CN1213852C - 复合的钢结构塑料夹层板系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种复合叠层板，适合于建造密闭壳，尤其适合于建造双壳油船。该叠层板有两个结构上粘合在一个聚氨酯弹性体芯上的面对的金属层。该叠层板用于各种船壳部件中，如船壳板、纵向梁、横向框架和舱壁。该叠层板用于建造内壳和外壳，并可以用于建造内外船壳之间的结构支承件。内壳的最内层包含船舶货物。内壳叠层板的弹性体芯使最内壳表皮与裂缝隔绝，由此当外壳在意外事故或搁浅事件中刺破、穿透或破裂时，可防止货物如油损失到环境中去。

Description

复合的钢结构塑料夹层板系统及其制造方法

发明领域

本发明涉及一种适应性强的耐冲击耐撕裂的复合夹层板和结构系统，用于船只如油船、散装货船或轮船，这些船只预定在极端负荷或意外事故的条件下仍包含船只货载。

先有技术描述

不断增长的社会、经济和政治压力导致发展技术来减小或消除污染危险和造成的对海上环境的损害，以及有价值货物的损失，这些可能由于在极端负荷或意外事故如碰撞、搁浅、火灾和爆炸的情况下船只破裂而引起的货物泄漏所造成。尤其是，载运有害物料的船只越来越受到由管理机构、船舶和货物保险公司与船舶所有人和金融机构提出的额外要求。有害泄漏责任的高额费用和不断增加的货物价值已进一步鼓励研制防漏防裂的船只。

装运船只货载的一种途径是提供油船用的双壳。在保护外壳内支承一种装有货物的单一加强板构造的内壳，该保护外壳也是一种单一加强板构造。一种常规的双壳在内外壳之间具有纵向和横向框架。一种较先进的替代的双壳在内外壳之间只有纵向框架，能够简化构造，适合于使用机器人装置的装配线生产。常规的和先进的两种双壳设计在内壳中的货舱之间具有横向舱壁，并可能具有在压载舱之间的舱壁，这些压载舱通常位于内外壳之间。双壳设计的变化包括仅有双底的构造，或具有一个双底和双壳侧部。为了减小重量，甲板通常为单一板构造。另一种办法是，在纵向框架之间的凸面弯曲壳板可以提供在弯曲板双壳中的高能量吸收。

图1表示按照常规造船工程设计的一种典型的双壳油船。图2例示一种典型的双壳船的货舱和其它区段的布置。

双壳构造对常规单壳设计的优点也是众所周知的。这些优点包括提高的货物装卸效率、更好的货物纯度，以及由于压载舱与货舱隔离而减小了水的污染。其次，按照国际标准建造的双壳要求在内外壳之间有两米的空间，这也减小了碰撞或搁浅期间由于外壳穿透而产生的泄漏或破裂的危险。先进双壳宣称的革新特点是提高的强度、易于制造和压载舱中减小的焊接和钢表面积，提高了对压载舱的可接近性，这使得在高能量搁浅期间更易检查和改善检修以及内壳更好地保存油料。使用当前技术，在低能量、低速冲击中涉及的双壳船只多半不会比单壳船只更善和更造成污染。改进的油船设计如双底、双侧、双壳、中甲板等已知能减小但并不消除意外事故中漏油的危险。虽然试验表明一种先进的全钢双壳设计将比常规的全钢双壳设计耗散更多的能量，但由于在极端负荷事件期间从疲劳裂纹或从破裂板扩展的裂纹产生的裂纹扩展，这两种设计都遇到不利之处。

涉及提高双壳构造在意外事故或极端负荷事件如搁浅或碰撞时的能量吸收容量的专利包括美国专利Kruli kowski III等人的No.5,218,919和Stuart的No.5,477,797。两个专利指向对现有单壳油船翻新改进为具有外壳，从而做成双壳油船。Krulikowski III等人描述能量吸收套叠部件的使用，这些部件安置在一个桁架状构造中，以支承一个在现有油船船壳外侧的叠层钢辅助船壳。也描述了对横向舱壁连接件和偏转控制装置的构造细节。船壳之间的空隙填充聚氨酯泡沫/球以分配冲击力，支承静水压负荷下的辅助船壳，并在辅助船壳破裂的情况下提供额外的浮力。Stuart描述一种连接在现有油船外壳上的辅助船壳的构造。它由两壳之间的一系列纵向框架钢板构成，这些框架钢板当沿截面观察时形成蜂窝构型。形成外壳不连续的应力释放接头和蜂窝状内壳结构的组合产生一种防损船壳。该构造也使内壳空间浮沉到任何水平，以便利用增压的惰气和真空压力系统提供合适的压载重量。这些翻新改进的外壳结构没有论及由于外壳破裂而使裂纹扩展到内壳中的可能性，以及不充分地讨论了辅助船壳结构的制造和维修的成本和实用性。在当前的翻新改进的设计中，船壳之间用于检查和腐蚀检修的接触即使并非不可能，也是很困难。翻新改进设计中的外壳基本上不参与承载全部操作负荷，并对具有有限结构功能性的油船增加显著的总重量。

美国专利Verol me的No.4,083,318和Asai的No.4,672,906指向LNG(液态天然气)油船和载带低温或高温货物的油船，其中货舱是与油船隔开的结构，并不形成油船的负荷承载壳梁系统的一部分。

当前的全钢双壳构造存在严重缺点，这些缺点降低了这些设计类型满足在偶然事故或极端负荷事件如碰撞、搁浅、爆炸或火灾之后不漏油的性能判据的成功可能性，并在相对于构造、维修和使用寿命成本方面仍须竞争。一个缺点是，当前双壳构造是以与国际协议和国家标准相结合的常规造船工程设计概念为基础的，这些设计概念规定使用在船壳之间具有与从记录的油船事故测到的岩石穿透的统计数据有关的最小隔离的双壳构造。

