基于復(fù)合材料層板輕量化方法的11 m CFRP高速艇最優(yōu)設(shè)計(jì)

OH Daekyun, 韓志強(qiáng), NOH Jackyou

(1.國(guó)立木浦海洋大學(xué) 造船海洋工學(xué)科， 韓國(guó)全羅南道木浦市， 58628；2. 國(guó)立木浦海洋大學(xué) 大學(xué)院 海洋系統(tǒng)工學(xué)科， 韓國(guó)全羅南道木浦市， 58628；3. 國(guó)立群山大學(xué) 造船工學(xué)科， 韓國(guó)全羅北道群山市， 54150)

0 引 言

隨著綠色、高效率船舶的開發(fā)，減輕船體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在設(shè)計(jì)階段顯得尤為重要。與此同時(shí)，沿岸客船、游艇等中小型船舶的建造也較多地采用鋁、碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic， CFRP)等輕質(zhì)材料。特別是CFRP，相對(duì)于玻璃鋼、鋁等材料，高附加特征明顯、性能優(yōu)越，在高級(jí)游艇及軍警用等特殊用途船舶中的使用量逐漸增多。

OH等[1]比較分析小型船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 12215[2]和小型船舶認(rèn)證時(shí)廣泛使用的意大利船級(jí)社發(fā)行的RINAPleasureYachtPartB(RINA 規(guī)范)[3]，以實(shí)際船舶設(shè)計(jì)研究為例，說(shuō)明了兩規(guī)范間設(shè)計(jì)壓力和層板的要求厚度在估算時(shí)的傾向和大小差異。KANG[4]為實(shí)現(xiàn)CFRP游艇層板的輕量化進(jìn)行最優(yōu)纖維含量(Glass Content， GC)的相關(guān)研究。在此研究中，以 ISO 12215和 RINA 規(guī)范為基礎(chǔ)，分析船型特征、纖維含量和層板要求厚度的關(guān)系，并根據(jù)碳纖維織物的種類和纖維含量的變化，模擬碳纖維層板要求厚度和質(zhì)量隨纖維含量的變化。OH等[5]為驗(yàn)證 KANG的研究結(jié)果，進(jìn)行碳纖維層板材料試驗(yàn)，測(cè)定層板的質(zhì)量和力學(xué)性能變化，試驗(yàn)結(jié)果與基于層板輕量化方法的層板減重趨勢(shì)一致。SONG等[6]整合上述研究?jī)?nèi)容，提出船用復(fù)合材料層板輕量化設(shè)計(jì)方法，將此方法應(yīng)用于52英尺玻璃鋼游艇中，對(duì)比原設(shè)計(jì)方案船體減重10%，并通過總縱強(qiáng)度校核和材料試驗(yàn)確認(rèn)船體結(jié)構(gòu)安全性。本研究旨在利用OH提出的船用復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)CFRP小型高速艇的最優(yōu)設(shè)計(jì)，將碳纖維材料的比強(qiáng)度特性最大化。

ISO 12215是小型船舶船體結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中ISO 12215-5從船體設(shè)計(jì)載荷的估算到不同船體結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)等都有詳細(xì)的介紹。意大利船級(jí)社在各船級(jí)社的CE RCD 認(rèn)證[7]及小型船舶認(rèn)證時(shí)使用的規(guī)范大多是以ISO標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)編寫的。意大利船級(jí)社在游艇等中小型船舶認(rèn)證及入級(jí)方面為行業(yè)的先導(dǎo)，因此本研究提出的層板輕量化設(shè)計(jì)方法以小型船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性規(guī)范ISO 12215-5和RINA規(guī)范為基礎(chǔ)進(jìn)行定義。首先，將先行研究提出的復(fù)合材料層板輕量化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到CFRP結(jié)構(gòu)，重新整合，并添加了碳纖維層板的鋪層設(shè)計(jì)過程。其次，將重新整合的輕量化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到11 m碳纖維高速艇(MMU-M Patrol 36)。為實(shí)現(xiàn)CFRP船體結(jié)構(gòu)的輕量化，導(dǎo)出CFRP層板的最優(yōu)纖維含量，并使用導(dǎo)出結(jié)果再次進(jìn)行高速艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比較層板纖維含量?jī)?yōu)化前后高速艇船體的質(zhì)量變化。最后，通過校核優(yōu)化前后高速艇的總縱強(qiáng)度確認(rèn)高速艇結(jié)構(gòu)安全性及本研究提出的輕量化設(shè)計(jì)方法的可信性。

