復合材料擋水板設計及安裝工藝研究

宋金明，張曉東，吳 梵

(1.海軍舟山監修室，浙江舟山 316000;2.海軍工程大學，湖北武漢 430033)

復合材料擋水板設計及安裝工藝研究

宋金明1，張曉東2，吳 梵2

(1.海軍舟山監修室，浙江舟山 316000;2.海軍工程大學，湖北武漢 430033)

針對原鋼質矩形擋水板，提出一種新型復合材料擋水板結構形式，徹底解決了原鋼質擋水板滲水腐蝕的難題。文中對復合材料擋水板的材料選型、結構設計、強度剛度計算以及安裝工藝等內容進行了研究，結果表明:復合材料擋水板強度剛度滿足使用要求;安裝工藝簡單易行，水密效果好。

復合材料;擋水板;結構設計;安裝工藝

某船上甲板擋水板有扁鋼形和矩形2種 (圖1)，扁鋼形主要布置在有甲板舾裝件處，其余部位為矩形擋水板。矩形擋水板的主要作用是防止水從上甲板邊緣流至干弦，因此需要良好的密封性;其次是要承受人員踐踏、波浪抨擊、舷梯的側壓力等，因此需要一定的強度與剛度。傳統的矩形擋水板由方木和鋼質槽形罩殼組成，其連接形式為:方木與上甲板通過螺栓連接，鋼質罩殼與方木用螺釘固定，再與上甲板之間通過膏灰和膠密封，如圖2所示。這種擋水板的缺點是鋼質罩殼易腐蝕，木質芯材易吸水，當罩殼與上甲板的密封被破壞后，擋水板會在內部積水腐蝕，致使鋼質罩殼滲水甚至爛穿，如圖3所示。往往在完成等級修理后不久，鋼質罩殼就出現滲水，失去擋水作用，而且鋼鐵的腐蝕的銹水流到干弦，污染船體外表。因此，如何在確保擋水板強度、剛度，且有效控制結構質量、滿足制造安裝工藝要求的前提下，提出一種能有效解決原擋水板滲水腐蝕問題的材料與結構形式，是一個急需解決的難題。

圖1 上甲板擋水板結構圖

圖2 原擋水板結構及其連接示意圖

圖3 矩形擋水板處上甲板受到腐蝕圖

要想解決原鋼質矩形擋水板滲水、腐蝕的難題，最根本的方法是放棄傳統的鋼質材料結構，采用全新的復合材料結構。復合材料具有比強度高、低磁性、透聲性優異、吸收振動和沖擊的能力強、耐腐蝕及抗海洋生物侵蝕等眾多優良性能，并且可設計性強、成型方便、可維修性能優異，在保證材料結構強度和剛度的條件下，可通過合理的材料復合和結構形式的設計，同時實現多種功能特性的兼容［1］。目前，復合材料在船體結構上得到了廣泛的應用［2］，法國生產的“拉菲特”級艦上層建筑后半部包括機庫主要采用玻璃纖維增強復合材料夾層板，其巨大的機庫只有85 t。美國“阿利·伯克”改進型，追加了后部復合材料直升機機庫，美國海軍的萬噸級DDX戰斗艦，采用隱身-承載功能復合材料的上層建筑。

本文在基本不改變原矩形擋水板的外形尺寸的前提下，提出一種具有耐腐蝕、水密性好、連接強度高、易安裝維修等優異性能的新型復合材料擋水板結構形式，并對其強度剛度和安裝工藝進行分析，以徹底解決原擋水板滲水腐蝕問題。

1 復合材料擋水板方案設計

1.1 復合材料擋水板材料選型研究

在設計纖維增強樹脂基復合材料擋水板時，對樹脂基體與增強纖維的選擇與研究十分重要。樹脂基體的作用是賦予復合材料的整體性，起著傳遞載荷和均衡的作用，而增強纖維為主承載材料，承受大部分的載荷作用［3］。樹脂選材時，要求黏度合適，固化時間適宜，物理性能較好;增強材料選材時，要求布浸潤性好，機械強度高，鋪覆性好，質量均勻性好?？紤]到擋水板位于上甲板的四周，處于溫度波動、陽光暴曬、鹽霧腐蝕［4］、海水浸泡等惡劣復雜環境中。因此，復合材料擋水板材料應滿足適用溫度為-30～65℃，具有阻燃性，耐腐蝕和老化的使用環境要求［5］。

