複合結構的層板的製作方法

2023-05-12 05:17:36 1

專利名稱：複合結構的層板的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有夾層結構的構件，特別是能夠用於承載載荷，例如能夠代替堅硬的鋼板的構件。
已知在船殼板或橋面的應用中，是通過提供可伸展的支肋一包括進一步垂直焊接到主板上的鋼桁架一而提高鋼板的硬度。支肋是依靠板所承載的力，在一個方向或兩個垂直的方向上發揮作用的。支肋的使用使製造過程複雜化，重量顯著增加，且使整個結構的防侵蝕和維修保養更加困難。
在造船與輪機工程師協會的會刊V931985pp55-77上發表的「運油船上新型單向-桁架-系統產品的強度評估的可信性分析」一文中，描述了一種僅在一個方向上裝置支肋，從而減少船殼板支肋裝置的缺陷的嘗試。在一定程度上有助於船的製造及維修保養，但不能解決支肋裝置上的其他缺陷。
提高隔音或隔熱性能的金屬-塑料層板，已經被用於包覆或包蓋建築物，見US4,698,278。這種層板一般使用泡沫或纖維材料，且不是用來，或不能夠承載巨大的載荷，即顯著大於自身重量及由局部風或雪的作用所產生的小載荷。
US4,851,271公開了使用金屬-塑料層板為平底油鍋加襯，以提供聲音隔絕性能。在這種容器的應用中，層板作為一個整體不能承載顯著大於自身重量和容器內容物重量的載荷。且襯層板不能對層板的結構強度作出顯著的貢獻。
US5,219,629公開了具有各種芯材的鋁製夾層板在卡車拖車主體構造上的使用。然而，鋁製層板太薄且芯材不足夠堅固以致不能夠在較大的結構中承載巨大的載荷。
Josef Linder在加拿大渥太華Carleton大學一位工程碩士部分實踐的基礎上提出的論點「先進的雙殼夾層板系統的性能實驗性研究」中，考慮了船構造中鋼-聚氨酯泡沫-鋼夾層板的使用，但認為其不具有足夠的彎曲和結合強度，及充分的能量吸收性能。
本發明提供的一種層板結構的構件包括具有第一內表面和第一外表面的第一金屬層；具有第二內表面和第二外表面的第二金屬層，該第二金屬層與所述第一金屬層相間隔；和包含有合成橡膠的夾層設置在兩層之間，並與上述第一和第二內表面相粘合，所述合成橡膠的彈性模量E，大於或等於約250MPa且其伸展性超過金屬層。
本發明的基本要求在於，在承載載荷時層板作為單一的構件要比三個單獨的部件強，且其夾層的機械性能及它與外層的結合必須通過效果進行選擇。夾層因此必須具有足夠的彈性模量和伸展性，以能夠在用於兩金屬層之間時轉移遇到的或使用時預期會遇到的橫向的力。足夠的結合強度對於轉移削減力也是需要的。
在應用中，如船上，抗衝擊能力是很重要的，夾層還必須具有足夠的屈服強度，以使其在預期的衝擊載荷下不致斷裂。在極度載荷下，該構件通過消散應力，提高刺穿阻力及其作為一個整體構件的非彈性層的作用，將比單獨的金屬薄板構件吸收更多的能量。
優選地，應對兩金屬層和夾層間的相對強度和比例，特別是夾層剛度進行選擇，以保證當被施予極度的上拱和下陷的載荷時，能彎曲成球面(作為一個整體)而非反對稱彎曲或局部彎曲。
同樣優選地，夾層應有足夠的伸展性和彈性模量以分散金屬層裂縫尖端所集中的重壓，並將其轉移到別處，以防止裂縫在兩層之間蔓延。裂縫在層板上開始蔓延時，夾層應對其有一延緩的作用。
金屬層優選是由鋼製成的，每一層的厚度在3.5-25mm之間。最小厚度是指能夠被有效地焊接邊界一這是強度所必需的一的最薄的板。在最上限值時本發明的優勢減少。並不要求兩金屬層具有相等的厚度。特別是當使用中能提供一種超過邊界的板時，會面臨一種侵蝕環境。
在使用中預期的負荷下，優選使用性能類同於合成橡膠的塑料材料，且厚度在20至100mm之間。夾層的厚度可隨構件的不同應用而變化。材料優選是緊密的，即非泡沫的，雖然可能是有意的，也可能是所使用的製造方法產生了副作用而存在一些無效空間，只要複合板所期望的性能沒有降低即可。夾層可接受的最大無效空間在10-20％之間。
