艦船復合材料結(jié)構(gòu)物應(yīng)用工程技術(shù)特點及內(nèi)涵分析

梅志遠

海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033

0 引 言

自20 世紀40 年代初玻璃鋼研制獲得成功以來，以纖維增強樹脂基復合材料（FRP）為代表的艦船復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)得到了持續(xù)的關(guān)注和發(fā)展。復合材料擁有眾多固有的優(yōu)良特性，如高比強度、無磁、高阻尼和耐腐蝕等，其結(jié)構(gòu)的獨特性、功能的“一體化”可設(shè)計性和優(yōu)異的復雜曲面易加工性，必將為未來艦船平臺技術(shù)的發(fā)展提供新的途徑。更為重要的是，在結(jié)構(gòu)可設(shè)計性方面，其不僅體現(xiàn)為材料的各向異性和鋪層設(shè)計特性，而且在保證結(jié)構(gòu)強度及剛度要求的前提下，還能夠通過功能材料復合、結(jié)構(gòu)形式設(shè)計與傳感器、做動元器件的合理融合，實現(xiàn)多種功能特性的兼容，甚至是智能控制。因此，上述特性可為未來功能型和智能型艦船結(jié)構(gòu)物的設(shè)計與建造提供無限的發(fā)展空間及可能。

近40 多年以來，復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)在我國航空航天領(lǐng)域的發(fā)展勢頭極為迅猛，但在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用卻相對遲緩，尤其是在艦船復合材料結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用領(lǐng)域，甚至出現(xiàn)了“需求大于能力、工程先于理論”的尷尬局面。以獵/掃雷艦艇為例，截至2010 年，全世界32 個沿海國家已建造全復合材料的獵/掃雷艦艇共計391 艘，而我國尚無1 艘在役。究其原因，認為主要源于如下方面：其一，我國艦船設(shè)計者和管理者們長期以來總是將復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單地歸屬為材料設(shè)計問題，而總體和結(jié)構(gòu)設(shè)計的主導作用缺失；其二，與我國以往長期的粗放式經(jīng)濟發(fā)展模式和全壽期費用的概念流于形式不無關(guān)系；最后，艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計者們對于新材料的應(yīng)用過于謹慎，在緊迫的工程進度要求下，熟悉而技術(shù)成熟度相對較高的鋼質(zhì)或鋁質(zhì)船體結(jié)構(gòu)一般會成為首選。鑒于此，本文將以推動艦船功能復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程技術(shù)為背景，從分析主要技術(shù)特點入手，著重探討艦船總體和結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵及其新興研究方向的發(fā)展需求。

1 面臨的困難與挑戰(zhàn)

二戰(zhàn)以后，隨著電氣化及信息化技術(shù)的日臻成熟和進步，電氣化、自動化已與信息感知及融合技術(shù)一起成為現(xiàn)代艦船技術(shù)發(fā)展的主要特征。船體結(jié)構(gòu)作為各種裝置、系統(tǒng)及設(shè)備的載體平臺和適用性設(shè)計的基礎(chǔ)，是總體性能的綜合集成與集中體現(xiàn)。平臺與作戰(zhàn)系統(tǒng)之間相輔相成，關(guān)聯(lián)度極高，具有不可分割性。為了適應(yīng)現(xiàn)代艦船技術(shù)快速發(fā)展的要求，總體設(shè)計技術(shù)，尤其是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)在發(fā)展中所面臨的困難與挑戰(zhàn)至少體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 先進系統(tǒng)設(shè)備陸續(xù)應(yīng)用，總體設(shè)計難度加大。

目前，對艦船總體重量及其分布特征帶來影響的增量因素主要源于減振降噪、先進的動力系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)這些工程應(yīng)用的需求，例如，大型浮筏隔振裝置、AIP 動力系統(tǒng)或核動力系統(tǒng)、電磁發(fā)射裝置、先進的作戰(zhàn)系統(tǒng)裝置與設(shè)備等。在進行總體空間布置時，先進的動力系統(tǒng)和減振降噪裝置一般處于艦船重心之下，并主要帶來艦船有效裝載需求的增加；而先進的作戰(zhàn)系統(tǒng)裝置與設(shè)備大多數(shù)則被布置在船體的上層空間，通常使艦船重心上移，導致穩(wěn)性不足。這些因素加大了艦船總體設(shè)計的難度，集中體現(xiàn)為有效裝載荷重比、浮態(tài)和穩(wěn)性控制要求的增加。因此，在設(shè)計應(yīng)用輕量化、高強度的新材料結(jié)構(gòu)物時并非簡單地替代，而更多地有賴于總體設(shè)計。