綜合分析各類樹脂的基本性能，首先應考慮選用具有能室溫固化、常壓成型的不飽和聚酯樹脂，以滿足成型工藝要求。在以上要求的基礎上，作者分別針對 MFE-2、3200、3201、430LV、905-2等樹脂體系展開性能比較研究。研究結果表明:905-2樹脂具有較高的機械強度，適中的彈性模量和較大的延伸率，作為復合材料樹脂基體十分有利。同時，905-2型改性乙烯基酯樹脂，可以常溫固化成型，對增強纖維有較好的浸潤性，并具有阻燃性，而且國產價格較為便宜，所以采用905-2樹脂作為混雜復合材料的樹脂基體。

為保證纖維織物對樹脂基體的良好浸潤性，確保產品的工藝性能和質量，對于所選擇的纖維織物在常溫下應該能被905-2樹脂體系浸潤，且力學強度滿足設計要求，SW220高強玻纖布或無堿多軸向玻纖布能較好地滿足以上要求。經過從材料性能、使用壽命、經濟性和維修性等方面綜合論證比較，最終選定905-2樹脂/無堿多軸向玻纖布作為復合材料擋水板的主要材料。

1.2 復合材料擋水板結構形式和連接方法研究

復合材料矩形擋水板結構采用全新結構與連接形式，其主要結構如圖4所示，從外到內依次由高強度纖維增強復合材料罩殼、PVC硬質泡沫芯材、纖維增強復合材料套管、不銹鋼連接塊和沉頭螺釘組成。復合材料罩殼將PVC芯材全包覆，二者作為整體在中間開圓孔，用于嵌入纖維增強復合材料套管，纖維增強復合材料套管與纖維增強復合材料罩殼形成一個全封閉式的整體，不僅可以保證開孔處的強度，還能有效防止水滲入其內部。復合材料套管下端孔徑大，可套住圓柱形連接塊，上端孔徑小，用于套住沉頭螺釘，連接塊上開有與螺釘大小相應的盲孔并攻絲，以便沉頭螺釘可以擰緊并壓實纖維增強復合材料罩殼。復合材料矩形擋水板在確保原擋水板強度、剛度，且有效控制結構重量的前提下，可有效克服原矩形擋水板滲水腐蝕的難題，并提供比原擋水板更優異的綜合性能。復合材料擋水板的長度可根據需求確定，能預制成1 m和2 m長的規格件或根據艦船的實際需求確定規格，以便批量生產。

圖4 復合材料擋水板結構示意圖

2 復合材料擋水板強度和剛度計算分析

復合材料擋水板安裝在上甲板邊緣，在艦艇航行時可能會受到波浪的沖擊，靠碼頭時可能會受到艦員的踩踏或重物的壓力，針對這2種情況，設計了2種載荷工況，采用有限元方法對擋水板的靜強度進行了計算分析。

2.1 有限元模型

復合材料擋水板結構各部分均采用三維實體單元建模，建模時采用mm-kg-kPa單位制，其材料參數見表1和表2。有限元模型的邊界條件:底面施加簡支約束，底面螺釘連接處施加固支約束。

計算載荷工況取以下2種。

工況一 (正壓):模擬艦員單腳正踏在擋水板上的情形。假設艦員的體重為120 kg，腳掌寬度為10 cm，腳掌方向與擋水板長度方向垂直，通過計算，其作用于擋水板上的壓力為392 kPa。

工況二 (側壓):模擬波浪側向沖擊擋水板的情形。在復合材料擋水板一側施加50 kPa均勻分布的壓力，其方向沿著作用面的法線方向向內。

將所得的青錢柳老葉與嫩葉的轉錄組 Unigene 片段進行基因功能分類，并比較了老葉與嫩葉KEGG代謝途徑中差異表達unigenes數，研究結果顯示，在青錢柳不同生長發育時期的葉片中，基因表達上調占主異作用的過程主要涉及萜類和多肽的代謝、輔酶和維生素的代謝和氨基酸代謝，而基因表達下調占主異作用的過程主要涉及信號傳輸、類脂物代謝與能量代謝.該研究結果為今后采取基因調控手段提高萜類、多肽、維生素的產量以及控制類脂物代謝與能量代謝過程提供了參考.