本發明在複雜結構，如在船上使用時，通過減少所需的一些或所有支肋，而使其複雜性，重量和成本減少了，減少或增加了縱向和橫向桁架間的間隔，減少了需要塗層的表面積和對侵蝕敏感的部位。
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步的說明，其中

圖1是本發明的層板構件的橫截面圖；圖2是本發明的包含有隔板的層板構件的局部剖面透視圖；圖3是使用本發明的層板構件構築的雙外殼船的局部截面圖；圖4是本發明的層板構件在水平載荷時的軸向壓縮坐標圖；圖5是根據本發明所製成的試驗樣品板的透視圖；圖6是說明試驗樣品在橫向載荷時的性能坐標圖；和圖7是使用本發明的層板構件構築的貨櫃船的裝貨口蓋透視圖。
在附圖中，相同的部分用相同的數字標識。
圖1是本發明的層板構件10的橫截面圖。層板構件10包括第一外層1，夾層或芯層2和第二外層3。夾層2以足夠的強度分別與第1和第2外層1，3結合，而轉移外層之間的剪切載荷，以構成一能夠承載顯著大於其自身重量的載荷的複合結構構件。
層板構件所能承載的準確載荷要取決於其具體被置於何處應用而定。例如，如果層板構件被用於載重40,000DWT的油船的殼板上時，它應該能夠在2m寬沒有彎曲的條件下，至少承載10-12,000kN的水平載荷，或至少100kPa，優選1,000kPa或更大的橫向載荷，而不會斷裂。對於較小的船隻，特別是遊艇，層板構件則不需要如此堅固。
圖4表示本發明的2,000mm寬的層狀複合殼板的典型的軸向壓縮載荷曲線。它表明，基本上直到裝載到12,075kN的載荷時，均為線性壓縮。
標號為1、3的第1層和第2層是由金屬製成的，夾層2是由塑料或合成橡膠材料製成的。構件的絕對和相對尺寸及所用的精確材料取決於該構件被置於何處應用。第一和第二外層的最小厚度為3mm，夾層的最小厚度為20mm。在所預期的最高環境溫度下使用時，夾層的彈性模量E也必須至少為250MPa，優選275MPa。在船隻的建造應用中溫度可以為100℃。合成橡膠也不應該太堅硬，因此船隻建造的應用中，在所預期的最低溫度為-40-45℃時，E應小於2,500MPa。
撕裂、壓縮和伸展的強度及伸張度，應大到能夠使複合層板在異常載荷的條件，如衝擊下吸收能量。特別是，合成橡膠的壓縮和伸展強度應至少為20，優選40MPa。當然壓縮強度能夠顯著大於這些最小值。
金屬層優選是鋼結構的，儘管在一些特殊的應用中，輕質、抗侵蝕或其它特定性能很重要時，也可以是鋁不鏽鋼或其它結構的合金。該金屬應優選具有240MPa的最小彎曲強度和至少20％的伸張度。在很多應用，特別是船的應用中，金屬可以焊接是至關重要的。
在最低的操作溫度下，合成橡膠的伸展性必須比金屬層的伸展性大，約為20％。合成橡膠的伸展性在最低操作溫度下的優選值為50％。合成橡膠的導熱係數還必須充分接近於鋼的導熱係數，以便在溫度的變化跨越所預期的操作範圍和在焊接時不會引起分層。兩種材料導熱係數的範圍不同，部分取決於合成橡膠的彈性，但合成橡膠的熱膨脹係數可以大約是金屬層的10倍。可以通過合成橡膠的附加填充物來控制熱膨脹係數。
在整個操作範圍中，合成橡膠和金屬層之間的結合強度必須至少為3，優選是6Mpa。這優選通過合成橡膠到鋼之間的內在粘合性來達到，但可以提供另外的粘合劑。
構件被用於船隻的附加的必要條件包括，跨越接合面的伸展強度必須能夠充分承載所預期的負性流體靜壓及與鋼連接處的分層壓力。合成橡膠對於海水和淡水都必須是水解穩定的，且如果構件被用於油船，還必須對油具有化學抵抗能力。
合成橡膠基本包括多元醇(如聚酯型多元醇或聚醚)及異氰酸鹽或二異氰酸鹽、增鏈劑和填充劑。必須提供填充劑以減小夾層的導熱係數，減少成本，另外控制合成橡膠的物理性能。也可以包括其他添加劑，例如控制疏水性或粘合的物質及防火劑。
外層的總厚度和合成橡膠厚度的比例(T1＋T3)/T2的範圍為0.1-2.5。
