淺談纖維增強復合材料船體的可設計性

黃恩哈 黃盛開 邱昂

摘? ? 要：纖維增強復合材料是一種多相結構材料，具有質量輕、強度大、耐腐蝕等特性，現已廣泛應用于航天、軌道交通、艦船等行業。選擇不同的纖維材料、樹脂基體及夾層材料，通過不同的鋪層形式和成型工藝，纖維增強復合材料結構力學性能會有很大的差異，為結構設計提供了很大的自由度。本文結合船體風暴蓋的設計和實際應用，討論了纖維增強復合材料船體的可設計性，旨在讓結構設計者對纖維增強復合材料有較深入的了解。

關鍵詞：纖維增強復合材料;船體;力學性能;可設計性

中圖分類號：U668.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Designability of Fiber-Reinforced Composite for Hull

HUANG Enha， HUANG Shengkai， QIU Ang

（ Guangdong Sinoway Composite Material Co.， Ltd.， Guangzhou 573199 ）

Abstract： Fiber-reinforced composite material is a multiphase structural material with light weight， high strength and corrosion resistance， and are widely used in aerospace， rail transportation， naval and other industries. Choosing different fiber materials， resin matrix and interlayer materials， the mechanical properties of the fiber-reinforced composite structure will vary greatly through different layering forms and molding processes， which provides great freedom for structural design. This paper briefly discusses the designability of fiber-reinforced composite for the hull based on the practical engineering applications of the design of the hull storm cover.

Key words： Fiber-reinforced composite; Hull; Mechanical properties; Designability

1? ? ?前言

隨著人類社會的不斷發展，環境保護問題越發凸顯，對于船舶行業，各方學者都在探尋著各種節能減排的方法。纖維增強復合材料，具有重量輕、比強度和比剛度高、耐腐蝕等許多優異的性能，備受各行各業的重視。近年來，先進復合材料和輕量化結構技術，已成為減輕船體重量的關鍵技術，并成功的應用在救生艇、水翼艇、高速執法艇等上，效果令人十分振奮。筆者所在公司所建造的碳纖維雙體高速客船，與傳統鋁合金雙體客船相比，船體重量大幅降低，航速得到明顯提升。經實測，油耗比傳統鋁合金雙體船降低30%以上。顯而易見，纖維增強復合材料的綜合性能優勢，令其在船舶行業的應用越來越廣泛。

2? ? ?纖維增強復合材料的組成及特性

2.1? ?纖維材料

纖維是指由連續或不連續的細絲組成的物質，常見的纖維材料有：玻璃纖維;碳纖維;芳綸纖維等。

（1）玻璃纖維

一種性能優異的無機非金屬材料。玻璃纖維作為增強材料，具有絕緣性好、機械強度高、耐化學腐蝕、拉伸強度高、彈性好以及優良的電性能，相比于其他纖維材料價格相對較低，是目前應用最為廣泛的纖維材料。但是由于玻璃纖維是致癌物，在國外一些地方被禁用。

（2）碳纖維

由聚丙烯腈纖維、黏膠或瀝青原絲經炭化制成的。碳纖維是一種力學性能十分優異的新材料，具有很高的拉伸強度、彎曲強度和模量。碳纖維的比重不到鋼的1/4，而抗拉強度是鋼的7～9倍;碳纖維的熱膨脹系數低，同時無磁性、不吸收波，是制作隱身軍艦的絕佳材料，是目前最受重視的高性能材料之一，被譽為新材料之王。

（3）芳綸纖維

一種高強度、高模量且質輕的新型合成纖維。芳綸纖維的密度小，只有鋁的一半，具有強度高、模量高、韌性好、減震性優異的特點，還具有良好的熱穩定性。

纖維材料屬于各向異性材料，不同方向的力學性能不同。根據纖維編織方向，一般可分為：同一方向的UD（0°）;0°和90°方向的LT;±45°的DB;±45°和0°的DBL;±45°和90°的DBT;±45°+0°和90°的DBLT等幾種類型，如圖1所示。

2.2? ?基體材料

基體材料是復合材料的重要組成部分。基體材料與增強纖維結合成一個整體，賦予了復合材料形狀，并決定了其表面質量。

基體的性能，對復合材料的整體性能有著直接的影響。其主要作用是：

（1）基體材料與增強纖維粘合成為一個整體，在纖維之間傳遞應力，并使載荷均衡;

（2）基體對復合材料的一些性能起到決定作用，如耐高溫性能、剪切性能、耐水、耐化學腐蝕性能等;

（3）基體本身的化學性能直接影響復合材料成型工藝方法和工藝參數的選擇;

（4）基體保護纖維免受機械和環境損害。

對基體材料的基本要求是：其斷裂時的應變必須大于它所固定的纖維。目前大多數基體都是由樹脂制成，因為其性能變化不大，成本相對較低。

2.3? ?芯材

芯材是復合材料的基礎，其物理分隔性能優良，并能在結構中傳遞剪切力。芯材的范圍十分廣泛，從輕木、粘合板等天然材料到高度工程化的蜂窩、泡沫材料，都可作為芯材使用。復合材料的動態力學性能，與所使用的芯材材料特性密切相關。例如常見的PVC泡沫就具有優良的機械性能、重量輕、與大多數濕樹脂系統兼容、導熱系數低、沖擊能量吸收效果好等，是目前應用最廣泛的復合材料芯材。

