游艇用玻璃鋼組份匹配及PATRAN軟件的模擬分析

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(大連海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

玻璃鋼是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強(qiáng)材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。由于玻璃鋼是一種復(fù)合材料，且構(gòu)成玻璃鋼材料種類較多，以及不同材料種類各自的比例不同，最終構(gòu)成玻璃鋼的材料屬性也將有很大的差異。對于玻璃鋼游艇而言，要充分考慮到艇體各個部位結(jié)構(gòu)的特點和功能，根據(jù)實際的使用要求，選擇恰當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)材料和基體材料，最終設(shè)計出能夠滿足使用要求的玻璃鋼材料，同時達(dá)到提高材料的利用率、減輕艇體的重量，降低建造成本的目的。

本文通過分析比較構(gòu)成不同玻璃鋼增強(qiáng)材料和基體材料的特點及其力學(xué)性能，選擇適合于玻璃鋼游艇結(jié)構(gòu)的玻璃鋼增強(qiáng)材料和基體材料；運用MSC.PATRAN/NASTRAN[1]有限元軟件，根據(jù)增強(qiáng)材料和基體材料的不同配比模擬設(shè)計不同玻璃鋼復(fù)合材料，計算其力學(xué)性能。以一塊矩形平板為例，根據(jù)所設(shè)計的不同玻璃鋼復(fù)合材料對平板進(jìn)行受力分析，并結(jié)合玻璃鋼實際建造工藝，最終確定出性能較好的玻璃鋼復(fù)合材料。

1玻璃纖維及合成樹脂

1)玻璃纖維。玻璃纖維作為玻璃鋼材料的增強(qiáng)材料，玻璃纖維的種類對玻璃鋼材料最終的力學(xué)性能有決定性的影響。根據(jù)化學(xué)成分的不同可將玻璃纖維分為無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、高堿玻璃纖維和特種玻璃纖維等。中堿纖維的力學(xué)強(qiáng)度較無堿纖維的低，測試數(shù)據(jù)表明中堿纖維的拉伸強(qiáng)度約為無堿纖維的80%[2]。游艇高速滑行時，艇體抬出水面，艇底首部區(qū)域露出水面之上，吃水顯著下降，這時船由于不斷的遭遇波浪，艇體的這部分區(qū)域受到周期性巨大的沖擊力的作用，對艇體材料的強(qiáng)度要求較高。因此選擇強(qiáng)度較高，耐高溫，耐腐蝕，抗疲勞性好，化學(xué)穩(wěn)定性好的無堿玻璃纖維作為艇體玻璃鋼的增強(qiáng)材料。

2)合成樹脂。樹脂是玻璃鋼的基體材料，是其主要原材料之一。目前玻璃鋼游艇所用的樹脂主要有不飽和聚酯樹脂(UP 樹脂)和環(huán)氧樹脂。

2 MSC.PATRAN/Nastran有限元分析模塊在復(fù)合材料中的應(yīng)用

運用MSC. Patran的HAL Cont. Fiber命令創(chuàng)建復(fù)合材料，并計算出所定義復(fù)合材料的力學(xué)性能。其分析流程見圖1。

圖1 有限元分析流程

以一塊長度為1 m，寬度為0.5 m的平板為例。采用殼單元對其進(jìn)行分析，并施加垂直于板面，且大小為1 000 N面壓力；平板的兩端邊界采取剛性固定。運用MSC.Nastran有限元軟件分別計算不同種類玻璃鋼復(fù)合材料的力學(xué)性能，并通過平板在不同玻璃鋼復(fù)合材料下的最大應(yīng)力狀況進(jìn)行分析比較，最終確定玻璃鋼材料種類。其模型見圖2。

以單向布和E4(63)環(huán)氧樹脂合成的玻璃鋼為例：其中E4(63)環(huán)氧樹脂和無堿方格單向布所占的比例分別為15%、85%,見表1。

圖2 平板的有限元模型

材料密度/(kg·m-3)泊松比模量/MPa剪切彈性百分比/%E4(63)環(huán)氧樹脂7501 4003 50015方格單向布2 5300.2268 60085

運用MSC.Patran創(chuàng)建復(fù)合材料的HAL Cont. Fiber命令進(jìn)行創(chuàng)建復(fù)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.

