基于復合材料層板輕量化方法的11 m CFRP高速艇最優設計

OH Daekyun, 韓志強, NOH Jackyou

(1.國立木浦海洋大學 造船海洋工學科， 韓國全羅南道木浦市， 58628；2. 國立木浦海洋大學 大學院 海洋系統工學科， 韓國全羅南道木浦市， 58628；3. 國立群山大學 造船工學科， 韓國全羅北道群山市， 54150)

0 引 言

隨著綠色、高效率船舶的開發，減輕船體結構的質量在設計階段顯得尤為重要。與此同時，沿岸客船、游艇等中小型船舶的建造也較多地采用鋁、碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic， CFRP)等輕質材料。特別是CFRP，相對于玻璃鋼、鋁等材料，高附加特征明顯、性能優越，在高級游艇及軍警用等特殊用途船舶中的使用量逐漸增多。

OH等[1]比較分析小型船舶結構設計國際標準 ISO 12215[2]和小型船舶認證時廣泛使用的意大利船級社發行的RINAPleasureYachtPartB(RINA 規范)[3]，以實際船舶設計研究為例，說明了兩規范間設計壓力和層板的要求厚度在估算時的傾向和大小差異。KANG[4]為實現CFRP游艇層板的輕量化進行最優纖維含量(Glass Content， GC)的相關研究。在此研究中，以 ISO 12215和 RINA 規范為基礎，分析船型特征、纖維含量和層板要求厚度的關系，并根據碳纖維織物的種類和纖維含量的變化，模擬碳纖維層板要求厚度和質量隨纖維含量的變化。OH等[5]為驗證 KANG的研究結果，進行碳纖維層板材料試驗，測定層板的質量和力學性能變化，試驗結果與基于層板輕量化方法的層板減重趨勢一致。SONG等[6]整合上述研究內容，提出船用復合材料層板輕量化設計方法，將此方法應用于52英尺玻璃鋼游艇中，對比原設計方案船體減重10%，并通過總縱強度校核和材料試驗確認船體結構安全性。本研究旨在利用OH提出的船用復合材料輕量化設計方法實現CFRP小型高速艇的最優設計，將碳纖維材料的比強度特性最大化。

ISO 12215是小型船舶船體結構和尺寸設計的國際標準，其中ISO 12215-5從船體設計載荷的估算到不同船體結構的尺寸設計等都有詳細的介紹。意大利船級社在各船級社的CE RCD 認證[7]及小型船舶認證時使用的規范大多是以ISO標準為基礎編寫的。意大利船級社在游艇等中小型船舶認證及入級方面為行業的先導，因此本研究提出的層板輕量化設計方法以小型船舶結構設計及安全性規范ISO 12215-5和RINA規范為基礎進行定義。首先，將先行研究提出的復合材料層板輕量化設計方法應用到CFRP結構，重新整合，并添加了碳纖維層板的鋪層設計過程。其次，將重新整合的輕量化設計方法應用到11 m碳纖維高速艇(MMU-M Patrol 36)。為實現CFRP船體結構的輕量化，導出CFRP層板的最優纖維含量，并使用導出結果再次進行高速艇的結構設計，比較層板纖維含量優化前后高速艇船體的質量變化。最后，通過校核優化前后高速艇的總縱強度確認高速艇結構安全性及本研究提出的輕量化設計方法的可信性。

1 復合材料層板輕量化方法

先行研究提出的復合材料層板輕量化設計方法在滿足層板結構安全的基礎上，根據不同層板結構與纖維織物的種類，導出單位面積層板中纖維織物和樹脂的最優質量比率，即最優纖維含量，使層板質量最小化，大體可分為船舶設計、層板的力學性能提高及層板要求厚度減小、層板質量估算等部分。

1.1 方法核心

復合材料船舶設計和鋼、鋁等材料的船舶設計流程并無太大區別，一般可將其分為船舶設計和材料設計等部分。船型設計、結構布置、設計載荷估算等船舶設計階段操作流程基本相似，這里不作贅述；而纖維織物及樹脂的選定、層板纖維含量的確定、層板強度設計等是復合材料船舶設計的主要特征，也是本研究能夠使得復合材料層板減重的核心部分。復合材料船體結構，按照積層類型的不同可分為單層板、夾層板和帽型骨材。單層板主要用于船底板、舷側板等外板結構；夾層板一般用于甲板、飛橋甲板、艙壁等結構；帽型骨材用于起加強作用的扶強材。圖1是以RINA標準為基礎整理的船用復合材料層板設計流程圖，可以看出，當改變層板的力學性能時，相應地，層板的要求厚度也會發生變化。