2） 船體結(jié)構(gòu)及裝置系統(tǒng)保障性亟待提高。

船體結(jié)構(gòu)及裝置系統(tǒng)的防腐、防污和防漏（統(tǒng)稱“艦船防護性”）與艦船全壽期費用尤其是降低維護費用及艇員維護負擔密切相關(guān)。此外，艦船防護性問題還嚴重影響艦船的可用性、可靠性，甚至是作戰(zhàn)效能[1]。上述問題盡管已受到業(yè)界的持續(xù)關(guān)注，然而自始至終也未得到有效或是徹底的解決。長久以來，艦船防腐技術(shù)主要圍繞涂層、電化學保護，以及銅合金、鈦合金等材料的應(yīng)用技術(shù)來開展，核心機理均為界面絕緣處理和高電位保護，但對于長期處于復雜海洋環(huán)境中的艦船結(jié)構(gòu)物而言，其結(jié)構(gòu)特征之復雜、解決難度之大是不言而喻的。然而，除碳纖維增強復合材料外，迄今絕大多數(shù)的纖維增強復合材料以及高分子功能材料均屬電絕緣材料，它們有著固有的防腐蝕特性，所以應(yīng)用復合材料和各種功能材料的空間廣闊，且全壽期經(jīng)濟效益良好。

3） 綜合隱身功能性設(shè)計要求越來越高。

艦船綜合隱身技術(shù)應(yīng)用屬系統(tǒng)工程。從目標被探測到的特征信號和艦船結(jié)構(gòu)隱身功能性設(shè)計的要求來看，主要包括雷達散射截面積（RCS）、電磁場、紅外、聲輻射以及聲目標強度特性這幾個方面[2]。以水面艦船為例，復合材料綜合集成桅桿的應(yīng)用[3]是綜合解決電磁兼容、RCS 與艦船總體穩(wěn)性相矛盾的成功案例，而目前全球近400艘復合材料獵/掃雷艦艇成功應(yīng)用的則是低磁船體結(jié)構(gòu)[4]。在潛艇隱身技術(shù)方面，近年來，針對低航速下機械激勵源傳遞的聲學通道及聲輻射特征控制方面的機理研究已非常深入，并已取得顯著成效[5]。然而，對于中、高航速下流激噪聲和異常噪聲產(chǎn)生的機理及其控制措施方面的相關(guān)研究，目前尚比較缺乏；在聲目標強度特征控制方面，低頻段內(nèi)艇體聲目標強度特征控制的技術(shù)路線仍不清晰，中、高頻段內(nèi)典型部件（例如，艏端部、指揮室圍殼、舵翼）的聲目標亮點問題依然突出；此外，隨著聲隱身技術(shù)的不斷進步，非聲綜合隱身技術(shù)存在的問題也將日益突出。在各種功能材料不斷涌現(xiàn)的情況下，功能復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用將成為瓶頸突破的有效技術(shù)途徑之一。

2 國外應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

本文以西方國家海軍的潛艇為例，分析復合材料結(jié)構(gòu)物應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展思路，并總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗。復合材料應(yīng)用于潛艇結(jié)構(gòu)最早可追溯到20 世紀50年代。1953年，美海軍首次將“海獅”(Guppy)級潛艇上各種外露設(shè)備的鋁合金導流罩外殼替換為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)果證明了潛艇復合材料結(jié)構(gòu)的適用性[4]。早期在潛艇上應(yīng)用復合材料結(jié)構(gòu)采用的主要形式為玻璃鋼加筋板，不但著重解決了船體結(jié)構(gòu)的防腐問題，而且還降低了全壽期費用。1990年代以后，夾層結(jié)構(gòu)、高性能特種纖維和各種功能材料技術(shù)日臻成熟，使得潛艇上的復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用逐漸邁入新的階段?功能復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用，且與武器裝備性能的發(fā)揮和平臺作戰(zhàn)使用特性的聯(lián)系越來越緊密。

