淺析蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在艦船中的應(yīng)用

郭哲璐，陳倩清，劉在良

（浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 舟山 316021）

1 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合材料的一種，具有相對(duì)密度小、強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)[1]。從上個(gè)世紀(jì)五十年代開(kāi)始，該結(jié)構(gòu)最早被航空航天行業(yè)采用，然后逐漸地應(yīng)用于賽車、建筑、包裝、體育用品等各行各業(yè)[1]。然而由于制造工藝復(fù)雜、制造成本相對(duì)較高以及吸水性問(wèn)題難以解決等原因，在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用并不普遍[2]，主要以預(yù)算較高的軍用艦船為主，民用船舶中應(yīng)用較少，且主要局限于煙囪、駕駛艙等上層建筑。

近年來(lái)隨著世界各國(guó)對(duì)新材料研發(fā)的不斷投入，各大技術(shù)難題被不斷被攻克，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在船舶領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用將是必然趨勢(shì)。

2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)概述

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是由一個(gè)密度較小的蜂窩芯層（一般為正六邊形）和兩塊較薄的實(shí)心面板通過(guò)膠接或焊接的方法制作而成（見(jiàn)圖1）。在軸向力的作用下，蜂窩面板主要承受拉伸和彎曲載荷，而蜂窩芯可以承受絕大部分的剪切載荷。正是由于這種高效的承受載荷方式，使蜂窩夾層板的力學(xué)性能大大提升。表1給出了相同質(zhì)量情況下，實(shí)心板和蜂窩夾層板的在剛度和強(qiáng)度上的對(duì)比數(shù)據(jù)（由美國(guó)著名蜂窩材料制造商Hexcel公司提供）。從表1中的數(shù)據(jù)可知，相比于等質(zhì)量的實(shí)心板，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和剛度，而且蜂窩芯層越厚，力學(xué)性能越好。

表1 兩種結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)據(jù)對(duì)比[3]

圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖

3 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)性能分析

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不僅相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)剛度比較大，同時(shí)還具有如下五個(gè)性能特點(diǎn)：（1）密度小：由于蜂窩芯層是由許多相互毗連的空心蜂窩單元組成，其實(shí)體蜂窩壁的所占體積較小，因此蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的密度也比較小。（2）良好的平整度和剛性：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在受外力作用時(shí)，由于每個(gè)蜂窩單元周圍存在六個(gè)蜂窩單元相互牽制和作用，使其受載能力更強(qiáng)，因此蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有較好的平整性和剛性，即使受到很大的面外載荷，也能在一定范圍內(nèi)防止該結(jié)構(gòu)因發(fā)生較大變形而破壞和失效。（3）較強(qiáng)的減震性能：由于蜂窩芯層中存在大量充滿空氣的密閉空間，當(dāng)其受到振動(dòng)沖擊時(shí)，蜂窩單元內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多內(nèi)耗，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的緩沖作用，從而化解振動(dòng)產(chǎn)生的能量。（4）疲勞性能好：由于蜂窩夾層板是由蜂窩芯層和上下面板經(jīng)過(guò)焊接或膠接的方法制作而成，因此和一般的鉚接結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)力集中更小，長(zhǎng)期工作下的疲勞損傷更小，從而使蜂窩結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能顯著提升。（5）優(yōu)越的隔音、隔熱性能：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中實(shí)體部分為蜂窩壁，只占總體積的百分之二左右，其余均是密閉空間，里面充滿大量的空氣。眾所周知，相比于固體介質(zhì)，空氣在隔音、隔熱方面表現(xiàn)更為出色。由于以空氣作為介質(zhì)，聲波和熱量在傳遞過(guò)程中均受到一定程度限制，從而大大提高了該結(jié)構(gòu)的隔音和隔熱性能。

4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有密度小、剛性好、減震性和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、包裝、體育用品等各行各業(yè)。然而由于制造工藝、成本等因素限制，在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用并不十分普遍，主要以預(yù)算較高的軍用艦船為主，民用船舶中常見(jiàn)于對(duì)快速性要求較高的船舶中。

