船用玻璃鋼單板性能規范衡準更新研究

汪 敏

（中國船級社上海規范研究所，上海 200135）

0 引 言

隨著國內近年來玻璃鋼游艇及公務船銷量的大幅增長，帶動了國內玻璃鋼復合材料行業的蓬勃發展。各種新型樹脂及增強材料被引入，使得手糊成型的玻璃鋼單板性能較 90年代初有了大幅度的提升，而國內在玻璃鋼船單板性能方面尚無行業或國家標準，僅有規范。隨著行業的發展與技術的進步，玻璃鋼單板性能衡準也需要同步更新，以適應新的形勢。

1 國內外相關標準規范

短切氈加方格布是目前國內玻璃鋼造船行業使用的主要鋪層設計。國內對該鋪層的性能評估主要依據中國船級社（CCS）2009版《材料與焊接規范》[1]，該規范相關規定見表1。

表1 CCS規范（2009版）要求 N/mm2

由表1可以看出，玻璃纖維含量在35%～45%范圍內彎曲強度要求為150N/mm2，彎曲模量7000N/mm2。實際上，CCS規范（2009版）是以保證船舶安全而確定的最低要求。從調研的情況看，在一定范圍內隨著玻璃纖維含量的升高，玻璃鋼單板的力學性能會有明顯提高。目前的手糊成型工藝的技術水平，對于玻璃纖維含量 45%的玻璃鋼單板，彎曲強度一般在 230N/mm2左右，而彎曲模量隨鋪層結構不同，一般在8700～11000N/mm2之間，強度較CCS規范要求的150N/mm2高了50%以上，模量高了25%以上。目前的規范中，層板最低力學性能要求未做到隨玻璃纖維含量的變化而變化。

查詢歐洲的玻璃鋼小艇建造規范，采納國際標準ISO12215-5:2008[2]，該玻璃鋼船設計與建造標準給出了玻璃鋼單板（不飽和聚酯+玻璃纖維）的推薦性能（如表2所示）。

表2 ISO12215-5:2008規定

以計算法取得玻璃纖維含量ψ舉例，對采用如下手糊成型工藝的鋪層結構：

膠衣+2×M225+3×WRM500/300+WR500 （WRM500/300為500g/m2的方格布與300 g/m2的氈）

則采用公式計算如下：ψ=0.46-0.18R

R=（225×2+3×300）/(225×2+3×300+3×500+500)=0.403

ψ=0.46-0.18×0.403=0.387

之后將ψ=0.387代入表2中計算各項最低性能要求。

以35%的玻璃纖維含量作為起始含量，以5%的玻璃纖維含量差值作為梯度，則ISO標準的力學性能要求與CCS規范現有要求對比見表3。

表3 ISO12215-5:2008計算結果 N/mm2

從表3可以看出，以35%和45%兩個玻纖含量為例，玻纖含量45%的較35%的拉伸強度提高了52%，彎曲強度提高了24%，彎曲模量提高50%，這與國內調研的實際情況基本相符。ISO標準較好地解決了國內層板最低性能要求無法隨玻璃纖維含量變化而變化的問題，給出了一個較好的解決問題的思路。

2 ISO標準適用性

ISO對玻璃鋼單板的性能規定是基于不同玻璃纖維含量來確定的。而對玻璃纖維含量的確定，ISO標準規定可采用燃燒法實測也可采用鋪層計算法。但由于玻璃鋼材料在成型過程中人為因素以及環境因素含量會有5%甚至更大的差異，因此在實際的檢驗中，采用計算法確定的玻璃纖維含量與實測法的結果差異僅為3%～5%。對于船檢部門確定最低檢驗要求來說，還是計算法更為合理一些。從表2的計算法ψ取值和R計算可以看出，玻璃纖維含量計算結果隨鋪層結構的不同而變化。眾所周知，鋪層設計中布和氈的使用比例不同對整個鋪層的力學性能影響很大。鋪層設計中提高布的使用比例，則強度與剛度都有一定程度的提高，但層間結合力會下降，這在表2中都有體現。

國內玻璃鋼廠的檢測報告顯示，大部分測試項目都能滿足表2及表3中ISO的要求。但彎曲彈性模量要達到ISO標準還是有些困難，對于層間剪切強度，進行該項測試的國內各船廠都能大幅高于ISO標準。

3 規范修訂建議案

此次給出的規范修訂建議案較原 CCS規范的衡準有了大幅提升，由于國內玻璃鋼行業的彎曲彈性模量的平均水平低于ISO標準的推薦性能，對彎曲彈性模量在ISO推薦性能的基礎上作了一定的放寬；而對于層間剪切強度，建議案在國內首次加入層間剪切強度的測試要求，其衡準略高于ISO，規范修訂建議案見表4。

表4 CCS規范（2013版修訂建議案）

以國內某船廠玻璃鋼單板設計為例，按計算法計算R和ψ：

該廠某鋪層設計為：M300+M450+WR570+M450+2WR570+M450+2WR570+M450，采用手糊成型方式，則R=氈/（氈+布）=（300+450×4）/(300+450×4+570*5)=0.42；手糊成型，ψ=0.46-0.18×R=0.46-0.18×0.42=0.38。以0.38的玻纖含量通過ISO的公式計算得出最低性能要求如表5所示。

表5 某廠試板計算結果對比 N/mm2

該廠的層板測試數據較多，選取有代表性的4組實測數據，第1、4組為所有測試數據中最好和最差的，較常見情況的結果為第 3、4組。結合其他船廠的調研結果，從彎曲彈性模量來看，國內玻璃鋼造船行業的平均水平大約在實測數據的第2和第4組之間。

4 結 語

CCS規范2013版修訂建議案給目前國內使用最廣、最常用的短切氈+方格布的最低性能要求引入了新的評價體系，其最低性能要求能隨鋪層玻璃纖維含量不同而變化，同時新增了層間剪切強度的測試要求，較2009版規范更為科學。建議案的總體技術要求與國際標準基本相當，并適用于國內現階段的技術水平。該規范修訂建議案已經通過評審并即將實施，相信在國內玻璃鋼造船行業的生產及檢驗中能夠起到積極作用。

[1] 中國船級社.《材料與焊接規范》[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[2] ISO12215-5:2008, Small Craft-Hull Construction and Scantlings-Part5: Design Pressures for Monohulls, Design Stresses,Scantlings Determination[S].