2.1 應(yīng)用回顧

2001 年，澳大利亞國防科學與技術(shù)機構(gòu)（DSTO）所屬的航空與海洋研究實驗室發(fā)表了一篇很有意義的綜述性論文[4]，文中較為全面地闡述了西方國家艦船復合材料結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用需求、范圍以及其應(yīng)用狀態(tài)方面存在的優(yōu)缺點。此外，該文還按照工程應(yīng)用（D）、技術(shù)驗證(TD)和概念設(shè)計(C)這3 個層面，較為系統(tǒng)地給出了21 世紀初潛艇復合材料結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃（圖1）。由圖可見，復合材料的應(yīng)用范圍極為廣泛，應(yīng)用對象并不限于潛艇的非耐壓殼體、附體結(jié)構(gòu)、裝置及其附屬設(shè)備，甚至已逐漸擴展到主承載的各型裝置結(jié)構(gòu)物，例如軸系、螺旋槳、設(shè)備基座等。

圖1 現(xiàn)代潛艇復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用[4]Fig. 1 Application of composite structures in modern submarine[4]

此外，德國潛艇技術(shù)的發(fā)展歷程也是潛艇復合材料結(jié)構(gòu)物工程應(yīng)用的經(jīng)典案例。自上世紀60 年代以來，潛艇復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展特點在德國潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了充分體現(xiàn)。由圖2所示德國潛艇復合材料結(jié)構(gòu)從上世紀60 年代至21 世紀的發(fā)展歷程[6]可見，潛艇復合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用至少具有以下3 個基本特點：

1） 應(yīng)用范圍逐步擴大。上世紀60 年代，在209-1100 型潛艇上僅指揮室圍殼和上層建筑局部使用了復合材料可拆板和導流罩體；上世紀70 年代末，209 型潛艇指揮室圍殼的大部分和上層建筑全面應(yīng)用了復合材料；21 世紀以后，212 型和214 型潛艇使用的復合材料延伸到了舵、翼等附體結(jié)構(gòu)及舷側(cè)非耐壓殼體結(jié)構(gòu)，基本實現(xiàn)了舷外非耐壓結(jié)構(gòu)的全覆蓋。

圖2 德國潛艇復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用[6]Fig. 2 Application process of composite structures in German submarine[6]

2） 結(jié)構(gòu)形式不斷發(fā)展，呈現(xiàn)多樣性。早期的復合材料結(jié)構(gòu)形式主要為單殼加筋板架結(jié)構(gòu)，209型潛艇則是單殼加筋和夾層結(jié)構(gòu)的混合應(yīng)用，以色列海軍設(shè)計建造的“海豚”級潛艇以后全面采用夾層結(jié)構(gòu)方案。

3） 材料體系不斷更新完善，功能性設(shè)計特征逐漸顯現(xiàn)。主要表現(xiàn)為GRP 向CFRP 體系的轉(zhuǎn)變。CFRP 結(jié)構(gòu)相比GRP 結(jié)構(gòu)重量更輕，剛度特性更優(yōu)。

根據(jù)文獻[6]，在全面應(yīng)用PVC 泡沫夾層上層建筑和指揮室圍殼等結(jié)構(gòu)后，德國海軍認為潛艇應(yīng)用復合材料結(jié)構(gòu)對于提高總體設(shè)計的裕度和靈活性極為有利。因此，近10 多年來，德國海軍開始轉(zhuǎn)向研制復合材料的高壓氣瓶、螺旋槳等關(guān)鍵裝置。目前，發(fā)展路線已非常清晰，工程應(yīng)用也比較成功。

除上述2 個經(jīng)典案例外，有關(guān)西方海軍強國潛艇復合材料結(jié)構(gòu)物的系統(tǒng)應(yīng)用鮮有報道，公開資料也較為缺乏。然而，典型的應(yīng)用案例卻并不少見，主要包括：復合材料耐壓殼、操縱控制面（舵和翼）、集成式升降裝置、艙內(nèi)結(jié)構(gòu)及裝置系統(tǒng)、深海潛器等[4,6-9]。

2.2 經(jīng)驗分析

通過回顧西方國家海軍潛艇上應(yīng)用玻璃鋼（FRP）材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，可以對現(xiàn)代艦船復合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用狀態(tài)形成初步的認識。然而，如何在核心技術(shù)上實現(xiàn)突破，獲得技術(shù)領(lǐng)先地位，還需要真正了解艦船復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程的技術(shù)特點，把握其技術(shù)規(guī)律。因此，總結(jié)國外先進艦船復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程的發(fā)展現(xiàn)狀，至少可以發(fā)現(xiàn)以下基本規(guī)律和特點：