經(jīng)過MSC.Nastran分析計算,得該復(fù)合材料的各項物理力學(xué)性能。

同理，對構(gòu)成平板的玻璃鋼復(fù)合材料進(jìn)行定義，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.

經(jīng)MSC.Nastran的分析計算，得到平板的應(yīng)力見圖3，最大應(yīng)力位于平板兩端的約束位置，為439 MPa。

圖3 粗紗方格單向布玻璃鋼平板的應(yīng)力云圖

通過改變該玻璃鋼材料中所含E4(63)環(huán)氧樹脂和無堿方格單向布各自的比例，以每次各自變化10%為一個梯度(見表2)，共取8組數(shù)據(jù)，通過MSC. Nastran依次計算得出該玻璃鋼復(fù)合材料所含E4(63)環(huán)氧樹脂和無堿方格單向布不同配比下的各項物理力學(xué)性能，最終得到平板在相應(yīng)E4(63)環(huán)氧樹脂和無堿方格單向布配比下所構(gòu)成的玻璃鋼復(fù)合材料的一組應(yīng)力數(shù)據(jù)(該處所選應(yīng)力值為平板的最大應(yīng)力值)。同理，以組成玻璃鋼復(fù)合材料的增強(qiáng)材料——無堿方格單向布不變，而分別以E51(618)環(huán)氧樹脂、300-400環(huán)氧樹脂、306聚酯樹脂、307聚酯樹脂以及DAP聚酯樹脂作為基體材料，組成不同玻璃鋼復(fù)合材料，按照表2的比例搭配變換，分別計算出各個玻璃鋼復(fù)合材料的物理屬性，最后得出平板在不同玻璃鋼復(fù)合材料下對應(yīng)的8組最大應(yīng)力數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2中所列計算所得平板在不同玻璃鋼復(fù)合材料下所對應(yīng)的8組應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，見圖4、5。

圖4 單向布和環(huán)氧樹脂的平板應(yīng)力變化

圖5 單向布和不飽和聚酯樹脂的平板應(yīng)力變化

通過圖4和圖5中可以看到，無論是由無堿單向布和環(huán)氧樹脂組成的玻璃鋼，還是由無堿單向布和聚酯樹脂組成的玻璃鋼，其平板的受力情況都是當(dāng)單向布所占的比例為45%時平板的應(yīng)力最大，當(dāng)無堿單向布所占的比例為85%時平板的應(yīng)力最小。但由于玻璃鋼材料是由纖維和樹脂粘合共同組成的復(fù)合材料，其中纖維是固體，樹脂是液體，故從工藝上講，纖維的含量不能太多，否則此時樹脂的含量就會相對過少，就會引起由于粘結(jié)劑數(shù)量不足，導(dǎo)致玻璃纖維之間不能緊密連接在一起，中間就會有很多的空隙和氣泡，玻璃鋼的力學(xué)性能就不能得到保證，且力學(xué)性能也不夠穩(wěn)定。當(dāng)纖維的數(shù)量過少而樹脂的數(shù)量過多時，由于纖維是玻璃鋼的增強(qiáng)材料，則此時玻璃鋼材料的強(qiáng)度就不夠，就不能夠滿足實際的需要[3]。所以根據(jù)圖4和圖5可以選擇無堿單向布的比例為35%或者55%最為恰當(dāng)，但是由于無堿單向布的密度較大，且其吸脂性也較差，故綜合考慮以上因素，最終選擇無堿單向布的比例為50%作為玻璃鋼的基體材料。

表2 不同玻璃鋼復(fù)合材料下平板的最大應(yīng)力

當(dāng)選擇無堿雙向布及無堿玻璃氈分別作為玻璃鋼的增強(qiáng)材料時，按照上述相同的方法，分別計算分析平板在相同外力狀況下的最大應(yīng)力狀況。應(yīng)力隨玻璃鋼復(fù)合材料中所含增強(qiáng)材料比例變化曲線見圖6、7、8和9。