根據上文所述，復合材料層板的要求厚度與層板的力學性能有直接關系。層板的力學性能隨著層板結構中的纖維種類(玻璃纖維、碳纖維等)及織造方式的不同而發生變化，并由層板的纖維含量決定其性能優劣和要求厚度。 圖2為根據RINA規范提供的在碳纖維材料作為增強材料時，隨纖維含量的變化(0.3～0.9)層板力學性能估算式所做的函數圖像。顯然，隨著層板中碳纖維含量的逐漸增加，層板的彎曲強度、拉伸強度及壓縮強度逐漸增強。也就是說，對于船體的某一設計區域，通過增強層板的力學性能，即提高層板中的纖維含量，可以有效地減小層板的要求厚度，從而減輕層板的質量。

圖1 船用復合材料層板設計流程圖

圖2 碳纖維含量與層板力學性能的關系

然而，無限制地提高層板中的纖維含量，減小樹脂基體的含量是不可取的。因為這樣會導致纖維織物浸潤不良, 層板性能反而下降，無法確保層板的結構安全性，所以在保證層板結構安全的前提下，導出層板的最優纖維含量是本研究實現層板減重的關鍵。

在復合材料層板設計流程中，有1個反映層板力學性能并直接影響層板厚度變化的系數K(Kof或Ko)，這里稱為層板要求厚度減小率。在理論上，層板厚度減小率可通過材料試驗的方式導出，但本研究為方便起見，比較ISO標準及RINA規范提供的公式，選擇了相對保守的RINA規范提供的公式。下面給出單層板厚度減小率定義式[2]，并以單層板為例進行說明。

(1)

式中：Rmf為層板的彎曲強度。

雖然提高層板中的纖維含量可有效地減少層板的厚度，但為了保證層板的結構安全，RINA規范對層板要求厚度減小率作了限制，最小值為0.7。盡管提高層板纖維含量能提高層板的力學性能，使得層板厚度減少，但以此方式減少層板要求厚度30% 以上，層板的結構安全將存在一定的隱患。

當船體外板為單層板結構時，某設計區域的要求厚度t[2]可表示為

t=[設計壓力系數(K1)] ×[設計面積系數(Ka)] ×

[設計區域短邊(s)] ×[Kof] ×[設計壓力0.5] (2)

由上式可知，當船體的結構布置、載荷等不發生改變時，設計壓力系數、設計面積系數、設計壓力、設計區域大小等不會改變。這時把Kof的值最小化即可實現層板要求厚度的最小化，從而實現層板單位質量的最小化。

綜上所述，在不改變船體結構布置、設計載荷等設計變量的前提下，適當地提高層板的纖維含量，提高層板的力學性能，即采用上述層板要求厚度減小率的最小值，可把層板的要求厚度最小化，從而實現船體輕量化。 這時層板的纖維含量為最優纖維含量。

1.2 層板質量估算

為估算復合材料層板的質量，需要層板所用纖維織物和樹脂的密度。考慮到纖維織物和樹脂隨制作環境等密度存在一定的差異，本研究采用ISO 規范和RINA規范中提供的碳纖維和樹脂的密度值，即碳纖維和樹脂的標準密度值分別為1.8 g/cm3和1.2 g/cm3[1-2]。

利用碳纖維和樹脂的密度定義的CFRP層板1層片(Ply)的厚度估算式為

(3)

式中：q為單位面積CFRP層板1層片中纖維的質量，kg/m3；xGC為層板纖維含量；2.16為碳纖維的密度與樹脂密度的乘積；1.8為碳纖維的密度，kg/m3；0.6為碳纖維的密度與樹脂密度的差，kg/m3。

假設某設計區域的層板需要N層才能滿足要求，那么層板的產品厚度Tmf可表示為

(4)

CFRP層板的單位面積質量可表示為

(5)

2 CFRP單層板輕量化設計方法

本研究將先行研究提出的船用復合材料層板輕量化方法應用到CFRP 材料中，并考慮到復合材料層板的特征和制作工藝，在原來方法的基礎上添加了層板鋪層設計部分。按照海洋復合材料的定義，并且為了直觀地表現隨層板纖維含量增加層板單位面積質量的變化，按照ISO標準和RINA規范提供的層板質量估算公式，定義了纖維含量從30% ～90% 的層板質量估算流程，如圖3所示。另外，這樣的層板輕量化設計方法按照層板結構的不同，可分為單層板、帽型骨材、夾層板等3種；但是，一般船體外板的質量占整個船體的比重較大，而且夾層板和帽型骨材結構由于具有輕木、膠合板、泡沫等芯材，在同等力學性能的條件下，相對單層板來說為輕質結構，即使優化層板的纖維含量，減重效果不大，所以本文以單層板結構為對象進行輕量化設計研究。圖3為碳纖維單層板的最優纖維含量導出流程圖。