1） 在應(yīng)用需求方面。早期艦船復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要目的是解決船體結(jié)構(gòu)腐蝕和獵/掃雷艦艇的低磁化問題，然而隨著新材料的不斷涌現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)功能性的不斷發(fā)掘（例如，阻尼約束夾層、輕質(zhì)高剛度泡沫夾層、高透聲玻璃鋼和超材料夾層等），以減輕結(jié)構(gòu)重量為目的的隔聲型復合材料輕外殼、綜合集成桅桿和復合材料機庫等技術(shù)得到了工程應(yīng)用。近年來，具有隱身功能要求的復合材料聲吶導流罩、舵翼、螺旋槳、泵噴導管、煙囪和管路系統(tǒng)等，也逐漸進入先進艦船裝備序列。由此可見，艦船復合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求早已超越傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的范疇，而與總體性能、功能性和綜合保障性設(shè)計融為一體，且彼此密切相關(guān)。

2） 在應(yīng)用形式方面。艦船復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用已從簡單的玻璃鋼單層加筋結(jié)構(gòu)向夾層含筋、多層復合轉(zhuǎn)變，纏繞型結(jié)構(gòu)也逐步得到關(guān)注。結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式的多樣化充分表明，應(yīng)用對象及設(shè)計要求已逐漸豐富，開始呈現(xiàn)多樣化、精細化的特征。同時，復合材料結(jié)構(gòu)件制備工藝也是多種形式共存，例如，手糊成型、真空輔助成型（VARI）、樹脂傳遞模塑（RTM）成型和纏繞成型等。

3） 在材料體系內(nèi)涵方面。在現(xiàn)代艦船復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程中，“復合材料”一詞的內(nèi)涵已不再局限于傳統(tǒng)意義上的玻璃鋼層合板，各種高性能纖維（例如，碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維等）和樹脂（例如，改性環(huán)氧、酚醛等各種適用于海洋環(huán)境的低成本樹脂體系）不斷涌現(xiàn)。隨著復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式的多樣化，浮力材料、橡膠或者聚氨酯阻尼材料和PVC/PMI 泡沫等各種功能材料與復合材料結(jié)構(gòu)的聯(lián)合應(yīng)用，共同構(gòu)成了艦船功能復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料體系。由此可見，以實現(xiàn)最佳的性能及功能適用性為目的，各種先進材料和材料體系的組合以及復合形式的選擇，必然成為相關(guān)應(yīng)用研究的重要組成部分。

4） 在設(shè)計技術(shù)范疇方面。隨著應(yīng)用對象的擴展、性能要求的提高和結(jié)構(gòu)形式以及材料體系的不斷豐富，艦船復合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題已初步形成為一門涉及新功能材料學、船舶結(jié)構(gòu)力學、減振降噪和綜合隱身技術(shù)的多學科交叉融合的應(yīng)用學科體系。

3 技術(shù)特點

3.1 定義與工程意義

基于國外先進國家工程應(yīng)用的現(xiàn)狀，本文認為現(xiàn)代艦船復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)，應(yīng)是以FRP 材料為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以高分子材料應(yīng)用為功能特色，并兼顧不同特性設(shè)計要求的艦船結(jié)構(gòu)物多目標設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)的統(tǒng)稱。

在上述定義的基礎(chǔ)上，進一步建立復合材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計性與艦船性能及功能需求的對應(yīng)關(guān)系，如圖3 所示。由于復合材料結(jié)構(gòu)所具有的獨特特性（例如，輕質(zhì)低密度特性、高比強度和優(yōu)良的剛度可設(shè)計性、固有的高阻尼性、優(yōu)異的耐腐蝕性），及其與聲、電、磁、熱等功能材料極佳的可復合設(shè)計特點，所以開展復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程的重要意義預計將主要體現(xiàn)為對諸如總體平臺設(shè)計特性（堅固性與重量性）、綜合隱身性、電磁兼容性和綜合保障性等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸突破產(chǎn)生重大影響[10～13]。

圖3 復合材料結(jié)構(gòu)特性與艦船性能及功能需求的對應(yīng)關(guān)系Fig. 3 Characteristic relationships of composite structure corresponding to ship performance and functional requirements

