淺談玻璃鋼材料的應(yīng)用

呂冰 董煉洪 王婷

摘要：玻璃鋼作為一種復(fù)合材料集成了玻璃纖維及合成樹(shù)脂的特性，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、奈化學(xué)腐蝕且絕緣性好、隔音、抗震及耐瞬時(shí)高溫的特點(diǎn)。隨著對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料研究的不斷深入，玻璃鋼復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。造船領(lǐng)域也不例外。早期玻璃鋼材料在造船領(lǐng)域的應(yīng)用僅僅局限于小型游艇上，大多是尺度很小的開(kāi)敞艇。隨著復(fù)合材料工藝的不斷改進(jìn)，玻璃鋼材料的船舶在不斷的向大型化發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 玻璃鋼材料， 纖維.

玻璃鋼材料由玻璃纖維作為主要的承載單元，沿著纖維的徑向具有很強(qiáng)的抗拉和抗壓能力。但是在垂直于纖維的方向，其承載能力會(huì)非常弱。通常將玻璃纖維沿著不同的方向鋪設(shè)并用合成樹(shù)脂加固，采用層合板的工藝制作玻璃鋼板（樹(shù)脂是必須的，其屬于玻璃鋼基材之一，若非噴射成型，肯定是一層一層的糊制），這樣可以有效的避免某個(gè)方向力學(xué)性能的短板。采用正交鋪設(shè)的玻璃鋼板在目前應(yīng)用較為廣泛。（玻璃纖維增強(qiáng)材料分為布和氈，布又分有捻、無(wú)捻的方格布和單向布…為了力學(xué)各向同性，大多采用氈和布疊加舖覆結(jié)構(gòu)；為了省錢，有些只用單向布舖覆，另在與水平成45°方向追加幾層，以抗剪切破壞。）

到底玻璃鋼材料有怎樣的優(yōu)勢(shì)？本文以一條玻璃鋼夾層板制造的雙體游覽船為例，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度簡(jiǎn)單的探討一二。

玻璃鋼夾層板結(jié)構(gòu)集成了玻璃鋼材料在平面內(nèi)的抗拉壓的強(qiáng)度，又使用聚氯乙烯泡沫材料作為芯材，集成了芯材的抗平面法向剪切的能力。

雙體游覽船的尺度較小，總長(zhǎng)15m，總寬度為6.05m，排水量為14t。

本船在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有為片體設(shè)計(jì)任何扶強(qiáng)材，整個(gè)片體完全依靠間隔3m的橫艙壁提供支持。連接橋?yàn)橹骷装邃亴雍瓦B接橋底板組成的箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由縱桁和橫梁分隔為1.5m×1.5m的板格。本雙體船的船體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的讓人難以置信，完全摒棄了鋼質(zhì)船體中的骨材，空船重量比鋼質(zhì)的同尺度的船舶有明顯的優(yōu)勢(shì)，相同尺度的鋼質(zhì)船空船重量需要40t以上。

為了進(jìn)一步的了解本船的船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，筆者通過(guò)有限元模擬的方法，對(duì)本船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。有限元模型的建立采用通用有限元分析軟件MSC.patran和MSC.nastran完成。采用二維shell單元和三維實(shí)體單元的耦合模型模擬玻璃鋼夾層板結(jié)構(gòu)。玻璃鋼夾層板的面板采用正交各向異性的shell單元模擬，聚氯乙烯泡沫夾心采用三維soild單元模擬（各向同性的線彈性材料）。有限元模型為全船模型，基本網(wǎng)格為100mm×100mm，模擬了船體外板鋪層、連接橋底板鋪層、主甲板鋪層、橫艙壁及橫梁、縱桁等主要的船體構(gòu)件。

玻璃鋼夾層板的面板及芯材的材料參數(shù)匯總表見(jiàn)表1：

與鋼材有所不同，夾層板面板的拉伸模量和壓縮模量并不相同，在有限元模型建立過(guò)程中，承受拉伸載荷的夾層板面板的彈性模量使用拉伸模量作為有限元單元的材料參數(shù)；承受壓縮載荷的夾層板面板的彈性模量使用其壓縮模量作為有限元單元的材料參數(shù)。

正應(yīng)力應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果顯示，玻璃鋼材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性顯露無(wú)疑，在比重只有鋼材的1/4甚至1/16的情況下，可以完成鋼結(jié)構(gòu)同樣的承載能力。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，考慮的載荷因素很多，同時(shí)缺少玻璃鋼材料和鋼材的對(duì)比，說(shuō)服力不強(qiáng)。下面筆者再通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比實(shí)例，橫向比較下兩種材料的優(yōu)劣。

給分別用鋼材和玻璃鋼夾層板建立的兩個(gè)有限元模型施加同樣的邊界條件：

前端約束x、y、z三個(gè)平動(dòng)自由度，后端約束y、z兩個(gè)平動(dòng)自由度。

同時(shí)給兩個(gè)模型施加同樣的面均布載荷：

箱體四周施加0.1kN/m2由外向內(nèi)的均布?jí)毫Α?/p>

通過(guò)調(diào)整鋼板的厚度以達(dá)到兩個(gè)有限元模型具有相同的承載能力（看變形還是看應(yīng)力），最終比較兩個(gè)模型的自重。結(jié)果令人吃驚，在兩個(gè)模型的最大應(yīng)力相同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的自重為53.38kg，而玻璃鋼夾層板結(jié)構(gòu)僅僅為7.51kg。

通過(guò)

對(duì)比可以看出，雖然兩個(gè)模型的最大應(yīng)力相同，但是應(yīng)力分布卻大相徑庭。

玻璃鋼夾層板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在板與板的接縫處（玻璃鋼最大的特點(diǎn)是沒(méi)有接縫），而且應(yīng)力梯度非常明顯，應(yīng)力分布均勻，變化連續(xù)；

鋼結(jié)構(gòu)模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)在板的中部，由于鋼板沒(méi)有扶強(qiáng)材的支持，其抗剪切的弱勢(shì)表露無(wú)疑。

比較變形云圖，可以明顯的看出，玻璃鋼夾層板結(jié)構(gòu)的剛度明顯優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。單從數(shù)值上比較，有兩倍以上的優(yōu)勢(shì)。這在一定意義上可以反映出，玻璃鋼夾層板結(jié)構(gòu)在抗屈曲的能力也有明顯的優(yōu)勢(shì)。

世界上的第一艘玻璃鋼制作的載人船舶于1947年下水，當(dāng)時(shí)她只有8.5m長(zhǎng)。現(xiàn)在世界上越來(lái)越多的帆船、交通艇、救生艇、漁輪及掃雷艇等都改用玻璃鋼制造。即便是航空母艦、美國(guó)先進(jìn)的阿利伯克驅(qū)逐艦、萬(wàn)噸以上的中大型貨輪上都開(kāi)始大量的使用玻璃鋼材料。玻璃鋼材料是種年輕充滿前途的材料，我國(guó)造船工業(yè)需要爭(zhēng)取在這個(gè)領(lǐng)域走在世界的前列。