一种具有防结冰功能的机库大门门体结构及其制造工艺的制作方法

本发明属于海洋工程装备及高技术船舶技术领域，具体涉及一种点阵金属夹层结构防结冰门体设计及其制造工艺。

背景技术：

目前机库大门从开启方式上可以分为两类：推拉式大门和悬挂提升式大门。对于大型海洋装备，其机库现主要采用推拉式大门，门体结构主要为板筋结构。板筋结构门体在满足承载要求的情况下，具有重量较大的缺点，使得在须人工开合门体时费时费力。而在特殊情况下门体的迅速开合，尤为重要，否则会带来严重的后果，甚至是灾难性事故，因此有必要对已有的机库大门门体进行减重。同时海洋船舶结构有时会处于极寒、湿气大的环境时，门体结构外表面极易结冰，将严重影响到门体的开合，在结构设计时必须考虑到该因素。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种兼顾承载、防结冰功能的机库大门门体结构及其制造工艺。通过用点阵波纹金属夹层结构代替现有板筋门体结构，并对金属波纹芯体进行通热风设计，从而获得具有承载、防结冰等多功能集成的机库大门门体结构。

本发明采用以下技术方案：

一种具有防结冰功能的机库大门门体结构，包括外侧面板和内侧面板，所述外侧面板和内侧面板之间设置有M型结构的波纹芯体，所述波纹芯体的上下端点分别设置有平面型的芯体平台，所述芯体平台用于和所述外侧面板和内侧面板连接，所述波纹芯体的每个波纹段上下交替开有空气流动孔，每个所述波纹段的空气流动孔上对应设置有流动管，用于在所述波纹芯体上形成M型空气流动通道。

优选的，所述波纹芯体与所述外侧面板和/或所述内侧面板之间的倾角θ为45°～60°。

优选的，所述波纹芯体平台的宽度为15～30mm。

优选的，所述空气流动孔的直径为100～200mm。

优选的，所述外侧面板和内侧面板的板材厚度为7.5～9mm，所述流动管的管材厚度为2～8mm。

本发明还公开了一种制备具有防结冰功能的机库大门门体结构的工艺，包括以下步骤：

S1、将平整过的板材切割成侧面板，通过表面处理去除油污和锈迹；

S2、采用冲压或折弯技术将平整的板材制成M型的波纹芯体结构；

S3、在所述波纹芯体的每个波纹段上下交替开有用于热空气流动的通孔，通过表面处理去除油污和锈迹；

S4、将步骤S1制备的侧面板和步骤S3的波纹芯体连接成一体；

S5、将中空管材切割成流动管，将所述流动管分别连接到所述波纹芯体的每个波纹段的通孔上；

S6、将步骤S1制备的侧面板和步骤S5制备的带有侧面板和流动管的波纹芯体连接成一体，得到机库大门门体结构。

优选的，步骤S1和S2所述板材采用碳钢或钛合金制备而成，步骤S5所述管材采用碳钢或钛合金制备而成。

优选的，先在步骤S3所述波纹芯体上按照设计位置加工用于热空气流动的通孔，再采用步骤S2所述冲压或折弯技术制成M型的所述波纹芯体结构。

优选的，步骤S3所述通孔采用激光切割技术、线切割技术。

优选的，步骤S4-S6中，所述连接采用激光焊接技术、氩弧焊焊接技术和搅拌摩擦焊技术。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种具有防结冰功能的机库大门门体结构，门体的主体结构为点阵金属波纹夹层结构，由内外两侧面板和波纹芯体通过激光焊接制备而成；同时在波纹芯体内设计有热空气流动孔和流动管，形成部分连通的芯体流动空间，通过控制热风或热蒸汽在其中流动，对外侧面板加热达到防结冰的目的。

进一步的，倾角θ为45°～60°，一是该角度内可以充分发挥波纹芯体结构的抗爆承载性能；二是该倾角范围内的波纹芯体，便于加工制备，如果倾角过大，则不利于折弯成型。

进一步的，如果芯体平台宽度过大，则会影响整个门体结构的抗爆承载性能；如果芯体平台宽度过小，则难以加工折弯成型。芯体平台的宽度为15～30mm，此范围内的芯体平台宽度考虑了以上两个因素，同时该平台宽度范围有利于芯体与面板进行连接，可以保证足够的焊接强度。

