船用玻璃鋼單板性能規(guī)范衡準更新研究

汪 敏

（中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200135）

0 引 言

隨著國內(nèi)近年來玻璃鋼游艇及公務船銷量的大幅增長，帶動了國內(nèi)玻璃鋼復合材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展。各種新型樹脂及增強材料被引入，使得手糊成型的玻璃鋼單板性能較 90年代初有了大幅度的提升，而國內(nèi)在玻璃鋼船單板性能方面尚無行業(yè)或國家標準，僅有規(guī)范。隨著行業(yè)的發(fā)展與技術的進步，玻璃鋼單板性能衡準也需要同步更新，以適應新的形勢。

1 國內(nèi)外相關標準規(guī)范

短切氈加方格布是目前國內(nèi)玻璃鋼造船行業(yè)使用的主要鋪層設計。國內(nèi)對該鋪層的性能評估主要依據(jù)中國船級社（CCS）2009版《材料與焊接規(guī)范》[1]，該規(guī)范相關規(guī)定見表1。

表1 CCS規(guī)范（2009版）要求 N/mm2

由表1可以看出，玻璃纖維含量在35%～45%范圍內(nèi)彎曲強度要求為150N/mm2，彎曲模量7000N/mm2。實際上，CCS規(guī)范（2009版）是以保證船舶安全而確定的最低要求。從調研的情況看，在一定范圍內(nèi)隨著玻璃纖維含量的升高，玻璃鋼單板的力學性能會有明顯提高。目前的手糊成型工藝的技術水平，對于玻璃纖維含量 45%的玻璃鋼單板，彎曲強度一般在 230N/mm2左右，而彎曲模量隨鋪層結構不同，一般在8700～11000N/mm2之間，強度較CCS規(guī)范要求的150N/mm2高了50%以上，模量高了25%以上。目前的規(guī)范中，層板最低力學性能要求未做到隨玻璃纖維含量的變化而變化。

查詢歐洲的玻璃鋼小艇建造規(guī)范，采納國際標準ISO12215-5:2008[2]，該玻璃鋼船設計與建造標準給出了玻璃鋼單板（不飽和聚酯+玻璃纖維）的推薦性能（如表2所示）。

表2 ISO12215-5:2008規(guī)定

以計算法取得玻璃纖維含量ψ舉例，對采用如下手糊成型工藝的鋪層結構：

膠衣+2×M225+3×WRM500/300+WR500 （WRM500/300為500g/m2的方格布與300 g/m2的氈）

則采用公式計算如下：ψ=0.46-0.18R

R=（225×2+3×300）/(225×2+3×300+3×500+500)=0.403

ψ=0.46-0.18×0.403=0.387

之后將ψ=0.387代入表2中計算各項最低性能要求。

以35%的玻璃纖維含量作為起始含量，以5%的玻璃纖維含量差值作為梯度，則ISO標準的力學性能要求與CCS規(guī)范現(xiàn)有要求對比見表3。

表3 ISO12215-5:2008計算結果 N/mm2

從表3可以看出，以35%和45%兩個玻纖含量為例，玻纖含量45%的較35%的拉伸強度提高了52%，彎曲強度提高了24%，彎曲模量提高50%，這與國內(nèi)調研的實際情況基本相符。ISO標準較好地解決了國內(nèi)層板最低性能要求無法隨玻璃纖維含量變化而變化的問題，給出了一個較好的解決問題的思路。

2 ISO標準適用性

ISO對玻璃鋼單板的性能規(guī)定是基于不同玻璃纖維含量來確定的。而對玻璃纖維含量的確定，ISO標準規(guī)定可采用燃燒法實測也可采用鋪層計算法。但由于玻璃鋼材料在成型過程中人為因素以及環(huán)境因素含量會有5%甚至更大的差異，因此在實際的檢驗中，采用計算法確定的玻璃纖維含量與實測法的結果差異僅為3%～5%。對于船檢部門確定最低檢驗要求來說，還是計算法更為合理一些。從表2的計算法ψ取值和R計算可以看出，玻璃纖維含量計算結果隨鋪層結構的不同而變化。眾所周知，鋪層設計中布和氈的使用比例不同對整個鋪層的力學性能影響很大。鋪層設計中提高布的使用比例，則強度與剛度都有一定程度的提高，但層間結合力會下降，這在表2中都有體現(xiàn)。

國內(nèi)玻璃鋼廠的檢測報告顯示，大部分測試項目都能滿足表2及表3中ISO的要求。但彎曲彈性模量要達到ISO標準還是有些困難，對于層間剪切強度，進行該項測試的國內(nèi)各船廠都能大幅高于ISO標準。

3 規(guī)范修訂建議案

此次給出的規(guī)范修訂建議案較原 CCS規(guī)范的衡準有了大幅提升，由于國內(nèi)玻璃鋼行業(yè)的彎曲彈性模量的平均水平低于ISO標準的推薦性能，對彎曲彈性模量在ISO推薦性能的基礎上作了一定的放寬；而對于層間剪切強度，建議案在國內(nèi)首次加入層間剪切強度的測試要求，其衡準略高于ISO，規(guī)范修訂建議案見表4。

表4 CCS規(guī)范（2013版修訂建議案）

以國內(nèi)某船廠玻璃鋼單板設計為例，按計算法計算R和ψ：

該廠某鋪層設計為：M300+M450+WR570+M450+2WR570+M450+2WR570+M450，采用手糊成型方式，則R=氈/（氈+布）=（300+450×4）/(300+450×4+570*5)=0.42；手糊成型，ψ=0.46-0.18×R=0.46-0.18×0.42=0.38。以0.38的玻纖含量通過ISO的公式計算得出最低性能要求如表5所示。

表5 某廠試板計算結果對比 N/mm2

該廠的層板測試數(shù)據(jù)較多，選取有代表性的4組實測數(shù)據(jù)，第1、4組為所有測試數(shù)據(jù)中最好和最差的，較常見情況的結果為第 3、4組。結合其他船廠的調研結果，從彎曲彈性模量來看，國內(nèi)玻璃鋼造船行業(yè)的平均水平大約在實測數(shù)據(jù)的第2和第4組之間。

4 結 語

CCS規(guī)范2013版修訂建議案給目前國內(nèi)使用最廣、最常用的短切氈+方格布的最低性能要求引入了新的評價體系，其最低性能要求能隨鋪層玻璃纖維含量不同而變化，同時新增了層間剪切強度的測試要求，較2009版規(guī)范更為科學。建議案的總體技術要求與國際標準基本相當，并適用于國內(nèi)現(xiàn)階段的技術水平。該規(guī)范修訂建議案已經(jīng)通過評審并即將實施，相信在國內(nèi)玻璃鋼造船行業(yè)的生產(chǎn)及檢驗中能夠起到積極作用。

[1] 中國船級社.《材料與焊接規(guī)范》[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[2] ISO12215-5:2008, Small Craft-Hull Construction and Scantlings-Part5: Design Pressures for Monohulls, Design Stresses,Scantlings Determination[S].