在製造層板之前或之後，可以將裝飾或防侵蝕用的塗料，塗在金屬層的外表面。
本發明的構件顯著地比沒有夾層的同等厚度的金屬板更加堅實牢固。這是因為構件以類似的方式作用於箱形桁架或I形梁上時，夾層起連接板的功能。為了發揮這樣的作用，夾層自身和其與外層的結合必須足夠堅固，以轉移使用層板時將會出現的壓力。
本發明的又一優點，即在船隻上的特殊優勢，是夾層可防止在內層和外層之間裂縫的蔓延。夾層的彈性可防止壓力在外層裂縫尖端處集中，並將壓力轉移到堅固的連接處等其他地方，而使載荷分散。
圖3表示利用本發明層板結構的構件所設計的油船30的殼板的部分截面圖。油船的外殼板32和內殼板31是由本發明層板結構的構件構築的，該構件具有10mm的鋼質外層和一50mm的聚氨酯合成橡膠芯層。這兩個殼板是通過簡單的縱向鋼板桁架33，橫向連接板35，和位於舷緣和底艙區域的附加縱向鋼板38，在雙面的橫向隔壁36上連接的。滿足了兩殼板對縱向和橫向加固板的需求。
雙壁的橫向隔壁36，艙面和縱向艙面桁架37也是由本發明層板結構的構件所構築的。這便消除另外的加固件。縱向艙面桁架37也可以由橫向桁架所取代。
本發明層板構件的優選製作方法是在兩金屬層形成的腔中直接澆注或注入合成橡膠。如果是水平地操作，金屬板優選用隔板隔開，這種隔板可以是金屬的或合成橡膠的。如果隔板是合成橡膠的，那麼它們必須與形成夾層的材料相容，且略高於所預期的間隔，以便在上部板的重量之下，它們能夠壓縮至恰當的距離。可以將隔板延展以把兩金屬層形成的腔分成多個空間，分別將其填充，或在合成橡膠流過這些腔時簡單地塞住。如果將隔板延展，隔板在橫截面上可以是長方形的或是不等邊四邊形的，且沿著其長度方向可以有高度的變化，以提供合成橡膠的厚度可以變化的構件。必須用粘合劑或合成橡膠-相容的化合物將該隔板與鋼板以足夠的強度相連接，以使板在注入過程中，直到合成橡膠被充分固化，仍然保持在原處。
圖2用於說明3種不同類型的可以用於構築本發明的層板構件的隔板。使用一種圓柱形的合成橡膠塞4A支撐上層板，而不將欲填充的腔分隔。如果需要將腔劃界或分隔，則可以使用可延展的金屬隔板4B或可延展的合成橡膠隔板4C。金屬隔板4B可以用角焊焊接到下層板上，支撐上層板兩部分間的焊接接口，或作為焊接的支撐杆。合成橡膠塞4A和可伸展的合成橡膠隔板4C可以在澆注前被粘附於金屬板上，它們可以由基本上與被注入的合成橡膠相同的，或與被注入的合成橡膠相容但不同的合成橡膠製成。實際中的層板構件可以不需要所有這些不同類型的隔板。
儘管在澆注時合成橡膠的流體靜壓頭不應該太多，且排氣的流速應當是最佳的，澆注過程中可以使層板傾斜，甚至是垂直，以促使合成橡膠流動。也可以將層板安裝在結構中，在該位置處填充合成橡膠。
為能使一個構件焊接到另一個構件或已存在的結構上，必須圍繞邊緣留出一充足的焊接邊，以保證合成橡膠及它與鋼板的結合不致被焊接的熱量所破壞。焊接邊的寬度取決於合成橡膠的抗熱性和所使用的焊接技術，但大約為75mm。如果合成橡膠是澆注在兩層板之間，則焊接邊要由可伸展的隔板所定。
所需注入口的數量取決於用於抽吸合成橡膠成分的有效設備和所提供的最小的濺落(理想的自由濺落)、摻氣(以使無效空間達到最小)和合成橡膠的膠化時間。使用時，注入口應位於構件所放置的適當的位置。如果構件被用作雙殼板船中的殼板，注入口應被理想地放置，以面對中間殼板的缺口，而不是大海或或貨物的空間。理想地注入口是快速的隔離口，可以帶有單向閥，在澆注後即能被磨掉。它們還可以用塞子密封，在澆注之後磨平。
每個腔均設有排氣孔，以便排出腔中的所有空氣而保證不留下無效的空間。排氣孔可以是貫通的以允許在填充之後插入塞子，或包括在填充之後關閉的閥門或其他機械裝置。可以在放入合成橡膠之後磨平排氣孔和任何的塞子或閥門。
製造插入注入口或排氣孔的塞子的材料應該具有和金屬層相一致的產生電流的性能。如果金屬層是鋼的，那麼塞子可以是銅的。