3.2 三個“一體化”技術(shù)特點

1） 材料與結(jié)構(gòu)的“一體化”技術(shù)特征。

對于材料與結(jié)構(gòu)關(guān)系的認識，一般存在宏觀、細觀和微觀層面，材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計者能夠參與的層面及其程度是決定材料或結(jié)構(gòu)屬性的關(guān)鍵。以傳統(tǒng)合金鋼為例，它同樣具備了宏觀、細觀甚至是微觀材料與結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，例如合金、調(diào)質(zhì)以及鍛造等工藝設(shè)計。但是，這種“一體化”的操作一般局限于精密構(gòu)件的制作，而對于傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)鋼的建造，此類細觀操作完全由材料工程設(shè)計人員掌握，一旦狀態(tài)固化，材料性能僅能在許可范圍內(nèi)波動，結(jié)構(gòu)設(shè)計者對材料性能的要求主要體現(xiàn)為選型。從此意義上看，可以認為船體結(jié)構(gòu)鋼的材料與結(jié)構(gòu)可設(shè)計性實際上是分離的。在宏觀層面上，復合材料可以被認為是一種材料。 而在細觀層面上，復合材料的增強纖維、樹脂基體和各種添加劑的選型、含膠量的控制及鋪層設(shè)計等，在很大程度上取決于材料結(jié)構(gòu)的性能要求，而且必須由結(jié)構(gòu)設(shè)計者、材料供應(yīng)商和生產(chǎn)制造商共同決定，并根據(jù)結(jié)構(gòu)物設(shè)計要求的變化及優(yōu)化需要，進行組分、含量以及工藝方案的調(diào)整。因此，復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方案始于細觀層面，而且是材料與結(jié)構(gòu)共同設(shè)計的結(jié)果，這是復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的首個“一體化”技術(shù)特征，即材料與結(jié)構(gòu)的“一體化”。

2） 結(jié)構(gòu)與功能的“一體化”技術(shù)特征。

在航空航天領(lǐng)域，降低結(jié)構(gòu)重量是應(yīng)用復合材料結(jié)構(gòu)的首要目的，任何部（構(gòu)）件重量的減輕都具有積極的現(xiàn)實意義。然而，由于與飛行器的航行支撐方式存在差異，艦船結(jié)構(gòu)輕量化的實際工程價值顯得并不那么突出。相比而言，艦船總體設(shè)計者們更關(guān)注基于穩(wěn)性要求所提出的結(jié)構(gòu)重量和結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計問題。究其原因，一是艦船結(jié)構(gòu)重量效益僅在大尺度結(jié)構(gòu)件或者復合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用后才能得到集中體現(xiàn)，而且相對于浮性而言，穩(wěn)性對于艦船總體設(shè)計和航行安全性而言更為重要；二是艦船結(jié)構(gòu)的設(shè)計除了需要滿足基本功能性要求外（例如，堅固性、密性和可靠性等），還應(yīng)具有擴展的功能性設(shè)計要求（例如，安全性、隱身性及居住舒適性等），而擴展的功能性要求一般集中體現(xiàn)了艦船結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的平臺特殊性和方向。

對于穩(wěn)性設(shè)計的意義，理解起來比較容易。但是，何謂結(jié)構(gòu)的擴展功能性設(shè)計呢？以功能復合材料的舵葉及穩(wěn)定翼為例[14-15]，傳統(tǒng)的鋼質(zhì)舵葉對于中、高頻段的探測聲波表現(xiàn)為強反射亮點特征。然而，功能復合材料的舵葉在保留鋼質(zhì)骨架的同時，通過透聲浮力材料填充和復合材料蒙皮技術(shù)方案，不僅能夠滿足傳統(tǒng)舵葉的結(jié)構(gòu)性要求，而且還具有優(yōu)異的聲目標亮點和聲輻射控制特性。再如，水面艦船的綜合集成桅桿在復合材料夾層殼板結(jié)構(gòu)中嵌入波段選擇性功能材料?一種頻率選擇表面（frequency selective surface，F(xiàn)SS）[3]，實現(xiàn)了有益的電磁兼容功能特性。此類非結(jié)構(gòu)性的特殊功能都是通過材料選型及內(nèi)部構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)的。這種以復合材料為基礎(chǔ)，且通過與不同功能材料的復合及優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)物被稱為功能復合材料結(jié)構(gòu)，而艦船功能復合材料結(jié)構(gòu)是指不僅能滿足常規(guī)結(jié)構(gòu)性能要求，而且還具有滿足某些特殊性能要求的可設(shè)計性（例如，聲學特征、電磁波反射特征、磁電場特征、防腐蝕及耐沖蝕、減振隔聲等）的艦船結(jié)構(gòu)物。功能復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計主要表現(xiàn)為功能材料的選型設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)的多目標優(yōu)化，而結(jié)構(gòu)性與特殊的功能性彼此相互影響，必須開展匹配性設(shè)計。因此，完美的功能復合材料結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的“一體化”技術(shù)特征。

