同有限元(FE)軟件,如ABAQUS,ANSYST和 NASTRAN相結合,當ESA Comp將金屬夾層的特點帶進分析循環時,由於有限元(FE)模型為基礎的殼相對簡單,使複雜結構的分析成為可能。 ESA Comp軟件有一個易於使用的圖形用戶界麵,可用來確定金屬夾層外形。鋼板的分析結果可作為唆使鋼板臨界範圍的輪廓圖。 4材料的選擇及生產工藝 研究結果指出奧氏體不鏽鋼1.4301(AISI 304)可用作激光焊接夾層板,在不同用處中具有良好的力學性能和耐一般腐蝕性能。為了進步耐腐蝕性能和改善耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能,可用奧氏體不鏽鋼1.44l(AISI 316)。 當要求承載結構的重量明顯地減輕時,使用強度更高的奧氏體不鏽鋼如1.4318(AISI 301LN)或硬質冷軋板看來是可行的或者說也是合適的。 在幾個項目中對鹽水噴霧室試驗條件和道路條件下焊接不鏽鋼的耐腐蝕性一向在進行研究。鹽水噴霧室試驗和現場試驗一致說明焊接的不鏽鋼部件無保護地在除冰鹽環境中使用時,采用適當的焊後清理方法是非常首要的 。實踐證實酸洗是最有效的焊後清理方法。其他方法顯然效果不太好。 大型實驗室和現場腐蝕試驗程序在ECSC專用資金項目“汽車結構中的不鏽鋼"(報告EUR20084EN2003)中進行,該項目由奧托昆普不鏽鋼公司配合。這些試驗包括不同的不鏽鋼種和連接類型。研究的目的是比較實驗室試驗與現場試驗的結果。在赫爾辛基冬季使用道路除冰鹽得到的結果與在羅馬(Rome)、直布羅陀(Gibraltar)與馬德裏(Madrid)進行的現場試驗相比,隻發生了相當稍微的腐蝕。耐腐蝕性按照由弱到強的順序:1.4403(Cr2)→CrMrn16—7→1.4301(AISI304)→304sp(Mo—aUoyed)。在這些試驗中,1.4301(AISI 304)使用得很好,說明在考慮耐腐蝕性時可作為首選鋼種。 各種製造技術如電阻焊、點焊,熔結和粘結都可用於金屬心夾層板的焊接。由於激光焊接工藝的熱輸進低和焊接速度高 ,是以非常適合於奧氏體不鏽鋼。激光焊接可使降低焊縫金屬的耐腐蝕性的金相組織變化減至最小。使用激光焊接奧氏體不鏽鋼的另一個優點是由於熱輸進低引發的焊縫變形和激光焊縫外形變形小。 5不鏽鋼夾層板的最新利用 在過往1 5年間,鋼夾層板已進進貿易化利用。樓梯和樓梯平台 、艙壁和甲板是金屬夾層板在巡邏艦和其他海上用處中的首要利用範圍。 比來幾年,不鏽鋼夾層板被用於民用、機械工程和其他產業的各種不同用處。這些用處包括公共汽車的地麵、電梯的壁和地板、產業用處中的工作平台和造船廠作業平台。 6 結論 激光焊接不鏽鋼夾層板在各種美觀漂亮的設計方案中有很大的潛力。夾層結構具體而精確的設計和對撓度、應力和壓曲負荷的分析是最首要的。夾層板與其他夾層板或與其他結構的連接是這些結構實際利用中的關鍵身分之一。 研究結果指出 ,奧氏體不鏽鋼1.4301(AISI304)可以用於激光焊接夾層板,它具有良好的力學性能和耐腐蝕性。當要求大大減輕承載結構的重量時,考慮采用更高強度的奧氏體不鏽鋼作夾層板是適當的。除了激光焊接外,電阻焊、點焊、粘結和熔結工藝的開發在未來不鏽鋼夾層結構的製造中將增加多種高效技術 。,

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