浅谈纤维增强复合材料船体的可设计性

黄恩哈 黄盛开 邱昂

摘    要：纤维增强复合材料是一种多相结构材料，具有质量轻、强度大、耐腐蚀等特性，现已广泛应用于航天、轨道交通、舰船等行业。选择不同的纤维材料、树脂基体及夹层材料，通过不同的铺层形式和成型工艺，纤维增强复合材料结构力学性能会有很大的差异，为结构设计提供了很大的自由度。本文结合船体风暴盖的设计和实际应用，讨论了纤维增强复合材料船体的可设计性，旨在让结构设计者对纤维增强复合材料有较深入的了解。

关键词：纤维增強复合材料;船体;力学性能;可设计性

中图分类号：U668.7                                  文献标识码：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

随着人类社会的不断发展，环境保护问题越发凸显，对于船舶行业，各方学者都在探寻着各种节能减排的方法。纤维增强复合材料，具有重量轻、比强度和比刚度高、耐腐蚀等许多优异的性能，备受各行各业的重视。近年来，先进复合材料和轻量化结构技术，已成为减轻船体重量的关键技术，并成功的应用在救生艇、水翼艇、高速执法艇等上，效果令人十分振奋。笔者所在公司所建造的碳纤维双体高速客船，与传统铝合金双体客船相比，船体重量大幅降低，航速得到明显提升。经实测，油耗比传统铝合金双体船降低30%以上。显而易见，纤维增强复合材料的综合性能优势，令其在船舶行业的应用越来越广泛。

2     纤维增强复合材料的组成及特性

2.1   纤维材料

纤维是指由连续或不连续的细丝组成的物质，常见的纤维材料有：玻璃纤维;碳纤维;芳纶纤维等。

（1）玻璃纤维

一种性能优异的无机非金属材料。玻璃纤维作为增强材料，具有绝缘性好、机械强度高、耐化学腐蚀、拉伸强度高、弹性好以及优良的电性能，相比于其他纤维材料价格相对较低，是目前应用最为广泛的纤维材料。但是由于玻璃纤维是致癌物，在国外一些地方被禁用。

（2）碳纤维

由聚丙烯腈纤维、黏胶或沥青原丝经炭化制成的。碳纤维是一种力学性能十分优异的新材料，具有很高的拉伸强度、弯曲强度和模量。碳纤维的比重不到钢的1/4，而抗拉强度是钢的7～9倍;碳纤维的热膨胀系数低，同时无磁性、不吸收波，是制作隐身军舰的绝佳材料，是目前最受重视的高性能材料之一，被誉为新材料之王。

（3）芳纶纤维

一种高强度、高模量且质轻的新型合成纤维。芳纶纤维的密度小，只有铝的一半，具有强度高、模量高、韧性好、减震性优异的特点，还具有良好的热稳定性。

纤维材料属于各向异性材料，不同方向的力学性能不同。根据纤维编织方向，一般可分为：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等几种类型，如图1所示。

2.2   基体材料

基体材料是复合材料的重要组成部分。基体材料与增强纤维结合成一个整体，赋予了复合材料形状，并决定了其表面质量。

基体的性能，对复合材料的整体性能有着直接的影响。其主要作用是：

（1）基体材料与增强纤维粘合成为一个整体，在纤维之间传递应力，并使载荷均衡;

（2）基体对复合材料的一些性能起到决定作用，如耐高温性能、剪切性能、耐水、耐化学腐蚀性能等;

（3）基体本身的化学性能直接影响复合材料成型工艺方法和工艺参数的选择;

（4）基体保护纤维免受机械和环境损害。

对基体材料的基本要求是：其断裂时的应变必须大于它所固定的纤维。目前大多数基体都是由树脂制成，因为其性能变化不大，成本相对较低。

2.3   芯材

芯材是复合材料的基础，其物理分隔性能优良，并能在结构中传递剪切力。芯材的范围十分广泛，从轻木、粘合板等天然材料到高度工程化的蜂窝、泡沫材料，都可作为芯材使用。复合材料的动态力学性能，与所使用的芯材材料特性密切相关。例如常见的PVC泡沫就具有优良的机械性能、重量轻、与大多数湿树脂系统兼容、导热系数低、冲击能量吸收效果好等，是目前应用最广泛的复合材料芯材。

3    应用实例—半潜船风暴盖

已知风暴盖尺寸以及风暴盖周围船体结构的纤维和芯材铺层方式及相应力学性能，采用通用有限元程序ABAQUS建立风暴盖有限元模型，并模拟其在8级风载荷作用下的结构响应。