圖6 雙向布和環(huán)氧樹脂的平板應(yīng)力變化

圖7 雙向布和不飽和聚酯樹脂的平板應(yīng)力變化

圖8 玻璃氈和環(huán)氧樹脂的平板受力分析

圖9 玻璃氈和不飽和聚酯樹脂的平板受力分析

由圖6和圖7、圖8和圖9可見，無論平板是由無堿雙向布和環(huán)氧樹脂或無堿玻璃氈和環(huán)氧樹脂組成的玻璃鋼，還是由無堿雙向布和聚酯樹脂或無堿玻璃氈和聚酯樹脂組成的玻璃鋼，其受力情況均在當(dāng)雙向布或玻璃氈所占的比例為45%時最大，而當(dāng)雙向布或玻璃氈所占的比例為85%時平板的受力最小。而考慮到實際工藝要求，則當(dāng)無堿雙向布或無堿玻璃氈的比例為35%或者55%時最為恰當(dāng)。但是由于雙向布的密度比單向布大，且其吸脂性也較單向布要好，故最終選擇無堿雙向布的比例為55%作為玻璃鋼的基體材料；而對于由無堿玻璃氈所構(gòu)成的玻璃鋼材料而言，根據(jù)無堿玻璃氈具有非常強(qiáng)的吸脂性能，且鑒于國內(nèi)無堿玻璃氈的價格較貴的原因，故最終考慮在不太影響玻璃鋼材料性能的條件下，選擇無堿玻璃氈的比例為35%作為玻璃鋼的基體材料。

由圖4～9可以得出：平板在相同外力作用下由聚酯樹脂合成的玻璃鋼材料，其最大應(yīng)力要比由環(huán)氧樹脂合成的最大應(yīng)力略小。但從玻璃鋼材料建造工藝角度出發(fā)，由于環(huán)氧樹脂與玻璃纖維的粘合程度要比聚酯樹脂的效果好，且由環(huán)氧樹脂制成的制品的尺寸穩(wěn)定性較高，其蠕變性也較不飽和聚酯樹脂好?；谝陨蟽?yōu)點，故最終在考慮不影響玻璃鋼材料性能的前提下，采用環(huán)氧樹脂作為玻璃鋼的基體材料。

通過圖4、圖6和圖8平板的應(yīng)力曲線可以看到，無論是由無堿單向玻璃布、無堿雙向玻璃布還是選擇無堿玻璃氈作為增強(qiáng)材料所構(gòu)成的玻璃鋼復(fù)合材料，當(dāng)選擇由E4(63)環(huán)氧樹脂作為玻璃鋼的基體材料時，平板的應(yīng)力最小。所以最終選擇E4(63)環(huán)氧樹脂作為玻璃鋼的基體材料。

3 結(jié)論

1)通過對組成玻璃鋼復(fù)合材料不同纖維的特點和性能的分析，并結(jié)合玻璃鋼游艇各結(jié)構(gòu)部位的特點和使用的要求，最終選擇無堿玻璃氈、無堿單向玻璃布和無堿雙向玻璃布玻璃纖維作為艇體玻璃鋼的增強(qiáng)材料。

2)通過對由不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的玻璃鋼復(fù)合材料的平板受力分析，選擇環(huán)氧樹脂作為玻璃鋼的基體材料；又通過對由不同環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料的平板受力分析，最終選擇E4(63)環(huán)氧樹脂作為玻璃鋼的基體材料。

3)由無堿玻璃氈、無堿單向玻璃布和無堿雙向玻璃布作為增強(qiáng)材料的玻璃鋼復(fù)合材料，當(dāng)它們所占玻璃鋼復(fù)合材料的比例分別為35%、50%和55%時，所構(gòu)成的玻璃鋼復(fù)合材料的性能為最好。且結(jié)果與《玻璃纖維增強(qiáng)塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范》(2008)中第2.2.3.4條中所規(guī)定各項含量的標(biāo)準(zhǔn)要求基本相符[4]，從而驗證了將有限元法應(yīng)用于玻璃鋼復(fù)合材料的設(shè)計可以為玻璃鋼游艇材料的選擇提供可靠的理論參考依據(jù)。

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

[2] 上海玻璃鋼結(jié)構(gòu)研究所.玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980.

[3] 林仁廣.玻璃鋼船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中外船舶科技，2001(3)：32-35.

[4] 中華人民共和國漁業(yè)船舶檢驗局.玻璃纖維增強(qiáng)塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社 2008.