綜上所述，艦船復合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用并非原有鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的等價替換，而是具有更高層面的功能性結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計特征，這是與在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用截然不同的重要技術(shù)特征及需求。一般而言，艦船結(jié)構(gòu)的堅固性設(shè)計要求（例如，強度、剛度、穩(wěn)定性等）通常是確定的且容易得到滿足，但結(jié)構(gòu)的功能性設(shè)計要求則并非如此確定，而且設(shè)計水平還可隨著材料及工藝技術(shù)水平的提高而取得不斷進步，但這需要長期的跟蹤和持續(xù)投入。

3） 技術(shù)體系構(gòu)成的“一體化”技術(shù)特點。

艦船結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程屬系統(tǒng)工程，主要包括4 個技術(shù)模塊：總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型與研制，以及建造工藝與質(zhì)量檢測。以傳統(tǒng)鋼質(zhì)船體結(jié)構(gòu)為例，其一般由總體提出結(jié)構(gòu)要求，然后通過分析完成材料選型，經(jīng)計算迭代形成優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，最后完成工藝設(shè)計、建造與質(zhì)量檢測。在傳統(tǒng)的艦船鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程中，總體、材料、結(jié)構(gòu)、工藝與檢測之間基本表現(xiàn)為如圖4 所示的串行技術(shù)特征，其根源在于船體鋼材料的基本性能不可變性，以及缺乏功能的可設(shè)計性。然而，由于艦船功能復合材料結(jié)構(gòu)存在“材料與結(jié)構(gòu)”和“結(jié)構(gòu)與功能”的“一體化”技術(shù)特點，故其應(yīng)用技術(shù)體系構(gòu)成特征呈現(xiàn)出如圖5 所示的形式。

圖4 傳統(tǒng)船體鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程體系構(gòu)成Fig. 4 The system composition of traditional hull steel structure application engineering

圖5 “一體化”應(yīng)用工程技術(shù)體系特征Fig. 5 Features of integrated application engineering system

如圖5 所示，本文將總體設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計合并，將其簡稱為總體/結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。其中，總體設(shè)計不僅需要提出最基本的結(jié)構(gòu)性使用要求，而且還應(yīng)充分考慮其功能性要求和艦船適用性要求，形成結(jié)構(gòu)設(shè)計要求、材料選型或研制要求；在開展功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計時，結(jié)構(gòu)設(shè)計者必須根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能要求進行材料選型，完成對材料各項性能指標的評估； 此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計者還必須確保材料及結(jié)構(gòu)的質(zhì)量穩(wěn)定，提出成型制備工藝方案的要求； 總體與結(jié)構(gòu)、材料和工藝之間具有十分鮮明的一體化相互融合特點。綜上所述，可見工程設(shè)計特點與現(xiàn)代工程設(shè)計的信息集成技術(shù)和系統(tǒng)管理方法進一步融合構(gòu)成了環(huán)形的“一體化”應(yīng)用技術(shù)體系特征，這也是艦船功能復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程中最重要的技術(shù)特點。

由于復合材料結(jié)構(gòu)研制特點與低成本設(shè)計的迫切需求，且復合材料結(jié)構(gòu)相比金屬結(jié)構(gòu)更強調(diào)從研制開始就要求全壽期各階段的專家、參與者協(xié)同工作，所以更需要嚴格遵循“一體化”設(shè)計體系規(guī)律。

3.3 總體/結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)內(nèi)涵

1） 總體/結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究范疇。

對圖5 所給出的復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用工程技術(shù)體系特征進一步進行剖析，可知總體設(shè)計在整個應(yīng)用工程技術(shù)體系中起著需求牽引、驗收與評價的作用；材料技術(shù)是工程基礎(chǔ)，是開展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與性能優(yōu)化的技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)計源泉；成型制備工藝與檢驗則是結(jié)構(gòu)方案最終實現(xiàn)的途徑和保障。在整個技術(shù)體系中，結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)具有承上啟下的作用，是確保設(shè)計方案科學合理的關(guān)鍵節(jié)點。