按照常规的造船工程标准建造的船壳通常提供一种复杂的钢板和板钢结构件如框架、舱壁和梁的系统。钢板和支承件的承载能力通过利用多种加强件加强钢板和结构件而增大，这些加强件的类型在该技术中是熟知的，如固定在钢板表面上的平面、角型或管道金属材料。这种复杂的船壳结构和钢板加强件系统是疲劳失效的来源和意外事故或极端负荷期间船壳板撕裂(破裂)的来源。由于大量的部件必须切割、处理和焊接，并且由于必须涂敷的防护涂层的表面积显著增加，这类船壳制造成本很贵。同时，这些典型的复杂结构系统非常密集，导致不易接近，不易检查，不易检修和检修费用高，以及由于腐蚀而降低使用寿命。

最近对双壳区段的大规模搁浅试验也表明，尽管双壳船对单壳船具有优越性，但由于主要在外壳的横向结构件处或其附近的初始破裂引起的裂纹扩展，当前使用的钢双壳设计的内壳可能产生破裂。在外壳中起始的裂纹通过内外壳之间的结构件扩展并终止于内壳。内壳破裂的明显后果将是从每个破裂的货舱漏油。在当前设计替代方案中没有公开提供一种防裂层或其它结构来防止裂纹通过钢结构扩展到货舱中去。因此，当前可用的设计替代方案没有充分地论及在偶然事故或极端负荷事件中防止或减少漏油。

已经试验了一种大规模复合钢-聚氨酯泡沫塑料夹层板的防船壳破裂和泄漏的能力。这些试验表明，聚氨酯泡沫塑料并不充分粘合在钢板上而其剪切强度很小。低的剪切强度尽可能减小复合材料的挠曲能力，而缺乏粘性排除了在复合材料中利用聚氨酯泡沫塑料和钢末增大平面内变形能力的可能性，因而能够不用板加强件。在试验的复合材料中使用的低密度泡沫塑料其拉伸强度很小或没有，而压缩强度不够大，这些在结构上是有利的。通常，试验的泡沫塑料用作防裂层，但结构上不起作用。因此，没有达到所希望的防裂结构复合材料构型。试验的泡沫塑料具有某些能量吸收容量；但是，当与隔板作用中的钢比较时，该容量是小的。泡沫塑料减小集中负荷点周围的钢板的局部化应变，这延迟了但并不防止钢壳板的剪切张力失效。

因此，在该技术中需要这样一种船壳构造系统，它能简化船壳结构的复杂性，减少制造和维修成本，并在意外事故或极端负荷情况下增大能量吸收容量和塑性行为，从而减小或消除由于船壳破裂和裂纹扩展而产生的货物损失。

发明概述

根据本发明的说明，通过在钢板之间粘合一个韧性结构弹性体来形成钢一弹性体一钢复合船壳板、框架和支承件，有利地消除了提供双壳油船的技术中固有的上述缺点。该弹性体最好是疏水性的，以防止吸收水，吸收水会导致钢板腐蚀，并应当具有充分的延展性，以超过钢板的屈服应变而不产生破裂。该复合板至少用于建造双壳的内壳。最好该钢一弹性体-钢复合板用于建筑内壳、外壳、舱壁、底板、甲板与可拆叠的框架和支承件，并且可以以任何所需形式形成。形成内壳的复合板中的弹性体层在内壳的内钢板和内壳的外钢板之间特别提供一个有效的防裂层，这使内壳的内钢板与从外壳、横向部件如底板框架和舱壁及其它支承件如腹板框架和水平框架扩展的裂纹有效地隔绝，这些是为工作负荷和意外事故或极端负荷两者设计的。其次，因为复合板与常规钢板相比强度更大和刚性更大，所以框架件和支承件的数目可以显著减小而同时满足或超过对强度、使用寿命、建造成本、维修费用和幸免能力的当前设计标准。

根据本发明的说明，制造一种具有适当的细部设计的底板和横向舱壁的复合的钢一聚氨酯弹性体夹层板系统，它特别适合用于密封船舶如油船，以基本上消除与已知全钢船舶有关的缺点。有关船舶设计的特定细节可在美国航运局及附属公司，1996年，第三部分《船壳构造和设备》，第五部分《专用船舶和业务》中找到，这些内容参考合并于此。

本发明一方面提供一种结构叠层部件，其包括：一个具有第一内表面和第一外表面的第一金属层；一个具有第二内表面和第二外表面的第二金属层，该第二金属层与所述第一金属层隔开；以及一个由未发泡的聚氨酯塑料构成的中间层，位于所述第一和第二内表面之间并粘合在这两个内表面上，以防止结构叠层部件的局部变形。

本发明另一方面提供一种结构叠层部件，包括：一个具有第一内表面和第一外表面的第一金属层；一个具有第二内表面和第二外表面的第二金属层，该第二金属层与第一金属层隔开；以及一个由未发泡的聚氨酯塑料构成的中间层，位于所述第一和第二内表面之间并粘合在这两个内表面上，使得在负荷下，由于叠层部件的应变耗散、增大的抗刺破性能和非弹性隔板作用的复合功能，能量被结构叠层部件所吸收。

本发明另一方面提供一种结构叠层部件，包括：一个具有第一内表面和第一外表面的第一金属层；一个具有第二内表面和第二外表面的第二金属层，该第二金属层与第一金属层隔开；以及一个由未发泡的聚氨酯塑料构成的中间层，位于所述第一和第二内表面之间并粘合在这两个内表面上，使得在第一和第二金属层之一中形成的裂纹被阻止扩展到所述第一和第二金属层的另一个上。