2種工況下的載荷施加見圖5。

表1 玻璃鋼材料參數

表2 PVC泡沫材料參數

圖5 載荷工況示意圖

2.2 計算結果分析

2.2.1 變形分析

復合材料擋水板在工況一載荷作用下的位移場分布如圖6(a)所示，在工況二載荷作用下的位移場分布如圖6(b)所示。

圖6 擋水板位移場分布示意圖

由圖6可知，復合材料擋水板在工況一載荷下的最大變形量為0.025 mm，在工況二載荷下的最大變形量為0.037 mm，這表明在艦員踩踏或者波浪沖擊載荷作用下復合材料擋水板的變形很小可以忽略，復合材料擋水板的剛度滿足要求。

2.2.2 應力分析

復合材料擋水板在工況一載荷作用下的應力分布如圖7(a)所示，在工況二載荷作用下的應力分布如圖7(b)所示。

由圖7可知，復合材料擋水板在工況一載荷下的最大應力為5.51 MPa，在工況二載荷下的最大應力為3.30 MPa。應力水平遠遠低于材料的許用應力，表明在這兩種工況載荷作用下，復合材料擋水板強度滿足要求。

圖7 擋水板應力分布圖

3 擋水板安裝工藝研究

由于采用了新的連接形式，為了保證復合材料擋水板精確安裝并達到擋水要求，需要制定合適的安裝工藝，經研究可采用如下安裝順序和工藝。

2)清潔安裝部位。對安裝或粘接復合材料擋水板部位，包括與其連接的扁鋼表層處進行表層打磨和丙酮清洗，確保其無明顯水、油、銹等臟物。

3)定位與預安裝。將各復合材料擋水板于對應位置試裝、定位，確定好各鋼質連接塊的位置，再將鋼質連接塊點焊，初步固定后，再將復合材料擋水板試裝，確保無誤后，再將鋼質連接塊焊牢。

4)安裝。鋼質連接塊焊牢后，用環氧柔性強力膩子膠均勻涂敷于安裝擋水板甲板處，再將擋水板置于粘接處，并采用M12×90的沉頭螺釘帶環氧柔性強力膩子膠與鋼質連接塊固定壓緊，擠出粘接面處多余膠液。同時對于復合材料擋水板與扁鋼等處的縫隙用環氧柔性強力膩子膠填充滿 (較小縫隙直接用膩子膠填充，較大縫隙填充玻璃鋼塊，并用膩子膠粘接好)。

5)表面修整。復合材料擋水板安裝完成后，應對其表面打磨修整光順并涂好油漆。

按上述安裝工藝對復合材料擋水板進行模擬安裝，并進行了水密性試驗，如圖8所示，結果表明上述安裝工藝合理可行，安裝牢固，水密性好。

圖8 模擬安裝圖

4 結束語

為徹底解決鋼質矩形擋水板滲水腐蝕的問題，提出了一種新型復合材料擋水板結構，并對其材料選型、結構設計、強度剛度計算分析、安裝工藝進行了研究，主要結論如下:①采用無堿玻璃鋼包覆PVC硬質泡沫的結構型式，技術成熟、性能穩定，環境適應性好;②所設計的復合材料擋水板能承受人員的踩踏和0.05 MPa的靜水壓力，強度和剛度滿足使用要求;③所制定的復合材料擋水板安裝工藝簡單易行，安裝牢固，水密性較好。

［1］沈觀林，胡更開.復合材料力學 ［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［2］Mouritz A P，Gellert E，Burchill P，et al.Review of Advanced Composite Structures for Naval Ships and Submarines ［J］.Composite Structrues，2001，53(1):21-42.

［3］劉雄亞，謝懷勤.復合材料工藝及設備 ［M］.武漢:武漢理工大學出版社，1994.

［4］劉建華，趙亮，李松梅.鹽霧環境對玻璃纖維增強樹脂基復合材料力學性能的影響［J］.復合材料學報，2007，24(3):18-22.

［5］胡安妮.載荷和惡劣環境下FRP增強結構耐久性研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

Based on original steel water baffle，a new composite water baffle structure is presented to solve the seepage and erosion problems completely.In this paper，material selection，structural design，strength and stiffness calculation and installation technique for the composite water baffle were studied.The result shows that the strength and stiffness of the composite water baffle meet the requirements，the installation technique is simple and the water tightness effect is satisfied.

composite material;water baffle;structural design;installation technique

U668

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.011

宋金明 (1965-)，男，山東膠南人，高級工程師，學士，主要從事船舶修理工作。

2015-04-20