必須監控注入過程，以確保平穩地填充腔體而沒有任何可引起膨脹和層板厚度不平的後部壓力。也可以使用管子來進行注入，隨著腔體的填充而逐步撤出這些管子。
在製作之後，還需確定合成橡膠已經正確地粘附於金屬層上了。這可以使用超聲波或X-射線技術來完成。
為了修補已損壞的構件，或假設合成橡膠未適當地粘合，將鋼板的破損部分鋸(冷切)下來或以火焰切割下來，用刳刨工具或壓力水(水力爆破)切割合成橡膠或將其挖出，直到暴露出好的合成橡膠，且制出焊接邊緣。必須充分的清理剩餘的合成橡膠的暴露表層，以便在此位置注入新的合成橡膠並粘合。
另一種製造方法是將合成橡膠的預製板粘合在金屬板上。
已經製造出使用本發明複合結構的層板作為大型運輸船隻外部殼板的龍骨板的測試樣品。在圖5中標出了樣品50，它包括外部殼板51，內部殼板52，縱向桁架53，54和橫板55。還提供了測量裝置的進孔56，但這不是必需的。
外部殼板51包括由8mm厚的軟鋼構成的第一和第二金屬層，及由50mm厚的聚氨酯合成橡膠芯材組成的夾層，其基本上是沒有空隙的。
為了簡單起見，內部殼板是一單一的8mm厚的鋼板，用700mm高的縱桁架53、54使其與外部殼板分隔。在實際應用中，內部殼板通常也是本發明的構件，但不要求具有嚴格相等的尺寸。在設計方案中，樣品的測量值為2600-5000mm。
在外部殼板中，安裝縱向和橫向的腔體隔板以確保用有效裝備適當地澆注合成橡膠。如果能在一次操作中澆注外層板的整個腔體，那麼這些則可以省去。
測試樣品被安裝在一水平的反應構架上，並施加四個500噸的液壓致動器載荷，以體現周圍船結構的堅固程度。圖6說明測試樣品載荷下的情形，它顯示橫向位移相對於所施加載荷的關係。
在載荷8201kN時，外部殼板的外層板發生剪張力斷裂。
圖7表示使用根據本發明的層板所設計的貨櫃船的裝貨口蓋，該貨櫃船滿足勞埃德商船協會的註冊規定和規則。層板71包括4mm厚的鋼製外層板和25mm厚的夾層板，且無需任何支肋。主桁架72和邊桁架73均為常規的形狀，但次桁架74的數量減少了。第三級桁架75用於舉起裝貨口蓋，邊桁架的託架77可使貨櫃載荷直接拆卸。裝備雙板76是必需的。
夾層中裝有填充物以控制合成橡膠的熱膨脹係數，使其接近鋼(12×10-6m/mm/℃)的熱膨脹係數，以防止溫度變化引起的分層。
裝貨口蓋與傳統的全鋼設計的相比，其堅固程度相等或更高，結構更簡單，這是因為焊接長度、支肋數量和其它所需的零件減少了。
以上詳述了本發明與船隻建造應用相關的內容。然而本發明在其它應用中也是有用的，特別是用於那些預計有較高的水平和橫向載荷，需要較高的斷裂強度或需要防止疲勞裂縫蔓延的情況。
權利要求
1.一種層板結構的構件，包括具有第一內表面和第一外表面的第一金屬層；具有第二內表面和第二外表面的第二金屬層，此第二金屬層與上述第一金屬層相間隔；且夾層包括位於上述第一和第二內表面間粘附在其上的合成橡膠，所述合成橡膠的彈性模量E大於或等於約250Mpa，且其伸展性超過金屬層。
2.根據權利要求1所述的一種層板結構的構件，其中所述的合成橡膠具有的彈性模量大於或等於約275Mpa。
3.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中所述的合成橡膠的伸展和壓縮強度至少為20Mpa。
4.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中所述的合成橡膠是緻密的。
5.根據權利要求4所述的一種層板結構的構件，其中夾層總的無效空間少於夾層總體積的約20％。
6.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中所述的合成橡膠是聚氨酯。
7.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中所述的夾層的厚度為20-100mm。