1 復(fù)合材料層板輕量化方法

先行研究提出的復(fù)合材料層板輕量化設(shè)計(jì)方法在滿足層板結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同層板結(jié)構(gòu)與纖維織物的種類，導(dǎo)出單位面積層板中纖維織物和樹脂的最優(yōu)質(zhì)量比率，即最優(yōu)纖維含量，使層板質(zhì)量最小化，大體可分為船舶設(shè)計(jì)、層板的力學(xué)性能提高及層板要求厚度減小、層板質(zhì)量估算等部分。

1.1 方法核心

復(fù)合材料船舶設(shè)計(jì)和鋼、鋁等材料的船舶設(shè)計(jì)流程并無(wú)太大區(qū)別，一般可將其分為船舶設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)等部分。船型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計(jì)載荷估算等船舶設(shè)計(jì)階段操作流程基本相似，這里不作贅述；而纖維織物及樹脂的選定、層板纖維含量的確定、層板強(qiáng)度設(shè)計(jì)等是復(fù)合材料船舶設(shè)計(jì)的主要特征，也是本研究能夠使得復(fù)合材料層板減重的核心部分。復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，按照積層類型的不同可分為單層板、夾層板和帽型骨材。單層板主要用于船底板、舷側(cè)板等外板結(jié)構(gòu)；夾層板一般用于甲板、飛橋甲板、艙壁等結(jié)構(gòu)；帽型骨材用于起加強(qiáng)作用的扶強(qiáng)材。圖1是以RINA標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)整理的船用復(fù)合材料層板設(shè)計(jì)流程圖，可以看出，當(dāng)改變層板的力學(xué)性能時(shí)，相應(yīng)地，層板的要求厚度也會(huì)發(fā)生變化。

根據(jù)上文所述，復(fù)合材料層板的要求厚度與層板的力學(xué)性能有直接關(guān)系。層板的力學(xué)性能隨著層板結(jié)構(gòu)中的纖維種類(玻璃纖維、碳纖維等)及織造方式的不同而發(fā)生變化，并由層板的纖維含量決定其性能優(yōu)劣和要求厚度。 圖2為根據(jù)RINA規(guī)范提供的在碳纖維材料作為增強(qiáng)材料時(shí)，隨纖維含量的變化(0.3～0.9)層板力學(xué)性能估算式所做的函數(shù)圖像。顯然，隨著層板中碳纖維含量的逐漸增加，層板的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。也就是說(shuō)，對(duì)于船體的某一設(shè)計(jì)區(qū)域，通過增強(qiáng)層板的力學(xué)性能，即提高層板中的纖維含量，可以有效地減小層板的要求厚度，從而減輕層板的質(zhì)量。

圖1 船用復(fù)合材料層板設(shè)計(jì)流程圖

圖2 碳纖維含量與層板力學(xué)性能的關(guān)系

然而，無(wú)限制地提高層板中的纖維含量，減小樹脂基體的含量是不可取的。因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致纖維織物浸潤(rùn)不良, 層板性能反而下降，無(wú)法確保層板的結(jié)構(gòu)安全性，所以在保證層板結(jié)構(gòu)安全的前提下，導(dǎo)出層板的最優(yōu)纖維含量是本研究實(shí)現(xiàn)層板減重的關(guān)鍵。