總體設(shè)計的主要工作是提出結(jié)構(gòu)物的設(shè)計要求，該要求必須基于艦船平臺總體技術(shù)指標和功能特性技術(shù)指標的分解。其中，平臺總體技術(shù)指標可包括結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)性要求、環(huán)境適用性要求和保障性要求等；功能性技術(shù)指標則主要可以包括綜合隱身性、電磁兼容性以及居住舒適性等相關(guān)結(jié)構(gòu)與材料要求。平臺總體設(shè)計技術(shù)要求永遠是為滿足平臺總體發(fā)展需求，并基于特定的可選結(jié)構(gòu)方案而提出?？傮w發(fā)展需求為結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計提供牽引，而新型或者合理的結(jié)構(gòu)方案則為總體發(fā)展提供可能。可見，總體技術(shù)要求與結(jié)構(gòu)方案之間存在密切的交互性，因此從此意義上來說，將之統(tǒng)稱為總體/結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)是合理可行的。

實船適用性要求包括材料及結(jié)構(gòu)件的環(huán)境載荷適用性及其與船體接口的特性，兩者均屬于艦船結(jié)構(gòu)的最基本要求；而功能性則比較復雜，它主要包括總體平臺特性和隱身性。若將結(jié)構(gòu)性和適用性通俗地理解為可用性，則功能性就屬于“好用”范疇。實質(zhì)上，復合材料結(jié)構(gòu)總體/結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究正是圍繞著這兩類問題展開的。

2） 關(guān)鍵技術(shù)體系探討。

根據(jù)以上分析，可對功能復合材料結(jié)構(gòu)總體/結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究工作的性質(zhì)做如下表述：基于總體技戰(zhàn)術(shù)性能需求，建立與分解技術(shù)要求體系，開展結(jié)構(gòu)形式與材料體系選型，進行結(jié)構(gòu)性、功能性和實船適用性迭代計算，以及多目標綜合分析與優(yōu)化，以驗證并最終確定技術(shù)方案?；谘芯抗ぷ餍再|(zhì)和設(shè)計特點，認為總體/結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)將主要來源于圍繞總體技戰(zhàn)術(shù)性能需求和“三性”要求的多目標綜合優(yōu)化問題，對關(guān)鍵技術(shù)體系構(gòu)成可做如下探討。

結(jié)構(gòu)性設(shè)計技術(shù)是總體/結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)，主要是結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，一般包括應(yīng)力強度、剛度及穩(wěn)性設(shè)計。其中，變剛度設(shè)計技術(shù)[16]是復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要優(yōu)勢特點，也是大幅提高潛在結(jié)構(gòu)性能的重要途徑，但由于制造成本高、設(shè)計與制造交互難度大，所以目前的技術(shù)成熟度還遠未達到要求。對于高精度主承載部（構(gòu)）件，例如復合材料螺旋槳，設(shè)計時應(yīng)加以關(guān)注。在結(jié)構(gòu)性設(shè)計方面，目前更迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是確定結(jié)構(gòu)設(shè)計許用系數(shù)（或安全系數(shù)）的方法。相關(guān)技術(shù)研究涉及了復合材料結(jié)構(gòu)的極限強度、耐久性、容許缺陷以及健康監(jiān)測[17]等一系列復雜問題，這些問題不僅是復合材料特性和艦船應(yīng)用平臺環(huán)境特性的綜合體現(xiàn)，還是構(gòu)建艦船復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系的必要基礎(chǔ)。此外，重量性、密性和連接接頭設(shè)計也屬于結(jié)構(gòu)性設(shè)計范疇，尤其是考慮了艦船特殊應(yīng)用要求的復合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)。其中，亟需重點關(guān)注對耐壓水密性和振動傳遞等要求的特種連接技術(shù)的研究[18-19]。