8.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中至少所述的第一和第二金屬層至少有一層是由鋼構成的。
9.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中所述的第一和第二金屬層每一層的厚度為3.5-25mm。
10.根據前面任何一個權利要求所述的一種層板結構的構件，其中第一和第二金屬層總的厚度與夾層厚度的比值為0.1-2.5。
11.一種層板結構的構件，基本上是參考附圖按照上文的描述構築的。
12.至少包含一個前面任何一個權利要求所述的層板結構構件的艇或船。
13.一種製造層板結構的構件的方法，包括以下步驟若是第一和第二金屬層是相間隔的，那麼在其間就設置中心腔體；用未固化的合成橡膠填充上述腔體，其固化後將具有大於或等於約250Mpa的彈性模量E和超過金屬層的伸展性；且固化上述合成橡膠以使其與所述的金屬層相粘合。
14.根據權利要求13的方法，其中所述的填充步驟是為了使摻氣達到最少，以使無效空間的比例在固化之後少於20％。
15.根據權利要求13或14的方法，還包括在上述填充步驟之前，在所述腔體中提供至少一個排氣孔。
16.根據權利要求15的方法，還包括在所述的固化步驟之後，密封上述排氣孔。
17.根據權利要求13至16中的任意一個方法，還包括在所述的填充和固化步驟過程中，提供隔板用以支撐所述第一和第二金屬層之間的間隔。
18.根據權利要求17的方法，用所述的隔板限定孔洞的邊緣，這樣所述的合成橡膠夾層至少有一邊從第一和第二金屬層凹進去，以提供一焊接邊。
19.一種接合層板結構構件的方法，包括將第一和第二金屬層及由第一合成橡膠構成的夾層接合到別的構件上包括下列步驟所述夾層從第一和第二金屬層凹進去，提供了與一部分所述層板結構構件相鄰近的焊接邊；將上述部分焊接到所述的其它構件上；用未固化的第二合成橡膠填充所述的焊接邊；將上述未固化的第二合成橡膠固化，以使其與所述的第一和第二金屬層及夾層相粘合。
20.根據權利要求19的方法，其中所述的部分是邊緣部分。
21.根據權利要求19或20的方法，其中所述的提供焊接邊的步驟是在所述層板結構構件的製造過程中完成的。
22.根據權利要求19或20的方法，其中所述的提供焊接邊的步驟包括切削一部分與上述夾層相鄰近的部分，如刳刨或水力爆破。
23.根據權利要求19至22中任何一項的方法，其中所述的其它構件是指一種包括第一和第二金屬層和合成橡膠夾層的層板結構的構件。
24.根據權利要求19至23中任何一項的方法，其中所述的一次和二次合成橡膠是相同的。
25.根據權利要求19至24中任何一項的方法，其中所述的填充步驟包括提供至少一種穿過所述第一和第二金屬層及夾層，到達所述焊接邊的填充孔洞，且所述未固化的第二合成橡膠穿過這個或每一個填充孔洞至所述焊接邊，且上述方法還包括在所述的固化步驟之後密封這個或每一個填充孔洞。
26.根據權利要求16或25的方法，其中所述密封步驟包括用具有與所述金屬層相容的產生電流性能的塞子密封這一個或每一個填充孔洞。
27.根據權利要求18或19或它們的任意一個從屬權利要求的方法，其中所述焊接邊的寬度至少約為75mm。
28.一種製造層板結構構件的方法，基本上是參考附圖按照上文的描述製造的。
29.一種將層板結構構件連接到另一個構件上的方法，基本上是參考附圖按照上文的描述製造的。
全文摘要
一種複合結構的層板,它包括兩外部金屬層如鋼層,和中間的合成橡膠芯層,如非泡沫聚氨酯層。此合成橡膠具有大於約250MPa的彈性模量和至少20MPa的伸展和壓縮強度。金屬和合成橡膠之間的粘合強度至少為3MPa。該複合結構的層板構件作為單獨構件在載荷下產生球面的而非不對稱的彎曲。
文檔編號B63B3/14GK1328502SQ9980570
公開日2001年12月26日 申請日期1999年5月6日 優先權日1998年5月8日
發明者S·J·甘迺迪 申請人:弗恩投資有限公司