本发明上述结构层部件中所述塑料是一种弹性体。

本发明上述结构层部件中，所述弹性体为聚氨酯。

本发明另一方面提供一种制造结构叠层的方法，其包括下列步骤：将第一金属层和第二金属层从隔开的关系定位，使得在第一和第二金属层的面对的表面之间形成一芯腔，各第一和第二金属层的厚度在6mm至25mm的范围内；在所述芯腔中设置未固化的塑料；以及固化该未固化的塑料，使得该塑料粘合在第一和第二金属层的面对的表面上。

一种制造双壁结构的方法，包括：通过将第一金属层设置成与第二金属层隔开，使得在第一和第二金属层的面对的表面之间形成一芯腔，来形成一个第一壁；通过将第三金属层设置成与第四金属层隔开，使得在第三和第四金属层的面对的表面之间形成一芯腔，来形成一个第二壁；将第一壁支承在一个邻接第二壁并与其隔开的位置上，使得在第一壁的第二金属层和第二壁的第三金属层之间限定一个出入腔；通过第一壁的第二金属层中的一个孔将一种未固化的第一塑料提供给第一壁的芯腔，该孔允许在双壁结构的出入腔和第一壁的芯腔之之间连通；通过第二壁的第三金属层中的一个孔将一种未固化的第二塑料提供给第二壁的芯腔，该孔允许在双壁结构的出入腔和第二壁的芯腔之间连通；固化该未固化的第一塑料，使得第一塑料粘合在第一壁的第一和第二金属层的面对的表面上；以及固化该未固化的第二塑料，使得第二塑料粘合在第二壁的第三和第四金属层的面对的表面上。

附图简述

结合附图考虑下列详细描述可以容易地理解本发明的说明，其中：

图1是先有技术全钢双壳油船的透视截面图，它包括一个单向梁系统和加强钢壳板；

图2是先有技术双壳油船的平面图，例示货舱和压载舱的一般布置；

图3是先有技术双壳油船在横向舱壁处截取的中段的截面图，例示结构件和加强件系统；

图4是用本发明的复合板建造的双壳在横向舱壁处截取的中段的截面图；

图5是用本发明的复合板建造的双壳船的货舱的部分截面图；

图6是用本发明的复合板建造的双壳船横向舱壁构造的省略截面图；

图7是本发明的横向舱壁的防裂细部的省略截面图；

图8是根据本发明制造的复合板的截面图；

图9是用本发明的复合板建造的内壳和舱壁的截面图；

图10是用本发明的复合板建造的内外壳和支承件的截面图；

图11是沿图10中线11-11截取的截面图，表示密封防裂切口的弹性体塞的细部；

图12是根据本发明建造的复合板的截面图；以及

图13是用本发明的复合板建造的内壳、舱壁和复合材料间隔件的截面图。

详细描述

本发明的说明适用于任何结构的船只、油船、散装货船或轮船，其中希望含有在极端或偶然的负荷情况下仍需包含装载的货物。仅作为例示，本发明将讨论双壳油船。该技术的专业人员容易理解，本发明的说明可以包括其它船只、散装货船等的结构构型，以及公路车辆、轨道车辆和储存罐。

在现有设计中，耐冲击性和幸存能力的研究，规则和规定及构造已基本上引向全钢常规双壳和先进双壳，也称为单向加强梁双壳。一种如图2和3中例示的例如用于40,000DWT(总载重量吨)的油船的典型的常规双壳(CDH)设计的特征为内壳10和外壳12，带有正交加强底1、横向腹板框架2和纵向梁3。船板4焊接或用其它方法固定在纵向梁3上。取向与纵向梁3横交的腹板框架2固定在纵向梁3之间，以保持和稳定梁3。图2的平面图例示一种油船的典型布置，该油船有一外壳12和一内壳10，该内壳10位于外壳12的载货部分内。内壳10中的间隔密封的货舱13由舱壁6隔开。货舱13外的舱室102可以用作船壳下部中的压载箱。

通常，如图3中所示，增加加强件7可以分别增大船壳4和甲板5、腹板框架2和底板框架11、舱壁6和梁3的载货能力。需要许多加强件7来加强内壳10和外壳12的船壳板4与甲板5。梁3、舱壁6和框架2上也有附加的加强件，但未示出。可以认识到，此类构造可能不是设计成在偶然或极端负荷状况(如搁浅和碰撞)下耐撞击的。一种先进的双壳(ADH)系统在内壳和外壳之间具有主要纵向的单向框架构造。先进双壳具有显著少得多的横向部件，但先进双壳具有在货舱13之间的横向舱壁6，也可能有位于内外船壳之间的压载舱102之间的横向底板框架11。像常规双壳一样，通过在钢板部件表面上固定多个加强件7，可以增强先进双壳钢板部件的运载能力。

关于高能撞击搁浅对常规和先进的两种全钢双壳构造系统的影响的最新研究表明，外壳12将由于超过纵向梁3之间钢板9的隔板作用中的最大应变而产生基本上纵向的破裂，而内壳10的破裂是由于从横向框架2、11和舱壁6的竖直裂纹扩展而产生。这转过来又是由于在横向部件2、6、11(如舱壁6、底板11或框架2)处或其附近的外壳12的破裂而产生的。在外物侵入船壳中时，或者由于与侵入物体直接接触，或者由于被侵入物体向内推动的支承件如船壳梁3或底板框架11的间接接触，内壳10的一部分被向内推动(“升高”)。撞击区中的内壳板14作为隔板可能变形，直到横向部件11限制内壳10进一步向内移动，例如限制内壳板14的“升高”，造成侵入物体位置处或其附近的极端隔板应力。该极端隔板应力或者在限制内壳板14的横向部件2、6、11中或者间接地在受限制的内壳板14中触发一个初始裂纹，导致内壳10破裂。通常要求必须设计一种防漏罐底结构，以允许内壳10“升高”和非弹性隔板变形而不会破裂。