进一步的，空气流动孔的直径在100～200mm内，可以保证门体在加热时，空气流动噪声不会过大，整个外侧面板具有较好的加热效果；同时不会因为空气流动孔的设计，使波纹芯体抗爆承载性能大幅下降。

进一步的，管材厚度2～8mm，选取主要参考波纹芯体板的厚度，不能较波纹芯体板过薄或过厚；过薄则不利于与波纹芯体板的连接，过厚除了增加额外的重量，还会引起波纹芯体板的局部变形。

本发明还提供了一种制备具有防结冰功能的机库大门门体结构的工艺，将板材切割成侧面板，采用冲压或折弯技术制成M型的波纹芯体结构，然后在波纹芯体结构上开通孔，通孔上设置流动管组成M型的空气流动通道，最后将侧面板和波纹芯体焊接成一体制成机库大门的门体结构，将点阵金属夹层结构中的波纹结构应用于推拉式门体，充分发挥波纹结构面内的正交各向异性力学性能，在波纹结构面内抗弯强度较高的方向与门体高度方向相同时，能够表现出优异的抗爆抗冲击承载性能，同时，波纹结构内部具有二维的通道，在将各通道打孔连接起来时，能发挥出热管理方面的结构优势，本方法适用于各类机库大门门体及其它一些具有抗爆、保温需求的大型防护结构制作。

进一步的，选用碳钢或钛合金，区别于普通的机库大门，选用碳钢或钛合金材料可以实现抗爆承载功能需求。而相较于碳钢，选用钛合金可以使门体质量更轻，但建造成本也相应的更加昂贵。

进一步的，激光切割和线切割可以保证较高精度的板材成型，切割成本不会过高；激光焊接的采取主要针对波纹芯体与内外侧面板的连接，此时需要大功率的激光焊接机从面板外侧进行熔透焊接，即将内外侧面板焊透，从而保证芯体与面板的有效连接，同时激光焊接具有热变形小的特点；氩弧焊焊接主要针对空气流动管与波纹芯体的连接，其焊接技术成熟，成本低，可操作性高。

综上所述，本发明通过用点阵波纹金属夹层结构代替板筋结构，门体结构可以较现有板筋结构门体减重10％～25％，同时兼具承载、防爆、防结冰等多功能特性，并对金属波纹芯层进行通热风设计，以实现门体结构外侧面板被动加热的方式达到防结冰的设计目的，该防结冰设计提高了结构空间的集成性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明机库大门门体整体结构示意图；

图2为本发明点阵波纹金属夹层结构局部放大示意图；

图3为本发明波纹芯体及热空气流动孔、热空气流动管排布示意图；

图4为本发明热空气流动孔、热空气流动管结构局部放大示意图；

图5为三种结构在相同冲击载荷下的最大变形位移对比图；

图6为外门板外表面沿流动方向平均温度分布；

图7为外门板外表面最低温度随热空气质量流量的变化关系。

其中：1.外侧面板；2.内侧面板；3.波纹芯体；4.芯体平台；5.空气流动孔；6.流动管。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

点阵金属夹层结构是近些年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型多功能结构，具有超轻、高强韧、高比强、高比刚度、耐撞击、可利用空间大等多功能集成优势。该类结构可分为二维点阵结构(如波纹结构、蜂窝结构等)与三维桁架结构(如金字塔结构、X型结构等)。

本发明公开了一种具有防结冰功能的机库大门门体结构，门体的主体结构为点阵金属波纹夹层结构，由内外两侧面板和波纹芯体通过激光焊接制备而成；同时在波纹芯体内设计有热空气流动孔和流动管，形成部分连通的芯体流动空间，通过控制热风或热蒸汽在其中流动，对外侧面板加热达到防结冰的目的。

