FRP艇艇體分段成型工藝初探

摘 要：本文首先對FRP艇艇體現有的兩種主流成型工藝進行了分析：手糊成型工藝；真空芯材導流工藝。提出了分段成型工藝的初步構思，以充分利用這兩種成型工藝的優點。最后，對游艇分段設計的接縫形式、接縫位置、連接方式進行探討，并提出分段連接力學分析有限元模型的思路，以縮短玻璃鋼游艇的建造周期，提高生產效率。

關鍵詞：FRP；手糊工藝；真空芯材導流；分段成型

1 引 言

由于玻璃纖維增強塑料（Fiber Reinforced Plastics），具有質輕、高強、耐腐蝕、隔熱、防蟲蛀、易成型、外觀美、壽命長等優點，故從問世以來備受造船界的重視，現已成為世界中、小游艇和高速船艇制造的首選材料。隨著經濟發展，玻璃鋼游艇的逐漸普及和生產工藝的進一步提高，建造更大尺度的游艇成為必然趨勢。然而由于玻璃鋼的生產工藝和鋼制船舶的生產工藝有著很大的區別，鋼制船能夠鉚接和焊接，有著較成熟的分段制造理論和經驗。而FRP船艇由于其材質的特殊性，常用成型工藝對于大尺度的FRP艇已不太適用，傳統工藝面臨著生產周期長、勞動強度大以及成型精度不易控制等問題。本文對大尺度FRP船艇的分段成型作了一些初步探討，以實現縮短建造周期、提高生產效率和質量的目的。

2 兩種主流FRP艇艇體成型工藝分析

2.1 手糊成型工藝

手糊法也叫積層或層敷、鋪糊法，是FRP船艇制造中至今采用最多的成型方法。具體做法是先在已采取脫模措施的模具上噴涂膠衣樹脂，待膠衣樹脂凝固到一定程度后，再涂一層樹脂然后鋪上一層事先按模具尺寸裁剪好的增強材料如玻璃纖維布，用刷帚等工具使增強材料浸透樹脂排除氣泡，并使樹脂均勻分布。一層完成后再進行下一層，如此反復進行，直到完成規定厚度為止。等樹脂固化到較充分的程度后脫模，再經過修正打磨即可。

手糊成型簡單易行，是最有靈活性的生產手段。只要有了模具，操作人員具備一定的技術素質，就可建造外型各異的FRP艇體。它的不足是勞動強度大、勞動衛生條件差、生產效率較低、產品質量不易控制、產品力學性能較低。對于成型相對尺寸較小（一般小于65英尺）的產品，手糊成型易于實施并且成本低下，具有較好的經濟性。但對于結構復雜、尺寸較大的艇體，手糊工藝已很難勝任，迫切需要一種新的成型工藝來解決這一問題，于是就有了最近興起的真空芯材導流工藝。

2.2 真空芯材導流工藝

真空芯材導流工藝是將玻璃纖維增強材料和泡沫夾心材料預鋪設在密閉的模具內，然后安裝引流管道和膠接頭讓樹脂能夠流動擴散到模具內，通過采用真空薄膜袋的密封和真空泵的抽氣實現整個模具面積上鋪層內部的高真空環境。在系統壓力保持良好的情況下將低粘度的樹脂，經過管道在大氣壓壓力下注入模具內部，樹脂會按照預先鋪設好的管道在模具內進行擴散，在預計的時間內浸泡所有鋪設好的鋪層結構，待膠液樹脂凝固后揭去真空薄膜，便可從模具上得到所需艇體。這里真空薄膜不僅起到了提供真空環境的作用，更重要的是把苯乙烯等有害氣體的擴散降低了90%以上，符合環保健康的主流宗旨。與手糊工藝相比，在同樣原材料的情況下，真空芯材導流工藝成型后的構件的強度、剛度及其他物理特性可提高30%-50%以上。

真空芯材導流工藝具有手糊成型無法比擬的優點，故近來被廣泛采用，可是對于尺寸較大的FRP船艇，它卻有自身的一些不足。真空芯材導流工藝在實施初期必須對模具工廠環境以及施工人員進行必要的準備和培訓。尤其是在模具處理方面，模具必須具備足夠的剛度能夠承受真空成型過程中產生的壓力，也要具有足夠的強度保證其在真空壓力下不變形，如果艇體尺寸較大（一般大于90英尺），其模具相應的尺寸也大，此時要保證模具的剛度和強度，必然要增加額外的加強構件，從而使模具的制造成本提高，故對于尺寸較大的FRP艇真空芯材導流工藝并不具有很好的經濟效益。

