游艇用玻璃钢组份匹配及PATRAN软件的模拟分析

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(大连海洋大学 海洋工程学院，辽宁 大连 116023)

玻璃钢是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。由于玻璃钢是一种复合材料，且构成玻璃钢材料种类较多，以及不同材料种类各自的比例不同，最终构成玻璃钢的材料属性也将有很大的差异。对于玻璃钢游艇而言，要充分考虑到艇体各个部位结构的特点和功能，根据实际的使用要求，选择恰当的增强材料和基体材料，最终设计出能够满足使用要求的玻璃钢材料，同时达到提高材料的利用率、减轻艇体的重量，降低建造成本的目的。

本文通过分析比较构成不同玻璃钢增强材料和基体材料的特点及其力学性能，选择适合于玻璃钢游艇结构的玻璃钢增强材料和基体材料；运用MSC.PATRAN/NASTRAN[1]有限元软件，根据增强材料和基体材料的不同配比模拟设计不同玻璃钢复合材料，计算其力学性能。以一块矩形平板为例，根据所设计的不同玻璃钢复合材料对平板进行受力分析，并结合玻璃钢实际建造工艺，最终确定出性能较好的玻璃钢复合材料。

1玻璃纤维及合成树脂

1)玻璃纤维。玻璃纤维作为玻璃钢材料的增强材料，玻璃纤维的种类对玻璃钢材料最终的力学性能有决定性的影响。根据化学成分的不同可将玻璃纤维分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维和特种玻璃纤维等。中碱纤维的力学强度较无碱纤维的低，测试数据表明中碱纤维的拉伸强度约为无碱纤维的80%[2]。游艇高速滑行时，艇体抬出水面，艇底首部区域露出水面之上，吃水显著下降，这时船由于不断的遭遇波浪，艇体的这部分区域受到周期性巨大的冲击力的作用，对艇体材料的强度要求较高。因此选择强度较高，耐高温，耐腐蚀，抗疲劳性好，化学稳定性好的无碱玻璃纤维作为艇体玻璃钢的增强材料。

2)合成树脂。树脂是玻璃钢的基体材料，是其主要原材料之一。目前玻璃钢游艇所用的树脂主要有不饱和聚酯树脂(UP 树脂)和环氧树脂。

2 MSC.PATRAN/Nastran有限元分析模块在复合材料中的应用

运用MSC. Patran的HAL Cont. Fiber命令创建复合材料，并计算出所定义复合材料的力学性能。其分析流程见图1。

图1 有限元分析流程

以一块长度为1 m，宽度为0.5 m的平板为例。采用壳单元对其进行分析，并施加垂直于板面，且大小为1 000 N面压力；平板的两端边界采取刚性固定。运用MSC.Nastran有限元软件分别计算不同种类玻璃钢复合材料的力学性能，并通过平板在不同玻璃钢复合材料下的最大应力状况进行分析比较，最终确定玻璃钢材料种类。其模型见图2。

以单向布和E4(63)环氧树脂合成的玻璃钢为例：其中E4(63)环氧树脂和无碱方格单向布所占的比例分别为15%、85%,见表1。

图2 平板的有限元模型

材料密度/(kg·m-3)泊松比模量/MPa剪切弹性百分比/%E4(63)环氧树脂7501 4003 50015方格单向布2 5300.2268 60085

运用MSC.Patran创建复合材料的HAL Cont. Fiber命令进行创建复合材料，即：

①Action:creat→Object:Isotropic→Method:Manual Input→Material Name E4(63)→Input Properties→Elastic Modulus:3.5E+009→Shear Modulus:1.4E+009→Density:750→Apply

②Action:creat→Object:Isotropic→Method:Manual Input→Material Name: blb→Input Properties→Elastic Modulus:6.86E+010 →Poisson Ratio:0.22→Density: 2530 →Apply

③Action:creat→Object: Composite→Method: HAL Cont.Fiber→Material Name: fh→Material Constituents: Fiber dlb ,Matrix E4(63)→Fiber Volume Fraction : 0.85→Matrix Volume Fraction: 0.15→APPLY.

经过MSC.Nastran分析计算,得该复合材料的各项物理力学性能。

同理，对构成平板的玻璃钢复合材料进行定义，即：

Action:creat→Object:2D Orthotropic→Method:Manual Input→Material Name zb→Input Properties→Constitutive Model→Linear Elastic, Elastic Modulus11:5.73E+010→Elastic Modulus22:4.67E+010→Poisson Ratio:0.23→ Shear Modulus12:1.85 E+010→Ok→Apply.

经MSC.Nastran的分析计算，得到平板的应力见图3，最大应力位于平板两端的约束位置，为439 MPa。

图3 粗纱方格单向布玻璃钢平板的应力云图

通过改变该玻璃钢材料中所含E4(63)环氧树脂和无碱方格单向布各自的比例，以每次各自变化10%为一个梯度(见表2)，共取8组数据，通过MSC. Nastran依次计算得出该玻璃钢复合材料所含E4(63)环氧树脂和无碱方格单向布不同配比下的各项物理力学性能，最终得到平板在相应E4(63)环氧树脂和无碱方格单向布配比下所构成的玻璃钢复合材料的一组应力数据(该处所选应力值为平板的最大应力值)。同理，以组成玻璃钢复合材料的增强材料——无碱方格单向布不变，而分别以E51(618)环氧树脂、300-400环氧树脂、306聚酯树脂、307聚酯树脂以及DAP聚酯树脂作为基体材料，组成不同玻璃钢复合材料，按照表2的比例搭配变换，分别计算出各个玻璃钢复合材料的物理属性，最后得出平板在不同玻璃钢复合材料下对应的8组最大应力数据。