请参阅图1、图2和图4，包括外侧面板1和内侧面板2，所述外侧面板1和内侧面板2之间设置有M型结构的波纹芯体3，所述波纹芯体3的上下端点分别设置有平面型的芯体平台4，所述芯体平台4用于和所述外侧面板1和内侧面板2连接，所述波纹芯体3的每个波纹段上下交替开有空气流动孔5，每个所述波纹段的空气流动孔5上对应设置有流动管6，用于在所述波纹芯体3上形成M型空气流动通道。

优选的，请参阅图2，波纹芯体3与所述外侧面板1和/或所述内侧面板2的倾角θ为45°～60°。

优选的，请参阅图4，波纹芯体平台4的宽度为15～30mm。

优选的，空气流动孔5的直径为100～200mm。

优选的，流动管6的管材厚度为2～8mm。

请参阅图3，黑色箭头表示热空气流动方向，本发明还公开了一种具有防结冰功能的机库大门门体结构制造工艺，包括以下步骤：

S1、将平整过的板材切割成侧面板，通过喷丸表面处理去除油污和锈迹；

S2、采用冲压或折弯技术将平整的板材制成M型的波纹芯体结构；

S3、在所述波纹芯体的每个波纹段上下交替开有用于热空气流动的通孔，通过喷丸表面处理去除油污和锈迹；

所述通孔采用激光切割技术、线切割技术和等离子切割技术。

S4、将步骤S1制备的侧面板和步骤S3的波纹芯体连接成一体；

S5、将中空管材切割成流动管，将所述流动管分别连接到所述波纹芯体的每个波纹段的通孔上；

S6、将步骤S1制备的侧面板和步骤S5制备的带有侧面板和流动管的波纹芯体连接成一体，得到机库大门门体结构。

其中，步骤S4-S6中，所述连接采用激光焊接技术、氩弧焊焊接技术和搅拌摩擦焊技术。

步骤S1和S2所述板材采用碳钢或钛合金制备而成，步骤S5所述管材采用碳钢或钛合金制备而成。

步骤S2和S3加工顺序可置换，即在步骤S3所述波纹芯体上按照设计位置加工用于热空气流动的通孔，再采用步骤S2所述冲压或折弯技术制成M型的所述波纹芯体结构。

实施例1：

1)将平整过的921A特种钢板材采用激光切割技术切割成等厚度的外侧面板1和内侧面板2，板材厚度为7.5～9mm；

2)将平整过的921A特种钢板材采用折弯技术加工成图1所示的波纹芯体3，波纹芯体倾角为50°，波纹芯体平台4宽度为20mm，板材厚度为5～5.5mm，波纹芯体中心线高度为375～385mm；

3)采用激光切割技术在波纹芯体3中按设计位置加工空气流动孔5，孔直径大小为φ140～155mm；

4)将内侧面板2和波纹芯体3按设计位置组装，用夹具固定，采用万瓦级的大型激光焊接器将其连接起来，连接位置为波纹芯体平台4处，激光焊缝为两道；

5)采用激光切割技术得到同为921A特种钢材质的热空气用流动管6，管材壁厚为4～5.5mm；

6)采用激光焊接方式将热空气流动管6与波纹芯体3进行连接；

7)采用万瓦级的大型激光焊接器将外侧面板1与波纹芯体3进行连接，即得到小型门体主结构。

所述结构尺寸应用工况为：防结冰结构尺寸适用于热空气入口温度为120℃，压头为0.7MPa，热空气流速为20m/s将门体外侧面板在环境温度为-40℃的条件下加热到-5℃以上。门体外侧面板设计尺寸宽10m，高7m。

实施例2：

1)将平整过的921A特种钢板材采用数控水射流切割技术切割成等厚度的外侧面板1和内侧面板2，板材厚度为7.5～9mm；

2)采用激光切割技术在波纹芯体中按设计位置等间距加工热空气流动孔5，孔直径大小为φ140～155mm；

3)将加工有热空气流动孔5的921A特种钢板材采用折弯技术加工成图1所示的波纹芯体3，波纹芯体倾角为60°，波纹芯体平台4宽度为25mm，板材厚度为5～5.5mm，波纹芯体中心线高度为375～385mm；