復合材料結(jié)構(gòu)的適用性設(shè)計實質(zhì)上是其適應(yīng)于海洋環(huán)境和船用環(huán)境的問題。復合材料本身雖然一般都具有優(yōu)良的耐電化學腐蝕特性，但也同樣存在典型海洋環(huán)境載荷作用下的性能退化和老化現(xiàn)象，例如，溫/濕/紫外線照射/核輻射和海水侵蝕等。此外，關(guān)鍵技術(shù)瓶頸還體現(xiàn)為艙內(nèi)環(huán)境使用時的衛(wèi)生性、火災釋放性和火災剩余強度特性，這也是限制復合材料結(jié)構(gòu)在水面艦船結(jié)構(gòu)和潛艇艙內(nèi)規(guī)?；こ虘?yīng)用的核心問題。其中，火災剩余強度特性評估涉及艦船典型復合材料結(jié)構(gòu)的熱?力耦合損傷特征演變規(guī)律，以及材料/結(jié)構(gòu)的一體化交互設(shè)計特征，然而在此方面的相關(guān)研究目前極為有限[20]。

功能性設(shè)計是現(xiàn)代艦船復合材料結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的特色要求，也是體現(xiàn)總體/結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計水平（或者稱“先進性水平”）的最重要指標。艦船復合材料結(jié)構(gòu)的功能性設(shè)計涵蓋的領(lǐng)域非常廣，從艦船信息特征角度來看，至少應(yīng)包括以下方面：電磁波隱身、電磁兼容、溫度場控制（紅外特征）、振動與艙室噪聲、振動與水下聲輻射、聲目標強度、電/磁場等。其中，近年來以電磁波隱身、振動與水下聲輻射和聲目標強度為工程背景的功能材料的技術(shù)研究尤其引人關(guān)注。在電磁波隱身技術(shù)方面，結(jié)構(gòu)?導電或吸波復合材料的研究[21-22]是電磁波隱身復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。而在水下聲隱身技術(shù)方面，例如在水下吸波型超材料技術(shù)[12-13]及中、高航速流激復合材料結(jié)構(gòu)振動與噪聲特征機理的研究方面取得進展[23]，無疑將極為有利于推動未來功能復合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的前進步伐。綜上所述，艦船復合材料結(jié)構(gòu)的功能性設(shè)計，首先是體現(xiàn)為根據(jù)總體性能需求，開展功能材料及復合結(jié)構(gòu)構(gòu)型的選型設(shè)計；其次，是多目標綜合性能優(yōu)化設(shè)計；最后，是綜合評估與驗證。艦船復合材料結(jié)構(gòu)的功能性設(shè)計涉及的研究領(lǐng)域較廣，已不再局限于材料科學和結(jié)構(gòu)力學的學科交叉，而是多學科融合的設(shè)計。其中，關(guān)鍵技術(shù)集中表現(xiàn)為針對功能性結(jié)構(gòu)物的多目標性能計算、分析、優(yōu)化和試驗驗證。

4 結(jié)語與展望

迄今，復合材料已與合金鋼、鋁合金共同成為先進制造技術(shù)國家船舶結(jié)構(gòu)工程材料之一。100 多年前，鋼鐵取代木材成為船舶結(jié)構(gòu)建造的主要對象，給船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了一次革命性的飛躍。相信在可預見的未來，復合材料同樣也會帶來船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的再次變革，成為有力推動艦船結(jié)構(gòu)物設(shè)計技術(shù)飛速發(fā)展的新動力之一。

進入21 世紀以來，功能復合材料結(jié)構(gòu)已逐漸成為現(xiàn)代艦船結(jié)構(gòu)物設(shè)計與建造的新興技術(shù)領(lǐng)域。雖然我國近年來也加大了基礎(chǔ)理論體系研究的支持力度，但是距離先進國家及其他行業(yè)領(lǐng)域仍存在一定的差距?；谂灤δ軓秃喜牧辖Y(jié)構(gòu)物的工程應(yīng)用技術(shù)特點和我國國情，認為應(yīng)給予持續(xù)支持和重點關(guān)注的方面如下：

1） 開展行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的頂層設(shè)計，制定科學和可持續(xù)的發(fā)展路線與建設(shè)規(guī)劃；

2） 提高對多學科交叉領(lǐng)域基礎(chǔ)問題研究的關(guān)注度，深入開展新功能、新機理以及新結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)性研究，以實現(xiàn)艦船復合材料結(jié)構(gòu)物功能性設(shè)計領(lǐng)域的多點和全面突破；

3） 大力開展設(shè)計標準及規(guī)范體系性建設(shè)，這是堅實前行的重要保障。