为了达到该目的，根据本发明，在船壳结构中至少在所有横向部件(如底板框架24和船壁26)处或其附近但最好在全部船壳结构中(无论哪一种情况更实用)，包括一个防裂层15(图4)。

在本文的讨论中，为取向起见，当“内”用于部件时，通常指相对更接近于船只货舱的部件。而当“内”用于表面时，通常指面对货舱的表面。特别是，内壳20的内金属板或层34的内表面63(图8)面对货舱68并基本上与其对置。当“外”用于部件时，通常指离货舱相对较远的部件。当“外”用于一个表面时，通常指背对货舱的表面。

现在参照例示本发明的图4，一种建造用的复合板船只构造系统，例如，一种用单向双壳夹层板系统(UDHSPS)构造的油船，包括一个用钢一弹性体一钢复合板18组成的韧性的耐撞击船壳16，由一个合适地设计细部的可折叠结构支承，其一部分或全部也可以是复合板构造。现在参照图5，复合板18包括一内金属板34和外金属板36，其被相互间隔开并面对，内外金属板粘合在中间的弹性体芯38上。内壳有两个对置的侧面74和78及一个底部76，它们形成货舱68。甲板40从侧面74的顶部延伸到侧面78的顶部，使货舱68的顶部闭合。在货舱68每一端部处的舱壁26连接在侧面74和78与底部76和甲板40上，以基本上完全封闭货舱68。外壳28具有两个侧面80和82及底部84，它与内壳20的两个侧面74和78及底部76分别隔开并包围它们。外壳28通过支承件连接在内壳20上，支承件包括纵向梁22和横向底面框架24。至少内壳20用复合板18建造。最好是，内壳20、外壳28、纵向梁22、底面框架24和舱壁26用复合板18建造。各种部件，不管用复合板18还是常规的单一钢板制造，均利用焊接或其它常规方法连接在一起，带有容纳复合板18的弹性体芯38所需的一定公差，这在下面讨论。

在撞击或搁浅的情况下，VDHSPS将显著地提高载货内壳20的幸免能力，并显著减少(如果不是消除)此种情况期间石油的流出，特别与常规双壳对应部件相比。UDHSPS建造成在偶然事故或极端负荷下具有延展性，通过复合板船壳的非弹性隔板作用和常规钢和/或钢一弹性体一钢复合板支承件的塑性变形而吸收能量。为了尽可能减小或消除石油流出，要防止货舱裂纹或裂缝的扩展。为了防止极端负荷情况下故障形式的裂缝或裂纹，通过在撞击或搁浅中啮合船的尽可能多的部分来最大地吸收和耗散冲击能量。这样做的时候，尽可能减小了石油流出的后果，如果不是完全消除的话。

关于油罐，可以设计UDHSPS来对操作负荷提供与根据当前标准设计的现有常规或先进全钢双壳船只相比为等效或更大的强度。如图5中截面细部所示，本发明的钢一弹性体一钢船壳梁22具有在弹性体芯38上的内金属板34和外金属板36，以提供足够的弯曲、剪切和扭转强度，作用空心薄壁箱梁作用，能够承受典型的或极端的静态和动态负荷，如那些与操作货船有关的负荷。这些负荷例如包括静水负荷、干入坞负荷、热负荷、船壳上波浪产生的动态压力分布、液态货物的晃动、甲板上的新鲜海浪、波浪击打、惯性负荷、起航和停泊负荷、破冰负荷、猛击、强迫振动、撞击和搁浅。图4和6例示一个用复合的钢板一弹性体一钢板18制造的双壳油船的双壳船身中间区段42和横向舱壁26。内壳20和外壳28两者分别用为特定尺寸和目的的船只合适地设计和定尺寸的复合的钢板一弹性体一钢板18制成。图6、7和9中示出的横向舱壁也用复合的钢板一弹性体一钢板18制成，它们分别由水平腹板30和竖直腹板32两者支承，后两者也可以用复合板18制造。

复合板18可以制成单个部件，如船壳板17、底板框架24、梁22、舱壁26等，它们可以用各种不同方式随后装运或组装成一艘完整船舶的分组件。复合板18的内外金属板34和36(图5)安置成合适的间隔关系，以形成弹性体芯38用的空腔56(图12)。在优选实施例中，内外金属板34和36分别是钢板。也可使用其它合适的金属，如不锈钢用于高腐蚀性用途，铝用于轻重量用途。因为复合板18的强度比单一金属板要显著地大得多，所以可以用其它较软的金属来制造复合板。

如图8中所示，内外金属层34和36之间的合适间隔最好用在它们之间提供的间隔部件44(“间隔件”)保持。间隔部件44可以是一个连续的带状件，也可以是无序或有序排列的多个单独间隔件。间隔部件44可以用金属或任何其它合适材料制成，安置在内外金属层34和36之间。间隔部件44可以焊接或粘合在内金属层34和/或外金属层36上。最好是，间隔部件44是具有对置的纵向边缘46和50的的连续条件部件。间隔部件44利用贴角焊48焊接在外金属板36的一个纵向边缘46上，在沿板36的中线和纵向梁22之间基本上半中间处的各点上。最好这些间隔件相对于船壳构造基本上只沿纵向通过，但必要时也可以沿横向通行。长度和宽度基本上与外金属板36相等的内金属板34是沿侧向交错排列的，因而对接的内板18a和18b的边缘52和54自然地落在间隔件边缘50上。间隔部件44的边缘50可以用作对接板18a和18b的相邻边缘52和54的支承件。间隔件边缘50用作焊接背衬杆，支承内金属层板18a和18b，直到对焊接55完成。用作背衬杆的间隔件44也帮助建立一合适的焊接间隔并尽可能减小焊接准备。对接焊55将板18a和18b的边缘52和54牢固地固定在间隔件44的边缘50上。弹性体芯38可以随后分别通过内外金属板34和36中的孔7°加入到板18a和18b的焊接处上。