根据表2中所列计算所得平板在不同玻璃钢复合材料下所对应的8组应力数据，进行曲线拟合，见图4、5。

图4 单向布和环氧树脂的平板应力变化

图5 单向布和不饱和聚酯树脂的平板应力变化

通过图4和图5中可以看到，无论是由无碱单向布和环氧树脂组成的玻璃钢，还是由无碱单向布和聚酯树脂组成的玻璃钢，其平板的受力情况都是当单向布所占的比例为45%时平板的应力最大，当无碱单向布所占的比例为85%时平板的应力最小。但由于玻璃钢材料是由纤维和树脂粘合共同组成的复合材料，其中纤维是固体，树脂是液体，故从工艺上讲，纤维的含量不能太多，否则此时树脂的含量就会相对过少，就会引起由于粘结剂数量不足，导致玻璃纤维之间不能紧密连接在一起，中间就会有很多的空隙和气泡，玻璃钢的力学性能就不能得到保证，且力学性能也不够稳定。当纤维的数量过少而树脂的数量过多时，由于纤维是玻璃钢的增强材料，则此时玻璃钢材料的强度就不够，就不能够满足实际的需要[3]。所以根据图4和图5可以选择无碱单向布的比例为35%或者55%最为恰当，但是由于无碱单向布的密度较大，且其吸脂性也较差，故综合考虑以上因素，最终选择无碱单向布的比例为50%作为玻璃钢的基体材料。

表2 不同玻璃钢复合材料下平板的最大应力

当选择无碱双向布及无碱玻璃毡分别作为玻璃钢的增强材料时，按照上述相同的方法，分别计算分析平板在相同外力状况下的最大应力状况。应力随玻璃钢复合材料中所含增强材料比例变化曲线见图6、7、8和9。

图6 双向布和环氧树脂的平板应力变化

图7 双向布和不饱和聚酯树脂的平板应力变化

图8 玻璃毡和环氧树脂的平板受力分析

图9 玻璃毡和不饱和聚酯树脂的平板受力分析

由图6和图7、图8和图9可见，无论平板是由无碱双向布和环氧树脂或无碱玻璃毡和环氧树脂组成的玻璃钢，还是由无碱双向布和聚酯树脂或无碱玻璃毡和聚酯树脂组成的玻璃钢，其受力情况均在当双向布或玻璃毡所占的比例为45%时最大，而当双向布或玻璃毡所占的比例为85%时平板的受力最小。而考虑到实际工艺要求，则当无碱双向布或无碱玻璃毡的比例为35%或者55%时最为恰当。但是由于双向布的密度比单向布大，且其吸脂性也较单向布要好，故最终选择无碱双向布的比例为55%作为玻璃钢的基体材料；而对于由无碱玻璃毡所构成的玻璃钢材料而言，根据无碱玻璃毡具有非常强的吸脂性能，且鉴于国内无碱玻璃毡的价格较贵的原因，故最终考虑在不太影响玻璃钢材料性能的条件下，选择无碱玻璃毡的比例为35%作为玻璃钢的基体材料。

由图4～9可以得出：平板在相同外力作用下由聚酯树脂合成的玻璃钢材料，其最大应力要比由环氧树脂合成的最大应力略小。但从玻璃钢材料建造工艺角度出发，由于环氧树脂与玻璃纤维的粘合程度要比聚酯树脂的效果好，且由环氧树脂制成的制品的尺寸稳定性较高，其蠕变性也较不饱和聚酯树脂好。基于以上优点，故最终在考虑不影响玻璃钢材料性能的前提下，采用环氧树脂作为玻璃钢的基体材料。

通过图4、图6和图8平板的应力曲线可以看到，无论是由无碱单向玻璃布、无碱双向玻璃布还是选择无碱玻璃毡作为增强材料所构成的玻璃钢复合材料，当选择由E4(63)环氧树脂作为玻璃钢的基体材料时，平板的应力最小。所以最终选择E4(63)环氧树脂作为玻璃钢的基体材料。

3 结论

1)通过对组成玻璃钢复合材料不同纤维的特点和性能的分析，并结合玻璃钢游艇各结构部位的特点和使用的要求，最终选择无碱玻璃毡、无碱单向玻璃布和无碱双向玻璃布玻璃纤维作为艇体玻璃钢的增强材料。

2)通过对由不饱和聚酯树脂和环氧树脂构成的玻璃钢复合材料的平板受力分析，选择环氧树脂作为玻璃钢的基体材料；又通过对由不同环氧树脂构成的复合材料的平板受力分析，最终选择E4(63)环氧树脂作为玻璃钢的基体材料。

3)由无碱玻璃毡、无碱单向玻璃布和无碱双向玻璃布作为增强材料的玻璃钢复合材料，当它们所占玻璃钢复合材料的比例分别为35%、50%和55%时，所构成的玻璃钢复合材料的性能为最好。且结果与《玻璃纤维增强塑料渔业船舶建造规范》(2008)中第2.2.3.4条中所规定各项含量的标准要求基本相符[4]，从而验证了将有限元法应用于玻璃钢复合材料的设计可以为玻璃钢游艇材料的选择提供可靠的理论参考依据。

[1] ZIEN KIEWICZ O C. The finite element method[M]. 3ded. New York： McGraw-Hill,1977.

[2] 上海玻璃钢结构研究所.玻璃钢结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1980.

[3] 林仁广.玻璃钢船体的结构设计[J].中外船舶科技，2001(3)：32-35.

[4] 中华人民共和国渔业船舶检验局.玻璃纤维增强塑料渔业船舶建造规范[S].北京：人民交通出版社 2008.