4)将内侧面板2和波纹芯体3按设计位置组装，用夹具固定，采用万瓦级的大型激光焊接器将其连接起来，连接位置为波纹芯体平台4处，激光焊缝为两道；

5)采用线切割方式得到不锈钢材质的热空气流动管6，管材壁厚为4～5.5mm。；

6)采用氩弧焊焊接方式将热空气流动管6与波纹芯体3进行连接；

7)采用万瓦级的大型激光焊接器将外侧面板1与波纹芯体3进行连接，连接位置为波纹芯体平台4处，即得到小型门体主结构。

所述结构尺寸应用工况为：防结冰结构尺寸适用于热空气入口温度为120℃，压头为0.7MPa，热空气流速为20m/s将门体外侧面板在环境温度为-40℃的条件下加热到5℃以上。门体外侧面板设计尺寸宽10m，高7m。

实施例3：

1)将平整过的钛合金板材采用数控水射流切割技术切割成等厚度的外侧面板1和内侧面板2，板材厚度为7.5～9mm；

2)将平整过的钛合金板材采用折弯技术加工成图1所示的波纹芯体3，波纹芯体倾角为50°，波纹芯体平台4宽度为20mm，板材厚度为5～5.5mm，波纹芯体中心线高度为375～385mm；

3)采用激光切割技术在波纹芯体3中按设计位置加工热空气流动孔5，孔直径大小为φ140～155mm；

4)将内侧面板2和波纹芯体3按设计位置组装，用夹具固定，采用万瓦级的大型激光焊接器将其连接起来，连接位置为波纹芯体平台4处，激光焊缝为两道；

5)采用线切割方式得到不锈钢材质的热空气流动管6，管材壁厚为4～5.5mm；

6)采用氩弧焊焊接方式将热空气流动管6与波纹芯体3进行连接；

7)采用万瓦级的大型激光焊接器将外侧面板1与波纹芯体3进行连接，连接位置为波纹芯体平台4处，即得到小型门体主结构。

所述结构尺寸应用工况为：防结冰结构尺寸适用于热空气入口温度为120℃，压头为0.7MPa，热空气流速为20m/s将门体外侧面板在环境温度为-40℃的条件下加热到5℃以上。门体外侧面板设计尺寸宽10m，高7m。

请参阅图5，图中对比了等质量波纹芯体结构、方孔蜂窝结构和板筋结构中结构在相同冲击载荷作用下的最大变形位移，说明了波纹结构较板筋结构有着明显的结构优势。

请参阅图6和图7，可以通过对波纹结构内部通热风的方式来对外面板加热，图中分别表明了外面板温度随热源入口距离和热源入口流量大小两个因素的变化情况，具体如下：

门体设计的加热方式为：从一侧通入热源(热风)，热源沿内部通道，门体纵向方向(长度方向)传输，然后从另一侧输出；在热源传送过程中，对门体外面板进行加热。图6表示某一热源流量下，外面板表面温度沿输送距离的分布，即距离输入热源处越远，温度越低；横轴表示距离，纵轴表示温度；图中的i是一个收敛性验证，表示结果收敛正确。图7表示门体外面板的最低温度随热源质量流量大小的变化，由于门体具有防结冰功能，因此距离热源入口最远处的最低温度不能小于某一个临界值；如图所示，若要最小温度不小于5度，则质量流量不能低于1.7774。这两幅图综合起来表明，波纹结构门体在防结冰功能方面是可行的，即使门体纵向跨度较大(本申请以长度10m为例)时，亦可实现。

将点阵金属夹层结构中的波纹结构应用于推拉式门体，可以充分发挥波纹结构面内的正交各向异性力学性能。在波纹结构面内抗弯强度较高的方向与门体高度方向相同时，其表现出优异的抗爆抗冲击承载性能。同时，波纹结构内部具有二维的通道，在将各通道打孔连接起来时，即可发挥出热管理方面的结构优势。