间隔部件44也可以是预制的或预铸的弹性体条或块，粘合或热固在金属层34和36之间的位置中。或者是，间隔可以通过如一个制造的卡具保持，该卡具将内外板34和36分别保持在隔开的关系中，以成芯腔56，直到弹性体芯36形成和固化。

最好是，单个部件如纵向梁22、底板框架24、舱壁26、内外船壳20和28及复合船壳板18在这样的构造下在船只上整体制造，该构造是至少将一个特定部件的内外钢板34和36的一部分固定在该部件的指定位置上，同时在该部件的板之间保持一个适当的芯腔56。然后将弹性体安置在内外金属板34和36之间的芯腔内，方法是将其以液态或粘稠态流入或注入，并允许或使弹性体在芯腔中模铸就位。或者可以将弹性体通过一个或几个管置于芯中，管子的截面尺寸做成在部件的开口或未固定边缘处进入空的芯腔，管子的长度适合于进入部件的尺寸。当弹性体通过管子进入腔内填满板之间空隙时，管子被抽出。弹性体呈现空隙的形状，此种情况下是它在其中模铸的芯腔56的形状。或者是，弹性体可以通过板孔或入口70(图7)注入或流入而置于芯腔中，这些板孔或入口70设置在内外金属板34和36中。板孔70的优选位置是在外壳28的内金属板34上和内壳20的外金属板36上，远离对外侧环境的暴露和对货物的暴露。这些板孔7°而后用螺旋金属塞72密封。当建造船壳进行时，弹性体可以置于单个构造部件的芯腔56内，或者大的区段或整个船壳可以建造成在内外板34和36之间具有空的芯腔56，随后可以将弹性体置于芯腔56中。一旦可以流动的弹性体处于芯腔56中，通过(例如)加热将弹性体芯38固化。

每个内外钢层34和36的优选厚度范围例如为6mm至25mm，将10mm看作理想厚度。这些尺寸将随使用业务或部件要求而变化，并随所用材料的类型或品质的变化而变化。该技术的熟练人员将理解，内外金属层34和36不需要具有同一厚度尺寸，也不需要用同样类型或品质的金属制成。可以有多种组合和改变，而并不偏离本发明的精神或范围。

复合板的尺寸厚度可以在装配叠层板期间选择性地调整。以便对各种部件和用途达到希望的结构强度要求。每个内外金属板34和36与/或弹性体芯38的尺寸厚度可以按照特定要求而变化。其次，叠层板18可以估乱对于结构强度的局部调整具有尺寸变厚的板部分。板的尺寸变厚部分可以是通过改变间隔件44尺寸而提供的变厚的弹性体芯3 8的结果，例如，通过改变间隔件的沿其长度的深度，提供具有可变厚度的复合板18。或者是，尺寸变厚的板可以由于复合材料的内外金属板34和36之一或两者的变厚而形成。

弹性体是一种塑料、最好是一种热固型塑料，它可能要求热量来固化材料和完成模铸过程。优选的聚氨酯弹性体在大约20℃-60℃的温度固化。从部件焊接得到的残余热量将提供一部分模铸热量，特别在靠近焊接结合部处。但是，芯腔56的远离焊接结合部的部分将要求施加附加的固化热量。固化弹性体芯38所需的热量可以提供在复合板18的内外金属板34和36上。金属板34和36将容易地使热量转移到芯腔56中的弹性体38上，以完成弹性体的模铸。或者是，可以选择在降低温度或升高温度下流动的弹性体，而后在环境温度下固化。

在芯腔56充满弹性体38后，用螺旋金属塞72密封内外金属板34和36中的所有孔70。孔70最好位于外壳28的内板34上，远离对外部环境的暴露，和位于内壳20的外板36上，远离对货物的暴露。这样，孔7°和塞72基本上暴露于内壳20和外壳28之间的空隙，该处易于检查和维修。

当船只建造进行时，重复部件装配过程，以完成部件的安装和连接。本文讨论的装配方法仅是例示性质的。船只装配的其它方法是已知的，被认为是本发明的一部分。

因此一种选定的弹性体的结构或粘合特性可能由于焊接热量而受损，其中在弹性体38位于内外板34和36之间后相邻的复合材料部件18a和18b被焊接固定，所以必须提供一个焊接边缘58。焊接边缘58是芯腔56的靠近待焊接结合部的尺寸合适部分，该边缘58至少最初是没有弹性体的。距焊接结合部约75mm的边缘58足以防止对弹性体芯3 8的损伤。距焊接结合部75mm处的钢温度一般为约150℃，而在焊接结合部处或其近处的钢温度要显著高得多。在完成焊接操作后，在结合部被充分冷却到例如150℃后，焊接边缘中的空隙可以通过为此目的在部件的内外金属板34和36中设置的孔7°充满。或者是，一个部件的焊接边缘58可以通过相邻部件的空芯腔56来充满。

可以考虑，选择弹性体对内外金属板34和36的金属具有合适的粘合性能。或者是，可以使用合适的粘合剂来促进胶粘，或者可以使用胶粘剂来将弹性体粘合在金属板上。金属表皮板也可以用已知方法在机械上或化学上结合在一个预模铸的弹性体芯上。可以将尺寸合适的间隔件安置在表皮板之间，以便在结合操作期间保持合适的间隔。