3 11 m碳纖維高速艇輕量化設計應用

為了明確說明纖維含量最優化設計方法在實際運用中的效果，本研究以11 m碳纖維高速艇(MMU-M Patrol 36)為例進行說明。此高速艇是韓國軍用SURC(Small Unit River-Line Craft)。SURC為輕量、高速艇，主要在江河下游作巡邏用，主要采用鋁、CFRP等結構。MMU-M Patrol 36總長為10.8 m，排水量比5.401 t。圖4為此高速艇概念設計圖、總布置圖、中橫剖面圖及結構布置圖。表1為該警備艇主尺度。此艇在結構設計時，船體外板為單板結構，縱桁等扶強材為帽型結構，甲板和艙壁為夾層板結構。層板所用的增強纖維材料為碳纖維無捻粗紗布，單位質量為400 g/m2；樹脂基體為聚酯樹脂，密度為1.2 kg/m3；帽型骨材和夾層結構的芯材為輕木，單位質量為104 kg/m3。整個船體纖維含量均為40%。

表1 MMU-M Patrol 36主尺度

由于設計壓力的大小對層板的要求厚度也起決定性作用，因此選擇該艇結構設計時設計壓力最大的區域(見圖5標識區域)，并只對單層板進行輕量化設計。為簡化層板的單位質量估算過程，在估算單位面積層板質量變化時，利用該艇3D CAD(CATIA)模型進行估算，為了安全起見，這里對層板的要求厚度添加了10% 的厚度裕量，并忽略實際層板積層時，樹脂固化所產生的質量變化。圖6是該艇船體外板的最優纖維含量及對應的層板質量變化結果。

圖6顯示：隨纖維含量的增加，該艇的船底外板船體生產設計厚度對應的單位質量由16.00 kg/m2降到13.90 kg/m2，舷側外板由9.97 kg/m2降到8.90kg/m2，這時船底板和舷側板的最優纖維含量分別為0.52和0.58。最優纖維含量確定之后，層板單位質量持續上升，原因是為了保證層板的結構安全性，盡管提高了層板的碳纖維含量，減少了樹脂含量，但層板的要求厚度不再隨纖維含量的增加而減小，而碳纖維的密度與樹脂的密度相比相對較大，導致層板的單位質量持續上升。另外，隨纖維含量的增加，層片的厚度減小，為滿足層板的要求厚度，需逐漸增加層片數，最終導致層板的最優纖維含量與鋪層設計前要求厚度對應的最優纖維含量不同，并且鋪層設計后層板的質量隨纖維含量增加的波動變化也是這一原因導致的。

圖3 碳纖維層板輕量化設計流程圖

圖4 MMU-M Patrol 36概念設計及結構布置圖

圖5 MMU-M Patrol 36船體外板設計區域選擇

4 輕量化效果及結構安全性

4.1 輕量化效果

MMU-M Patrol 36的減重效果，通過比較該艇的3D CAD 模型在層板纖維含量優化前后外板的質量變化進行體現。為此，使用導出的層板最優纖維含量對該艇重新進行結構設計，并通過該艇的3D CAD 模型，按照上述方法，估算優化后船體外板的質量，并與原設計方案進行了比較，給出質量比較結果如表2所示。

圖6 MMU-M Patrol 36船體外板最優纖維含量及層板質量最小化結果

表2 MMU-M Patrol 36的輕量化效果比較

如表2所示，采用復合材料層板輕量化設計方法后，該艇外板總質量約減少12.5%。這里需說明的是，當船體總質量減小，貨物和壓載等無變化時，該艇排水量會減小。相應地，設計壓力也會減小，考慮到這一關系，船體的質量可進一步減小。

4.2 總縱強度校核

為確認艇體質量優化后，該艇體的結構安全性，以及本研究整合的碳纖維層板輕量化設計方法的實際應用可行性，按RINA規范提供的總縱強度校核方法，計算并校核該船體的總縱強度，并與該艇原設計方案的總縱強度校核結果進行比較，見表3。

表3 總強度校核結果比較

通過表3可以看出：在2種方案中，最大彎曲應力不足許用應力的2%，并且數值差異不大，即艇體質量即使減少12.5%，對艇體的結構安全性影響不大，且許用應力有足夠的裕量來滿足最大彎曲應力的要求。另外，由于層板纖維含量的增加，樹脂基體的含量相對減少，導致厚度變薄(見圖7)，因此船中橫剖面處截面系數有所增加。由于層板中纖維含量提高的同時，層板力學性能變強的緣故，許用應力也相應變大，最大彎曲應力占許用應力的百分比反而減小。總之，在總強度上，該艇有相當充分的裕量保證船體結構的安全性，從而驗證了本研究整合的輕量化設計方法的可行性。

5 結 論

為實現船用碳纖維層板的輕量化，本研究提出能夠導出碳纖維層板最優纖維含量的設計方法。為明確此設計方法的實際減重效果，以11 m碳纖維警備艇為例進行輕量化設計研究。結果顯示：在滿足國際標準結構安全性的同時，船體外板質量減少12.5%。另外，通過基于國際標準總縱強度校核的方式，確認該輕量化設計方法的可行性。

圖7 MMU-M Patrol 36船中橫斷面外板產品厚度變化結果

采用本研究提出的方法進行船舶設計，可將CFRP層板的比強度特性最大化，并且對提高船舶的效率和性能有一定的幫助，符合綠色船舶設計理念。