在復(fù)合材料層板設(shè)計(jì)流程中，有1個(gè)反映層板力學(xué)性能并直接影響層板厚度變化的系數(shù)K(Kof或Ko)，這里稱為層板要求厚度減小率。在理論上，層板厚度減小率可通過材料試驗(yàn)的方式導(dǎo)出，但本研究為方便起見，比較ISO標(biāo)準(zhǔn)及RINA規(guī)范提供的公式，選擇了相對(duì)保守的RINA規(guī)范提供的公式。下面給出單層板厚度減小率定義式[2]，并以單層板為例進(jìn)行說(shuō)明。

(1)

式中：Rmf為層板的彎曲強(qiáng)度。

雖然提高層板中的纖維含量可有效地減少層板的厚度，但為了保證層板的結(jié)構(gòu)安全，RINA規(guī)范對(duì)層板要求厚度減小率作了限制，最小值為0.7。盡管提高層板纖維含量能提高層板的力學(xué)性能，使得層板厚度減少，但以此方式減少層板要求厚度30% 以上，層板的結(jié)構(gòu)安全將存在一定的隱患。

當(dāng)船體外板為單層板結(jié)構(gòu)時(shí)，某設(shè)計(jì)區(qū)域的要求厚度t[2]可表示為

t=[設(shè)計(jì)壓力系數(shù)(K1)] ×[設(shè)計(jì)面積系數(shù)(Ka)] ×

[設(shè)計(jì)區(qū)域短邊(s)] ×[Kof] ×[設(shè)計(jì)壓力0.5] (2)

由上式可知，當(dāng)船體的結(jié)構(gòu)布置、載荷等不發(fā)生改變時(shí)，設(shè)計(jì)壓力系數(shù)、設(shè)計(jì)面積系數(shù)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)區(qū)域大小等不會(huì)改變。這時(shí)把Kof的值最小化即可實(shí)現(xiàn)層板要求厚度的最小化，從而實(shí)現(xiàn)層板單位質(zhì)量的最小化。

綜上所述，在不改變船體結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計(jì)載荷等設(shè)計(jì)變量的前提下，適當(dāng)?shù)靥岣邔影宓睦w維含量，提高層板的力學(xué)性能，即采用上述層板要求厚度減小率的最小值，可把層板的要求厚度最小化，從而實(shí)現(xiàn)船體輕量化。 這時(shí)層板的纖維含量為最優(yōu)纖維含量。

1.2 層板質(zhì)量估算

為估算復(fù)合材料層板的質(zhì)量，需要層板所用纖維織物和樹脂的密度?？紤]到纖維織物和樹脂隨制作環(huán)境等密度存在一定的差異，本研究采用ISO 規(guī)范和RINA規(guī)范中提供的碳纖維和樹脂的密度值，即碳纖維和樹脂的標(biāo)準(zhǔn)密度值分別為1.8 g/cm3和1.2 g/cm3[1-2]。

利用碳纖維和樹脂的密度定義的CFRP層板1層片(Ply)的厚度估算式為

(3)

式中：q為單位面積CFRP層板1層片中纖維的質(zhì)量，kg/m3；xGC為層板纖維含量；2.16為碳纖維的密度與樹脂密度的乘積；1.8為碳纖維的密度，kg/m3；0.6為碳纖維的密度與樹脂密度的差，kg/m3。

假設(shè)某設(shè)計(jì)區(qū)域的層板需要N層才能滿足要求，那么層板的產(chǎn)品厚度Tmf可表示為

(4)

CFRP層板的單位面積質(zhì)量可表示為

(5)