虽然许多种材料适合用作钢一弹性体-钢复合板的芯，但用作复合板的芯的优选弹性体为具有合适的化学和物理性能的热固性聚氨酯弹性体。有关弹性体的特定细节可在《工程材料手册》二卷《工程塑料》(1988年ASM国际出版)，其有关内容合并参考于此。热固性聚氨酯弹性体是一种具有(例如)下列范围的物理性能和特性的工程材料：拉伸强度20至55MPa，肖氏硬度70A至80D，延伸率100-800％，挠性模量2至104MPa，玻璃转变温度-7 °至15℃，抗磨损，低温挠性，低温冲击强度，长期挠性，抗撕裂/切割，抗燃料和油，良好的弹性和回弹，抗臭氧，抗天气和抗温度。这些性能按照可以应用的ASTM标准规定并可按其描述特征。聚氨酯弹性体的商业应用包括负荷承载工业辊、小脚轮、外部油漆自动体部件、液压密封件、驱动带、注入/吹模灰尘屏蔽件、注模油脂瓦(盖)、吹制和平面模具挤压薄膜与片产品(0.03mm至3mm厚)、管道、软管盖、运动鞋、电线和电缆保护套。商用聚氨酯(弹性体)的性能和特征可以通过改变化学成分而为专门用途特制。至今为止，聚氨酯弹性体没有用于密封船如双壳油船的带金属表皮的复合夹层板。

显然，结构复合板18的弹性体芯材料必须牢固地粘合在金属表皮板34和36两者上，以便支承操作负荷。其次，固化的弹性体芯材料38必须具有适当的结构特征，如足够的密度、拉伸强度、延展性、剪切强度和压缩强度，以便使复合板18具有造船用途所要的性能，如高的强度和延展性、在意外或极端负荷情况如搁浅或碰撞下的使用寿命和耐冲击。一种分子结构合适的聚氨酯弹性体具有其它合适的特征，如耐水和耐油，以及绝热性能。

复合板18构造的弹性体芯38以几种方式有助于承载操作负荷。第一，内外钢板34和36与弹性体38之间产生的粘性防止相当薄的金属板34和36的局部变形，这种局部变形会在正常的拱曲和下垂力矩下发生，并且不需要在纵向梁22之间紧密间隔的纵向加强件或紧密间隔的纵向梁22。第二，弹性体芯38具有物理性能而且尺寸适合于在内外金属板34和36之间转移足够的剪切力，以增强内外板34和36的挠曲强度。由于复合板18的内外板34和36是隔开的，它们提供的挠曲强度大约是具有同一总厚度板的常规单一金属板14的挠曲强度的10倍。当与对应的单一板部件比较时，由于复合部件的强度显著较高，复合部件如纵向梁22、框架24或舱壁26可以间隔得更开，因此很少需要。更次，强度较大的复合部件需要的加强件7显著地少得多或不需要。因此，不需要增加造船用的钢的总重量，在先有技术钢双壳中所需的额外的纵向梁3、框架11和2及板加强件7可以再分配给复合船壳板17和18及结构件如梁22、底板24、舱壁26和肋板32，从而得到强度更大的单个部件，能够改进结构性能而不增加钢的成本。弹性体芯38在复合板18的内外金属板34和36之间提供足够的纵向剪切力转移，使所有的板34和36都能够有助于产生弹性断面模量并由此产生整体的油船的力矩抵抗性能。弹性体增大船壳结构的剪切变形容量。通过用两个由结构弹性体38隔开并粘合在其上面的较薄钢板34和36构成的复合板18来替代先有技术单一较厚钢板，以等价成本或低于常规结构的成本获得一种抗撕裂或破裂的船壳，因为该钢板可以并非必须用更贵的切口韧性钢。复合板18中两个钢板34和36的厚度分布不是规定的，并可以分布为对如下因子优化结构性能和耐用寿命，这些因子和负荷承载容量和耐腐蚀、耐磨损。

用复合板18替代船壳部件如船壳板17、纵向梁22，底板框架24和舱壁26中的常规钢板18，能显著地增大这些单个船壳部件和整个船壳的强度，并允许减小复合船壳板18中内外钢板34和36的厚度，并显著减少常规船壳构造部件如加强件7、框架11和支承件2、3的数目，这些支承件2、3是承载平面内操作负荷如引起拱曲和下垂的操作负荷所需的。用强度更大的复合板18替代常规钢板和替代常规框架及支承件也简化了支承结构。强度更大的复合板18能使构造具有显著少得多的结构件，这转过来显著减小了结构交叉件的数目，如通过底板框架24、舱壁26、框架端部托架(未示出)、倾斜托架(未示出)等的纵向件的数目。结构交叉件的减少转过来减少了疲劳敏感细部的数目和相应的可能产生疲劳故障的数目。较少的结构件也减少了在意外事故情况下一个裂纹会扩展到内壳20中的可能性。

与革新的造船工程细节相结合的复合板系统提供一种耐冲击的韧性结构。复合板18的外钢板36用作硬的防磨损表面。弹性体芯38吸收能量、将横向负荷耗散到内钢板34并提供一种连续的高延伸率耐热隔板。内钢板34也用作一个硬的磨损防护表面，并且承载非弹性隔板作用中冲击负荷的大多数。夹层概念允许复合板18的内外钢板34和36之间钢层厚度最佳分布，以提供最有效的结构系统。弹性体芯38的绝热性能对内钢板34和支承结构钢部件如纵向梁22和底板框架24提供较温暖的环境，允许使用成本较低的裂纹较少的韧性钢。在意外事故或极端负荷的条件下，复合板18的延展性的弹性体芯38增大内外金属板34和36的抗穿孔性能，当内外金属板34和36在支承件如纵向梁22和底板框架24上变形时在内外金属板34和36内产生较均匀的应变场，减小局部的剪切变形，而且，在冲击负荷的情况下，大大增加内外金属板34和36在横向支承件处抗撕裂的性能。内壳20复合板18内的弹性体芯38在外壳28的底部或侧部结构(该结构在撞击或搁浅期间通常承受损伤)和作为货舱内衬的内壳的内钢板34之间提供有效的防裂层。该防裂层与其它防裂细部相结合，将显著减小或甚至消除石油外流之类事故，这种事故本来会在外壳破裂时由于裂纹扩展到货舱中而发生的。