下面結合以上兩種主流的成型工藝，對大尺寸FRP艇艇體的分段成型工藝進行初步構思。

3 分段成型工藝的初步構思

現有的兩種主流成型工藝對大尺寸FRP艇體的成型都有些弊端，為了解決大尺寸FRP艇艇體的成型問題，借鑒鋼制船艇的分段制造方法提出針對FRP艇艇體的分段成型工藝。由于玻璃鋼船的不可焊接性，我們不能像鋼制船艇那樣直接對各分段進行焊接連接。船體是縱向受力為主的構造物，其分段的連接問題至關重要。我們可以利用玻璃鋼復合材料的受力特點，設計合理的接縫形式和分段接縫的位置，利用手糊工藝對分段進行二次成型粘結，從而達到總縱強度的要求以及分段連接后的的力學性能。

分段的接縫設計成梯形契合狀，為了保證接縫區的總縱強度，分段接縫區最好設計在橫艙壁部位，艇體結構也應相應考慮，要增加接縫區厚度，也要加強接縫區附近的局部構件強度。具體的接縫設計可分為兩種形式：一種是設置在一塊橫艙壁下；另一種則是設置在兩塊橫艙壁或者兩強肋骨之間。前者的接縫較窄，主要依靠橫艙壁的局部加強來保證其連接后的總縱強度，需要注意的是連接橫艙壁與艇體的玻璃鋼膠接層應超過接縫區的范圍，并由下而上呈逐層縮短的梯形狀以保證連接的穩固性。后者的接縫較寬，具體大小根據結構情況而定，主要依靠增加接縫間二次粘結的寬度與厚度來保證其連接后的總縱強度，需要注意的是在整個接縫區內表面增加增強層，增強面積要大于接縫區面積，并注意邊緣的厚度要逐層過渡，以避免應力集中。具體形式如圖1所示。

為了解決分段連接的應力集中和連接后艇體強度不足問題，可以考慮在各分段成型過程中增加縱向鋼制加強材，加強材要延伸到各分段接口外一定尺寸，在分段連接時通過焊接鋼制加強材達到增強艇體連接后的總縱強度以及改善應力集中問題。由于玻璃鋼艇體成型的特殊性，增加的鋼制增強材會處于艇體內部而不會影響到艇體的外觀。

以上是對分段成型工藝的初步構思，如果其具有可行性，我們便可充分利用上文提到的真空芯材導流工藝和手糊成型的各自優勢，對大尺寸FRP艇體的各分段采用真空芯材導流工藝，而且在硬件設施允許情況下各分段可以同時進行成型，從而大大縮短了FRP艇艇體的建造周期、成型質量和結構性能。考慮到手糊成型法的操作簡單便利，正好可以用到各分段連接的二次成型粘結上。對大尺寸FRP艇主體以上的上層建筑與甲板層，同樣可以利用上述分段成型構思。

4 分段連接強度計算的思路

與同尺度、等截面的鋼船相比，玻璃鋼船的剛度只是鋼船的1/15～1/20。因此，為了滿足強度和剛度要求，玻璃鋼船在結構上和鋼船有所差別。玻璃鋼材料因其彈性模量低而容易產生扭曲和彎曲變形，因此玻璃鋼船的骨材就需要采用特定的截面形式來抵抗彎扭變形。通常情況下，玻璃鋼船的骨架梁材會采用梯形截面，截面表面鋪設玻璃纖維，中間空心部分填充芯材。對于這種結構形式我們通常稱之為夾層結構，如圖2所示，所謂層合結構如圖3所示，各單層板采用玻璃纖維作為增強材料，Y向為纖維的軸向方向，Z向為垂直于纖維軸線的方向（即疊層方向）。根據玻璃纖維的性能特點，各單向板是正交各向異性板。

在船體底部一般采用玻璃纖維結合樹脂材料設置鋪層，每一層會設有一定的方向角。龍骨區域需要加強，會比其它區域厚。舷側、甲板和艙壁等與底部的不同之處在于其獨特的夾層結構，即在鋪層結構的中間鋪設一層泡沫芯材。盡管芯材的力學性能比較低，但整個結構的剪切強度主要由芯材承受，面板對于剪切僅起部分作用。

我們可以根據實船的結構形式、受力情況、精度要求等，運用結構力學和有限元知識對實際結構進行簡化，選用合適的單元加以模擬而得出有限元模型。在結構強度的計算中，載荷和約束都對于中縱剖面對稱，因此只需要建立全船的半寬模型。

5 小 結

FRP艇艇體分段成型工藝的關鍵在于分段連接后的船體力學性能問題，因此合理的接縫形式、接縫位置以及接縫的二次粘結成型方法是問題的關鍵所在。對于所提到的通過增加鋼制加強材解決總縱強度和應力集中的構思，有很多值得進一步思考的，比如鋼和玻璃鋼的熱膨脹系數不一樣以及它們的相容性等問題，這都是后續要進一步思考的。本文提出的分段成型思路正是想在充分利用如今主流的成型工藝基礎上，對大尺寸FRP艇艇的建造有所展望。

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