2 CFRP單層板輕量化設(shè)計(jì)方法

本研究將先行研究提出的船用復(fù)合材料層板輕量化方法應(yīng)用到CFRP 材料中，并考慮到復(fù)合材料層板的特征和制作工藝，在原來(lái)方法的基礎(chǔ)上添加了層板鋪層設(shè)計(jì)部分。按照海洋復(fù)合材料的定義，并且為了直觀地表現(xiàn)隨層板纖維含量增加層板單位面積質(zhì)量的變化，按照ISO標(biāo)準(zhǔn)和RINA規(guī)范提供的層板質(zhì)量估算公式，定義了纖維含量從30% ～90% 的層板質(zhì)量估算流程，如圖3所示。另外，這樣的層板輕量化設(shè)計(jì)方法按照層板結(jié)構(gòu)的不同，可分為單層板、帽型骨材、夾層板等3種；但是，一般船體外板的質(zhì)量占整個(gè)船體的比重較大，而且夾層板和帽型骨材結(jié)構(gòu)由于具有輕木、膠合板、泡沫等芯材，在同等力學(xué)性能的條件下，相對(duì)單層板來(lái)說(shuō)為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，即使優(yōu)化層板的纖維含量，減重效果不大，所以本文以單層板結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)研究。圖3為碳纖維單層板的最優(yōu)纖維含量導(dǎo)出流程圖。

3 11 m碳纖維高速艇輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用

為了明確說(shuō)明纖維含量最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在實(shí)際運(yùn)用中的效果，本研究以11 m碳纖維高速艇(MMU-M Patrol 36)為例進(jìn)行說(shuō)明。此高速艇是韓國(guó)軍用SURC(Small Unit River-Line Craft)。SURC為輕量、高速艇，主要在江河下游作巡邏用，主要采用鋁、CFRP等結(jié)構(gòu)。MMU-M Patrol 36總長(zhǎng)為10.8 m，排水量比5.401 t。圖4為此高速艇概念設(shè)計(jì)圖、總布置圖、中橫剖面圖及結(jié)構(gòu)布置圖。表1為該警備艇主尺度。此艇在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，船體外板為單板結(jié)構(gòu)，縱桁等扶強(qiáng)材為帽型結(jié)構(gòu)，甲板和艙壁為夾層板結(jié)構(gòu)。層板所用的增強(qiáng)纖維材料為碳纖維無(wú)捻粗紗布，單位質(zhì)量為400 g/m2；樹脂基體為聚酯樹脂，密度為1.2 kg/m3；帽型骨材和夾層結(jié)構(gòu)的芯材為輕木，單位質(zhì)量為104 kg/m3。整個(gè)船體纖維含量均為40%。

表1 MMU-M Patrol 36主尺度

由于設(shè)計(jì)壓力的大小對(duì)層板的要求厚度也起決定性作用，因此選擇該艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)壓力最大的區(qū)域(見圖5標(biāo)識(shí)區(qū)域)，并只對(duì)單層板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)化層板的單位質(zhì)量估算過程，在估算單位面積層板質(zhì)量變化時(shí)，利用該艇3D CAD(CATIA)模型進(jìn)行估算，為了安全起見，這里對(duì)層板的要求厚度添加了10% 的厚度裕量，并忽略實(shí)際層板積層時(shí)，樹脂固化所產(chǎn)生的質(zhì)量變化。圖6是該艇船體外板的最優(yōu)纖維含量及對(duì)應(yīng)的層板質(zhì)量變化結(jié)果。

圖6顯示：隨纖維含量的增加，該艇的船底外板船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)厚度對(duì)應(yīng)的單位質(zhì)量由16.00 kg/m2降到13.90 kg/m2，舷側(cè)外板由9.97 kg/m2降到8.90kg/m2，這時(shí)船底板和舷側(cè)板的最優(yōu)纖維含量分別為0.52和0.58。最優(yōu)纖維含量確定之后，層板單位質(zhì)量持續(xù)上升，原因是為了保證層板的結(jié)構(gòu)安全性，盡管提高了層板的碳纖維含量，減少了樹脂含量，但層板的要求厚度不再隨纖維含量的增加而減小，而碳纖維的密度與樹脂的密度相比相對(duì)較大，導(dǎo)致層板的單位質(zhì)量持續(xù)上升。另外，隨纖維含量的增加，層片的厚度減小，為滿足層板的要求厚度，需逐漸增加層片數(shù)，最終導(dǎo)致層板的最優(yōu)纖維含量與鋪層設(shè)計(jì)前要求厚度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)纖維含量不同，并且鋪層設(shè)計(jì)后層板的質(zhì)量隨纖維含量增加的波動(dòng)變化也是這一原因?qū)е碌摹?/p>