简化的结构系统不太密集，具有平的表面，在其上面易于涂敷、检验和保持防护涂层。涂层破裂一般最常在难于接触的区域发生，如法兰下侧或法兰与腹板相交处(未示出)，该处最初的涂层可以不充分，其后的涂层维修涂敷是困难的。因为复合板系统需要保护的表面积较少，所以腐蚀问题可能性减小而使用寿命增加。

建造钢一弹性体一钢复合板双壳结构的初始费用比对应的常规全钢加强板结构要少。弹性体芯材料以及与复合板有关的安装和附加焊接的费用，由于免去很多常规的钢板加强件7、免去支承件(如在纵向横向框架、底板或舱壁交叉处的套管板或平衡凸耳)以及免去常规船壳中需要油漆和维修的很大面积而得到补偿。由于使用寿命提高、责任和货物保险费用降低与操作费用降低，得到费用方面的更多优点，操作费用降低是由于运输期间船只较轻和油的加热费用降低。

采用双壳油船的基本原因是在意外事故或极端负荷情况下(如搁浅或碰撞)尽可能减小石油外溢的可能性。在这方面，本发明的系统比先有技术系统提供优越的性能。

对先有技术船壳底部区段的大规模搁浅试验表明，当前双壳替换物的内壳的破裂将由于外壳受岩石或其它物体的最初破裂引起的裂纹扩展而产生，即使内壳中的穿透深度小于内外壳之间的分隔距离。用防裂保护层15隔离货舱是关键的。图7-10例示复合船壳板18与复合横向舱壁26、复合底板框架24和复合纵向梁22的相互连接。复合纵向梁22向着横向舱壁26下面的复合底板框架24延伸并与其连接。纵向梁22的纵向边缘仅仅直接连接在外壳28的内板34和内壳20的外板36上。间隔件44设置在内壳20的复合板18中，使得它们安置在纵向梁22的半中间。参照图8，一个简单的贴角焊48将间隔件44的边缘46固定在内壳20的外板36的内表面66上，而一个单独的对接焊55分别将内壳内板35a和35b的边缘52和54与间隔件44的边缘50固定，从而连接复合板18的各板。这些简化的焊接细部做得易于制造和便于焊接操作自动化。间隔件44安置在各纵向梁22之间的中间距离处，与横向舱壁26处底板框架24中的半圆空隙60结合，该横向舱壁26邻接内壳板20中间隔件44的位置，它们提供一个有效的防裂屏障。图8-10清楚示出，内壳20的内金属层34和外金属层36之间的唯一直接的金属对金属的接触是间隔件44。通过将间隔件44安置在离纵向梁22-显著距离处，和通过在底板框架24中邻近内壳复合板18中间隔件44的位置处设置一空隙60，内壳20已与裂纹扩展影响有效地隔离。从外壳28向上通过纵向梁22的裂纹扩展被内壳20中的弹性体芯38止住。从外壳28向上通过底板框架24或其它类似的横向结构件扩展的裂纹终止于空隙60处，有效地防止裂纹通过间隔件445扩展到内壳20的内板34上。

半圆空隙60是一种典型的结构不连续，它被用于在由于疲劳而遭受裂纹扩展的结构中终止裂纹。一个塞62填充该半圆空隙60。塞62在底板框架24的任一侧上具有圆周凸缘64，它在任一侧上产生水密舱。该塞可以是一种就地浇注的弹性体，虽然其它种类的塞也可考虑。图8、9、10清楚示出，利用聚氨酯弹性体芯38，可将货舱68与外船结构有效地隔离，使内壳20的内金属板34与船结构的其余部分之间的唯一直接的金属对金属连接是图8所示的内外金属板34和36之间的间隔件44。

如图9中所示，舱壁26利用焊接或其它方法固定在内壳20的内板34上。在内壳20下方，底板框架24支承舱壁26并利用焊接或其它方法焊接在内壳20的外板36上。弹性体层38在底板框架24和舱壁26之间形成一个防裂层15。为了保证在内壳20的内板34和外板36之间不存在直接的金属对金属接触，其中内壳20在底板框架24和舱壁26之间通过，一个间隙67(图13)可设置在纵向间隔件44中(从图13中的侧视图示出)，在该处它在底板框架24和舱壁26之间通过并延伸一个短距离到横向部件的任一侧上。附加的弹性体间隔件可以安置成横交于纵向间隔件，以便在底板框架24和舱壁26周围提供一个焊接边缘。在焊接间隙67之后填充弹性体。随后用弹性体填充间隙67。这使货舱与通过钢板扩展的裂纹有效地隔离，这种裂纹可能由于另一船舶撞入船壳侧部结构中而产生。

除了固有的防止裂纹外，比起CDH或ADH外，本发明也提供增大的能量吸收容量。船壳板中钢板材料的较高集中度与钢一弹性体一钢夹层板的物理和行为特性(如弹性体的增大的断面模量和弹性回弹性能)相结合，往往会扩展局部塑性，例如减小局部弯曲和尖端或小负荷点周围的剪切应变，而与设计成在意外事故或极端负荷下塑性变形(折皱)的纵向梁相结合，将尽可能增大在塑性膜作用中变形的材料，尽可能增大与被冲击物体或冲击物体相接触的材料，延迟撕裂的开始，增大能量吸收容量。结果是一种韧性的表皮船壳和具有更大的耐冲负荷性能的油船。为了保证幸免能力，油船被设计成在任何可能的意外事故或极端负荷事件后能保持船壳梁的完整性。结构装置的简化减少垂直框架部件的交叉数目和易于疲劳的零件的数目。

由于提供上述简化的结构系统，待涂敷和防腐蚀的表面积减小，存在的表面积绝大部分平坦而无障碍。因此防护涂层的涂敷、检查和维修更加容易。所有这些因素起作用，因而降低初始建造成本、使用中维修成本，并提高船舶的潜在使用寿命。