将计算结果与由碳纤维夹芯板制作的风暴盖进行对比，若指标优于（或等效于）碳纤维夹芯板，则认为用玻璃纤维夹芯板制作风暴盖与用碳纤维夹芯板制作风暴盖等效;进而根据《海上高速船入级与建造规范2015》附录3 复合材料高速船船体结构直接计算所述内容，采用最大应变衡准衡量玻璃纤维夹芯板结构是否满足要求;对于采用手糊、真空成型的高模数碳纤维板，其轴向拉伸/压缩最大应变衡准为0.25%或UCS/3（取小者），面内剪切应变衡准为0.25%或0.6·UCS（取小者）;对于玻璃纤维，其轴向拉伸/压缩最大应变衡准为0.35%，面内剪切应变衡准为0.7%。

3.1   材料参数

根据《海上高速船入级与建造规范2015》4.3.3.2节，风暴盖应为金属材料或复合材料制成，风暴盖的强度应与其周围船体结构相当。根据设计图纸，周围船体结构为舱壁板，取舱壁板典型铺层配方为   [LT450-C/DB420-C/H60-30/LT450-C/DB420-C]，即夹芯板的内外表层面板配方均为[LT450-C/DB420-C]。根据力学测试报告，该种类型面板的材料参数及力学性能，如表1、表2所示：

为保证计算的通用性以及材料属性参数在规范的认可范围之内，本计算所用玻璃纤维及乙烯基树脂的材料属性依据规范选取参数（见表3）。

采用Chamis模型公式，计算夹芯板面板的力学性能参数（取纤维体积分数为60%）：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

根据工程经验及试算，取等效玻璃纤维夹芯板结构形式为[DB800/LT600/DB800/H60 DB800/LT600/DB800]。

3.2    有限元模型

（1）采用S4R线弹性壳单元，建立风暴盖有限元模型（长1.65m*宽0.8 m），共有128个单元、153个节点;

（2）采用S4R线弹性壳单元，建立船舶舱壁结构（2.22 m*2.35 m），共有528个单元、575个节点。

3.3   材料属性

有限元模型所需输入材料的參数，如表4所示。

碳纤维夹芯板及玻璃纤维夹芯板的铺层方案，如图2所示。

3.4   边界条件

风暴盖四边固支，即约束风暴盖四条边的6个自由度;玻璃纤维船体板四边铰支，即约束船体板四条边的位移自由度（XYZ方向）;3 kPa均布压力载荷作用在玻璃纤维板表面。

3.5   计算工况及载荷

（1）风压计算

（6）

相应风级情况下的风压值，如表5所示。

（2）计算工况

① 碳纤维夹芯板，8级风压载荷作用;

② 玻璃纤维夹芯板，8级风压载荷作用;

③ 碳纤维夹芯板，10级风压载荷作用;

④ 玻璃纤维夹芯板，10级风压载荷作用;

⑤ 玻璃纤维夹芯板作为船体结构，受均布压力载荷作用。

3.6   计算结果

（1）碳纤维夹芯板

在8级风压载荷作用下，其应力云图和位移云图，如图3、图4所示。

（2）玻璃纤维夹芯板

在8级风压载荷作用下，其应力云图和位移云图，如图5、图6所示。

（3）碳纤维夹芯板

在10级风压载荷作用下，其应力云图和位移云图，如图7、图8所示。

（4）玻璃纤维夹芯板

在10级风压载荷作用下，其应力云图和位移云图，如图9、图10所示。

（5）玻璃纤维舱壁板

在均布压力载荷作用下，其应力云图和位移云图，如图11、图14所示。

3.7   结构校核及对比

各种工况下的计算结果，如表6、表7所列。

由表6可知：玻纤夹芯板在承受相同载荷的情况下，应力均低于碳纤夹芯板，位移响应与碳纤夹芯板相当。

由表7可知：采用最大应变衡准衡，玻璃纤维夹芯板结构作为船体上层建筑板材，满足要求。

3.8   小结

本计算中提出的玻璃纤维夹芯板结构[DB800/LT600/DB800/H60 DB800/LT600/DB800]与原有碳纤维夹芯板结构，在不同风力作用条件下的力学性能响应相近，可认定其与原有碳纤维夹芯板结构强度相当;同时，根据最大应变衡准准则，玻璃纤维夹芯板能够作为船体上层建筑板材，上述玻璃纤维夹芯板设计方案，可作为风暴盖的板材制作方案。

3.9   结 论

近年来节能减排一直是各个船厂生产建造的主题，而船舶的轻量化是十分有效的举措。使用纤维增强复合材料作为船体材料，是船舶轻量化的重要手段，有助于减少能源和资源消耗、降低造船成本、减少温室气体排放等。与传统金属材料只能选择现有的牌号和规格不同，纤维增强复合材料有着较为复杂的材料特性，通过选择不同的原材料种类、配方、制程等，均能满足强度和刚度要求，这为结构设计者提供了很大的自由度和广阔的施展才华的空间。

参考文献

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