浅析蜂窝夹层结构复合材料在舰船中的应用

郭哲璐，陈倩清，刘在良

（浙江国际海运职业技术学院 浙江 舟山 316021）

1 引言

蜂窝夹层结构属于复合材料的一种，具有相对密度小、强度大等优点[1]。从上个世纪五十年代开始，该结构最早被航空航天行业采用，然后逐渐地应用于赛车、建筑、包装、体育用品等各行各业[1]。然而由于制造工艺复杂、制造成本相对较高以及吸水性问题难以解决等原因，在船舶领域中的应用并不普遍[2]，主要以预算较高的军用舰船为主，民用船舶中应用较少，且主要局限于烟囱、驾驶舱等上层建筑。

近年来随着世界各国对新材料研发的不断投入，各大技术难题被不断被攻克，蜂窝夹层结构在船舶领域中的广泛应用将是必然趋势。

2 蜂窝夹层结构概述

蜂窝夹层结构是由一个密度较小的蜂窝芯层（一般为正六边形）和两块较薄的实心面板通过胶接或焊接的方法制作而成（见图1）。在轴向力的作用下，蜂窝面板主要承受拉伸和弯曲载荷，而蜂窝芯可以承受绝大部分的剪切载荷。正是由于这种高效的承受载荷方式，使蜂窝夹层板的力学性能大大提升。表1给出了相同质量情况下，实心板和蜂窝夹层板的在刚度和强度上的对比数据（由美国著名蜂窝材料制造商Hexcel公司提供）。从表1中的数据可知，相比于等质量的实心板，蜂窝夹层结构具有更高的强度和刚度，而且蜂窝芯层越厚，力学性能越好。

表1 两种结构力学性能数据对比[3]

图1 蜂窝夹层结构示意图

3 蜂窝夹层结构性能分析

蜂窝夹层结构不仅相对强度和相对刚度比较大，同时还具有如下五个性能特点：（1）密度小：由于蜂窝芯层是由许多相互毗连的空心蜂窝单元组成，其实体蜂窝壁的所占体积较小，因此蜂窝夹层结构的密度也比较小。（2）良好的平整度和刚性：蜂窝夹层结构在受外力作用时，由于每个蜂窝单元周围存在六个蜂窝单元相互牵制和作用，使其受载能力更强，因此蜂窝夹层结构具有较好的平整性和刚性，即使受到很大的面外载荷，也能在一定范围内防止该结构因发生较大变形而破坏和失效。（3）较强的减震性能：由于蜂窝芯层中存在大量充满空气的密闭空间，当其受到振动冲击时，蜂窝单元内部会产生很多内耗，可以实现一定程度的缓冲作用，从而化解振动产生的能量。（4）疲劳性能好：由于蜂窝夹层板是由蜂窝芯层和上下面板经过焊接或胶接的方法制作而成，因此和一般的铆接结构相比，应力集中更小，长期工作下的疲劳损伤更小，从而使蜂窝结构的抗疲劳性能显著提升。（5）优越的隔音、隔热性能：蜂窝夹层结构中实体部分为蜂窝壁，只占总体积的百分之二左右，其余均是密闭空间，里面充满大量的空气。众所周知，相比于固体介质，空气在隔音、隔热方面表现更为出色。由于以空气作为介质，声波和热量在传递过程中均受到一定程度限制，从而大大提高了该结构的隔音和隔热性能。

4 蜂窝夹层结构在船舶领域中的应用现状

由于蜂窝夹层结构具有密度小、刚性好、减震性和抗疲劳性好等优点，该结构被广泛应用于航空航天、汽车、包装、体育用品等各行各业。然而由于制造工艺、成本等因素限制，在船舶领域中的应用并不十分普遍，主要以预算较高的军用舰船为主，民用船舶中常见于对快速性要求较高的船舶中。

4.1 蜂窝夹层结构在军用船舶中的应用

蜂窝夹层结构最早被美国海军采用，用于军舰的甲板上，可以减小军舰空船重量，提升军舰机动性、快速性以及抗冲击性能。通过在DD（X）和DDG-51型驱逐舰（如图2所示）上的大量应用，发现使用激光技术进行焊接的钢质蜂窝夹层结构进行舰船的设计能够减小空船重量30%-50%[4]，这对于提升舰船作战能力具有非常大的帮助。这一成果在世界海军界反响巨大，并迅速引起各国海军的重视，英国、印度、澳大利亚等各国海军相继投入大量人力和物力进行蜂窝夹层结构的研究。相关资料[5]显示，英国海军研发部正在积极开展一个关于固体材料力学的研究项目，目的就是为新型结构在军舰中的应用提供理论依据。据悉，该项目的重点研究对象之一正是蜂窝夹层结构。

图2 美国DDG-51型驱逐舰

蜂窝夹层结构不仅可以减轻空船重量、提高舰船机动性和抗冲击性能，还能大幅提升舰船的抗腐蚀性能和“隐身”能力。从上世纪八十年代开始，瑞典皇家海军逐步将蜂窝结构应用于当时最新的水面舰艇上，他们将石墨/环氧材料制成的新型蜂窝夹层结构用于舰艇的船体外板上。应用效果显示，新型的船体外板更难被腐蚀，而且更不容易被雷达扫描发现[6]。近年来，各国海军还将蜂窝夹层材料用于水面舰艇的甲板室，舱壁和飞机顶棚等上层建筑，用于提升舰艇各方面的综合性能。

4.2 蜂窝夹层结构在民用船舶中的应用

图3 芬兰Finnyard船厂建造的Stena号HSS

进入新世纪以来，由于蜂窝夹层结构在军用舰艇中应用效果良好，该结构也逐渐地被民用船舶所采用。由芬兰造船厂Finnyard建造的Stena号HHS（高速海洋服务船）（见图3），其球鼻艏、甲板室及内部的家具、楼梯等大部分上层建筑均采用蜂窝夹层结构制造。意大利Fincantieri造船厂将蜂窝夹层结构应用于高速客运渡船的烟囱上，相比于同尺寸的不锈钢制烟囱，重量减少50%，并节省了20%的费用[7]。美国Bennington,VT Fothergill公司设计并建造的一艘动力赛艇，其驾驶室所采用的就是用多种纤维增强材料制造而成的蜂窝夹层结构。在某次大型比赛中，该款赛艇发生严重的碰撞事故，然而驾驶室内的3名选手均存活下来，从而证明该结构优越的抗冲击性能。

除了以上应用外，蜂窝结构在民船上还存在许多应用实例，通过总结将其具体应用情况归纳如表2所示。

表2 蜂窝夹层结构在民船中的应用实例

5 结语

本文首先介绍了蜂窝夹层结构的构成情况；然后通过对其结构的定性分析表明：蜂窝夹层结构具有密度小、强度刚度大、减震性好、抗疲劳、隔音隔热性优越等五大性能特点；最后从军事和民用两个方面总结了蜂窝夹层结构在船舶领域中的应用情况，通过大量实例表明：（1）蜂窝夹层结构在军用舰船中应用非常普遍，在船身、甲板、上层建筑等结构中均有一定应用，用以提高舰船的机动性、抗冲击性、耐腐蚀性和隐蔽性。（2）在民用船舶中的应用才刚刚起步，主要应用于动力赛艇、游艇、高速客船等对快速性要求较高的船舶中，且应用部位主要局限于上层建筑。（3）由于出色的综合性能表现，蜂窝夹层结构拥有非常光明的应用前景。随着制作工艺逐渐成熟、制作成本不断降低，蜂窝夹层结构将在更多的船舶中广泛应用。