聚氨酯弹性体的热性能可使外壳的内板、内壳的各板和纵向梁与环境温度绝热，这种环境温度如在寒冷天气区域中工作的油船，可以减小对钢板的切口韧性要求和在冲击负荷下脆性断裂的可能性。对于内壳，此种绝热性能减小了油货转移中加热有关的操作费用。

弹性体可以选择成耐燃料和耐油，并且不渗水。选定的弹性体应当充分粘合在它们模铸的钢板上。如果选择适当，在一个船壳板的任何部分中由于腐蚀或磨损而造成一个洞的情况下，该弹性体将防止水、燃料或油在任一船壳的内外板之间渗漏。

本发明的系统设计成结构上可行，在建造和维修方面其成本具有竞争力。

虽然本文示出和描述了包括本发明说明的单独一个实施例，但该技术的专业人员能够容易地设计包括这些说明的许多其它变化的实施例，所有这些均在本发明的范围内。

Claims (26)

1.一种结构叠层部件，包括：

一个具有第一内表面和第一外表面的第一金属层；

一个具有第二内表面和第二外表面的第二金属层，该第二金属层与所述第一金属层隔开；以及

一个由未发泡的聚氨酯塑料构成的中间层，位于所述第一和第二内表面之间并粘合在这两个内表面上，以防止结构叠层部件的局部变形。

2.如权利要求1所述的结构叠层部件，其特征在于，所述第一和第二金属层厚度各在6至25mm的范围内。

3.如权利要求1所述的结构叠层部件，其特征在于，所述聚氨酯塑料的拉伸强度在20至55MPa的范围内。

4.如权利要求1所述的结构叠层部件，其特征在于，所述聚氨酯塑料的肖氏硬度在70A至80D的范围内。

5.如权利要求1所述的结构叠层部件，其特征在于，所述聚氨酯塑料的延伸率在100至800％的范围内。

6.如权利要求1所述的结构叠层部件，其特征在于，所述聚氨酯塑料挠性模量在2至104MPa的范围内。

7.一种船舶，包括一种如上述权利要求1至6中任何一项所述的结构叠层部件。

8.一种有一船壳的船舶，包括一种如权利要求1至6中任何一项所述的结构叠层部件。

9.一种制造结构叠层的方法，包括下列步骤：

将第一金属层和第二金属层从隔开的关系定位，使得在第一和第二金属层的面对的表面之间形成一芯腔，各第一和第二金属层的厚度在6mm至25mm的范围内；

在所述芯腔中设置未固化的未发泡的聚氨酯塑料；以及

固化该未固化的未发泡的聚氨酯塑料，使得该未发泡的聚氨酯塑料粘合在第一和第二金属层的面对的表面上。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第一和第二金属板之一有一个适合于焊接的部分，该适合于焊接的部分在一部分芯腔中限定了一个邻接该适合于焊接的部分的焊接边缘，而该在芯腔中设置未固化的聚氨酯塑料的步骤是这样进行的，使得该焊接边缘没有聚氨酯塑料。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该适合于焊接的部分是一个周边边缘。

12.如权利要求9至11中任何一项所述的方法，还包括下列步骤：设置一个通过该第一和第二金属层之一的厚度的一个孔，而且其中通过该孔将未固化的聚氨酯塑料提供给芯腔。

13.如权利要求9至11中任何一项所述的方法，其特征在于，该芯腔有一个开口端部，而该未固化的聚氨酯塑料通过该开口端部提供给芯腔。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述定位是通过在第一金属层和第二金属层之间放置一个间隔件来完成的。

15.一种制造双壁结构的方法，包括：

通过将第一金属层设置成与第二金属层隔开，使得在第一和第二金属层的面对的表面之间形成一芯腔，来形成一个第一壁；

通过将第三金属层设置成与第四金属层隔开，使得在第三和第四金属层的面对的表面之间形成一芯腔，来形成一个第二壁；

将第一壁支承在一个邻接第二壁并与其隔开的位置上，使得在第一壁的第二金属层和第二壁的第三金属层之间限定一个出入腔；

通过第一壁的第二金属层中的一个孔将一种未固化的未发泡的聚氨酯塑料提供给第一壁的芯腔，该孔允许在双壁结构的出入腔和第一壁的芯腔之间连通；

通过第二壁的第三金属层中的一个孔将一种未固化的未发泡的聚氨酯塑料提供给第二壁的芯腔，该孔允许在双壁结构的出入腔和第二壁的芯腔之间连通；

在所述第一壁的芯腔中固化该未固化的未发泡的聚氨酯塑料，使得未发泡的聚氨酯塑料粘合在第一壁的第一和第二金属层的面对的表面上；以及

在所述第二壁的芯腔中固化该未固化的未发泡的聚氨酯塑料，使得未发泡的聚氨酯塑料粘合在第二壁的第三和第四金属层的面对的表面上。

16.如权利要求15所述的方法，还包括密封该孔的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该孔用金属塞密封。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该孔和该塞设有相互配合的螺纹。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述定位是通过在第一金属层和第二金属层之间放置一个间隔件来完成的。

20.如权利要求19所述的方法，还包括将该间隔件装在第一和第二金属层之一上的步骤。

21.如权利要求20所述的方法，还包括将该间隔件装在所述第一和第二金属层中另一个上的步骤。

22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，该间隔件是通过焊接安装的。

23.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，该间隔件是通过粘接安装的。

24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该间隔件是金属。

25.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该间隔件是塑料。

26.一种制造结构叠层的方法，包括下列步骤：

在第一金属层和第二金属层的面对的表面之间粘合一个预铸的未发泡的聚氨酯塑料芯，各第一和第二金属层每个的厚度在6mm至25mm的范围内。

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