4.1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在軍用船舶中的應(yīng)用

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)最早被美國(guó)海軍采用，用于軍艦的甲板上，可以減小軍艦空船重量，提升軍艦機(jī)動(dòng)性、快速性以及抗沖擊性能。通過(guò)在DD（X）和DDG-51型驅(qū)逐艦（如圖2所示）上的大量應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)使用激光技術(shù)進(jìn)行焊接的鋼質(zhì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行艦船的設(shè)計(jì)能夠減小空船重量30%-50%[4]，這對(duì)于提升艦船作戰(zhàn)能力具有非常大的幫助。這一成果在世界海軍界反響巨大，并迅速引起各國(guó)海軍的重視，英國(guó)、印度、澳大利亞等各國(guó)海軍相繼投入大量人力和物力進(jìn)行蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的研究。相關(guān)資料[5]顯示，英國(guó)海軍研發(fā)部正在積極開(kāi)展一個(gè)關(guān)于固體材料力學(xué)的研究項(xiàng)目，目的就是為新型結(jié)構(gòu)在軍艦中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。據(jù)悉，該項(xiàng)目的重點(diǎn)研究對(duì)象之一正是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

圖2 美國(guó)DDG-51型驅(qū)逐艦

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不僅可以減輕空船重量、提高艦船機(jī)動(dòng)性和抗沖擊性能，還能大幅提升艦船的抗腐蝕性能和“隱身”能力。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，瑞典皇家海軍逐步將蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用于當(dāng)時(shí)最新的水面艦艇上，他們將石墨/環(huán)氧材料制成的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用于艦艇的船體外板上。應(yīng)用效果顯示，新型的船體外板更難被腐蝕，而且更不容易被雷達(dá)掃描發(fā)現(xiàn)[6]。近年來(lái)，各國(guó)海軍還將蜂窩夾層材料用于水面艦艇的甲板室，艙壁和飛機(jī)頂棚等上層建筑，用于提升艦艇各方面的綜合性能。

4.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在民用船舶中的應(yīng)用

圖3 芬蘭Finnyard船廠建造的Stena號(hào)HSS

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在軍用艦艇中應(yīng)用效果良好，該結(jié)構(gòu)也逐漸地被民用船舶所采用。由芬蘭造船廠Finnyard建造的Stena號(hào)HHS（高速海洋服務(wù)船）（見(jiàn)圖3），其球鼻艏、甲板室及內(nèi)部的家具、樓梯等大部分上層建筑均采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造。意大利Fincantieri造船廠將蜂窩夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速客運(yùn)渡船的煙囪上，相比于同尺寸的不銹鋼制煙囪，重量減少50%，并節(jié)省了20%的費(fèi)用[7]。美國(guó)Bennington,VT Fothergill公司設(shè)計(jì)并建造的一艘動(dòng)力賽艇，其駕駛室所采用的就是用多種纖維增強(qiáng)材料制造而成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。在某次大型比賽中，該款賽艇發(fā)生嚴(yán)重的碰撞事故，然而駕駛室內(nèi)的3名選手均存活下來(lái)，從而證明該結(jié)構(gòu)優(yōu)越的抗沖擊性能。

除了以上應(yīng)用外，蜂窩結(jié)構(gòu)在民船上還存在許多應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)總結(jié)將其具體應(yīng)用情況歸納如表2所示。

表2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在民船中的應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成情況；然后通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)的定性分析表明：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有密度小、強(qiáng)度剛度大、減震性好、抗疲勞、隔音隔熱性優(yōu)越等五大性能特點(diǎn)；最后從軍事和民用兩個(gè)方面總結(jié)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，通過(guò)大量實(shí)例表明：（1）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在軍用艦船中應(yīng)用非常普遍，在船身、甲板、上層建筑等結(jié)構(gòu)中均有一定應(yīng)用，用以提高艦船的機(jī)動(dòng)性、抗沖擊性、耐腐蝕性和隱蔽性。（2）在民用船舶中的應(yīng)用才剛剛起步，主要應(yīng)用于動(dòng)力賽艇、游艇、高速客船等對(duì)快速性要求較高的船舶中，且應(yīng)用部位主要局限于上層建筑。（3）由于出色的綜合性能表現(xiàn)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)擁有非常光明的應(yīng)用前景。隨著制作工藝逐漸成熟、制作成本不斷降低，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)將在更多的船舶中廣泛應(yīng)用。