圖3 碳纖維層板輕量化設(shè)計(jì)流程圖

圖4 MMU-M Patrol 36概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)布置圖

圖5 MMU-M Patrol 36船體外板設(shè)計(jì)區(qū)域選擇

4 輕量化效果及結(jié)構(gòu)安全性

4.1 輕量化效果

MMU-M Patrol 36的減重效果，通過比較該艇的3D CAD 模型在層板纖維含量?jī)?yōu)化前后外板的質(zhì)量變化進(jìn)行體現(xiàn)。為此，使用導(dǎo)出的層板最優(yōu)纖維含量對(duì)該艇重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過該艇的3D CAD 模型，按照上述方法，估算優(yōu)化后船體外板的質(zhì)量，并與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較，給出質(zhì)量比較結(jié)果如表2所示。

圖6 MMU-M Patrol 36船體外板最優(yōu)纖維含量及層板質(zhì)量最小化結(jié)果

表2 MMU-M Patrol 36的輕量化效果比較

如表2所示，采用復(fù)合材料層板輕量化設(shè)計(jì)方法后，該艇外板總質(zhì)量約減少12.5%。這里需說(shuō)明的是，當(dāng)船體總質(zhì)量減小，貨物和壓載等無(wú)變化時(shí)，該艇排水量會(huì)減小。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)壓力也會(huì)減小，考慮到這一關(guān)系，船體的質(zhì)量可進(jìn)一步減小。

4.2 總縱強(qiáng)度校核

為確認(rèn)艇體質(zhì)量?jī)?yōu)化后，該艇體的結(jié)構(gòu)安全性，以及本研究整合的碳纖維層板輕量化設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用可行性，按RINA規(guī)范提供的總縱強(qiáng)度校核方法，計(jì)算并校核該船體的總縱強(qiáng)度，并與該艇原設(shè)計(jì)方案的總縱強(qiáng)度校核結(jié)果進(jìn)行比較，見表3。

表3 總強(qiáng)度校核結(jié)果比較

通過表3可以看出：在2種方案中，最大彎曲應(yīng)力不足許用應(yīng)力的2%，并且數(shù)值差異不大，即艇體質(zhì)量即使減少12.5%，對(duì)艇體的結(jié)構(gòu)安全性影響不大，且許用應(yīng)力有足夠的裕量來(lái)滿足最大彎曲應(yīng)力的要求。另外，由于層板纖維含量的增加，樹脂基體的含量相對(duì)減少，導(dǎo)致厚度變薄(見圖7)，因此船中橫剖面處截面系數(shù)有所增加。由于層板中纖維含量提高的同時(shí)，層板力學(xué)性能變強(qiáng)的緣故，許用應(yīng)力也相應(yīng)變大，最大彎曲應(yīng)力占許用應(yīng)力的百分比反而減小。總之，在總強(qiáng)度上，該艇有相當(dāng)充分的裕量保證船體結(jié)構(gòu)的安全性，從而驗(yàn)證了本研究整合的輕量化設(shè)計(jì)方法的可行性。

5 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)船用碳纖維層板的輕量化，本研究提出能夠?qū)С鎏祭w維層板最優(yōu)纖維含量的設(shè)計(jì)方法。為明確此設(shè)計(jì)方法的實(shí)際減重效果，以11 m碳纖維警備艇為例進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)研究。結(jié)果顯示：在滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，船體外板質(zhì)量減少12.5%。另外，通過基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總縱強(qiáng)度校核的方式，確認(rèn)該輕量化設(shè)計(jì)方法的可行性。

圖7 MMU-M Patrol 36船中橫斷面外板產(chǎn)品厚度變化結(jié)果

采用本研究提出的方法進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)，可將CFRP層板的比強(qiáng)度特性最大化，并且對(duì)提高船舶的效率和性能有一定的幫助，符合綠色船舶設(shè)計(jì)理念。