3? ? 應用實例—半潛船風暴蓋

已知風暴蓋尺寸以及風暴蓋周圍船體結構的纖維和芯材鋪層方式及相應力學性能，采用通用有限元程序ABAQUS建立風暴蓋有限元模型，并模擬其在8級風載荷作用下的結構響應。

將計算結果與由碳纖維夾芯板制作的風暴蓋進行對比，若指標優于（或等效于）碳纖維夾芯板，則認為用玻璃纖維夾芯板制作風暴蓋與用碳纖維夾芯板制作風暴蓋等效;進而根據《海上高速船入級與建造規范2015》附錄3 復合材料高速船船體結構直接計算所述內容，采用最大應變衡準衡量玻璃纖維夾芯板結構是否滿足要求;對于采用手糊、真空成型的高模數碳纖維板，其軸向拉伸/壓縮最大應變衡準為0.25%或UCS/3（取小者），面內剪切應變衡準為0.25%或0.6·UCS（取小者）;對于玻璃纖維，其軸向拉伸/壓縮最大應變衡準為0.35%，面內剪切應變衡準為0.7%。

3.1? ?材料參數

根據《海上高速船入級與建造規范2015》4.3.3.2節，風暴蓋應為金屬材料或復合材料制成，風暴蓋的強度應與其周圍船體結構相當。根據設計圖紙，周圍船體結構為艙壁板，取艙壁板典型鋪層配方為? ?[LT450-C/DB420-C/H60-30/LT450-C/DB420-C]，即夾芯板的內外表層面板配方均為[LT450-C/DB420-C]。根據力學測試報告，該種類型面板的材料參數及力學性能，如表1、表2所示：

為保證計算的通用性以及材料屬性參數在規范的認可范圍之內，本計算所用玻璃纖維及乙烯基樹脂的材料屬性依據規范選取參數（見表3）。

采用Chamis模型公式，計算夾芯板面板的力學性能參數（取纖維體積分數為60%）：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

根據工程經驗及試算，取等效玻璃纖維夾芯板結構形式為[DB800/LT600/DB800/H60 DB800/LT600/DB800]。

3.2? ? 有限元模型

（1）采用S4R線彈性殼單元，建立風暴蓋有限元模型（長1.65m*寬0.8 m），共有128個單元、153個節點;

（2）采用S4R線彈性殼單元，建立船舶艙壁結構（2.22 m*2.35 m），共有528個單元、575個節點。

3.3? ?材料屬性

有限元模型所需輸入材料的參數，如表4所示。

碳纖維夾芯板及玻璃纖維夾芯板的鋪層方案，如圖2所示。

3.4? ?邊界條件

風暴蓋四邊固支，即約束風暴蓋四條邊的6個自由度;玻璃纖維船體板四邊鉸支，即約束船體板四條邊的位移自由度（XYZ方向）;3 kPa均布壓力載荷作用在玻璃纖維板表面。

3.5? ?計算工況及載荷

（1）風壓計算

（6）

相應風級情況下的風壓值，如表5所示。

（2）計算工況

① 碳纖維夾芯板，8級風壓載荷作用;

② 玻璃纖維夾芯板，8級風壓載荷作用;

③ 碳纖維夾芯板，10級風壓載荷作用;

④ 玻璃纖維夾芯板，10級風壓載荷作用;

⑤ 玻璃纖維夾芯板作為船體結構，受均布壓力載荷作用。

3.6? ?計算結果

（1）碳纖維夾芯板

在8級風壓載荷作用下，其應力云圖和位移云圖，如圖3、圖4所示。

（2）玻璃纖維夾芯板

在8級風壓載荷作用下，其應力云圖和位移云圖，如圖5、圖6所示。

（3）碳纖維夾芯板

在10級風壓載荷作用下，其應力云圖和位移云圖，如圖7、圖8所示。

（4）玻璃纖維夾芯板

在10級風壓載荷作用下，其應力云圖和位移云圖，如圖9、圖10所示。

（5）玻璃纖維艙壁板

在均布壓力載荷作用下，其應力云圖和位移云圖，如圖11、圖14所示。

3.7? ?結構校核及對比

各種工況下的計算結果，如表6、表7所列。

由表6可知：玻纖夾芯板在承受相同載荷的情況下，應力均低于碳纖夾芯板，位移響應與碳纖夾芯板相當。

由表7可知：采用最大應變衡準衡，玻璃纖維夾芯板結構作為船體上層建筑板材，滿足要求。

3.8? ?小結

本計算中提出的玻璃纖維夾芯板結構[DB800/LT600/DB800/H60 DB800/LT600/DB800]與原有碳纖維夾芯板結構，在不同風力作用條件下的力學性能響應相近，可認定其與原有碳纖維夾芯板結構強度相當;同時，根據最大應變衡準準則，玻璃纖維夾芯板能夠作為船體上層建筑板材，上述玻璃纖維夾芯板設計方案，可作為風暴蓋的板材制作方案。

3.9? ?結 論

近年來節能減排一直是各個船廠生產建造的主題，而船舶的輕量化是十分有效的舉措。使用纖維增強復合材料作為船體材料，是船舶輕量化的重要手段，有助于減少能源和資源消耗、降低造船成本、減少溫室氣體排放等。與傳統金屬材料只能選擇現有的牌號和規格不同，纖維增強復合材料有著較為復雜的材料特性，通過選擇不同的原材料種類、配方、制程等，均能滿足強度和剛度要求，這為結構設計者提供了很大的自由度和廣闊的施展才華的空間。

參考文獻

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