淺談纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船體的可設(shè)計(jì)性

黃恩哈 黃盛開(kāi) 邱昂

摘? ? 要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種多相結(jié)構(gòu)材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕等特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、軌道交通、艦船等行業(yè)。選擇不同的纖維材料、樹(shù)脂基體及夾層材料，通過(guò)不同的鋪層形式和成型工藝，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能會(huì)有很大的差異，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很大的自由度。本文結(jié)合船體風(fēng)暴蓋的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用，討論了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船體的可設(shè)計(jì)性，旨在讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有較深入的了解。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;船體;力學(xué)性能;可設(shè)計(jì)性

中圖分類號(hào)：U668.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越發(fā)凸顯，對(duì)于船舶行業(yè)，各方學(xué)者都在探尋著各種節(jié)能減排的方法。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕等許多優(yōu)異的性能，備受各行各業(yè)的重視。近年來(lái)，先進(jìn)復(fù)合材料和輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)，已成為減輕船體重量的關(guān)鍵技術(shù)，并成功的應(yīng)用在救生艇、水翼艇、高速執(zhí)法艇等上，效果令人十分振奮。筆者所在公司所建造的碳纖維雙體高速客船，與傳統(tǒng)鋁合金雙體客船相比，船體重量大幅降低，航速得到明顯提升。經(jīng)實(shí)測(cè)，油耗比傳統(tǒng)鋁合金雙體船降低30%以上。顯而易見(jiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)勢(shì)，令其在船舶行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2? ? ?纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的組成及特性

2.1? ?纖維材料

纖維是指由連續(xù)或不連續(xù)的細(xì)絲組成的物質(zhì)，常見(jiàn)的纖維材料有：玻璃纖維;碳纖維;芳綸纖維等。

（1）玻璃纖維

一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料。玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，具有絕緣性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、拉伸強(qiáng)度高、彈性好以及優(yōu)良的電性能，相比于其他纖維材料價(jià)格相對(duì)較低，是目前應(yīng)用最為廣泛的纖維材料。但是由于玻璃纖維是致癌物，在國(guó)外一些地方被禁用。

（2）碳纖維

由聚丙烯腈纖維、黏膠或?yàn)r青原絲經(jīng)炭化制成的。碳纖維是一種力學(xué)性能十分優(yōu)異的新材料，具有很高的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量。碳纖維的比重不到鋼的1/4，而抗拉強(qiáng)度是鋼的7～9倍;碳纖維的熱膨脹系數(shù)低，同時(shí)無(wú)磁性、不吸收波，是制作隱身軍艦的絕佳材料，是目前最受重視的高性能材料之一，被譽(yù)為新材料之王。

（3）芳綸纖維

一種高強(qiáng)度、高模量且質(zhì)輕的新型合成纖維。芳綸纖維的密度小，只有鋁的一半，具有強(qiáng)度高、模量高、韌性好、減震性優(yōu)異的特點(diǎn)，還具有良好的熱穩(wěn)定性。

纖維材料屬于各向異性材料，不同方向的力學(xué)性能不同。根據(jù)纖維編織方向，一般可分為：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等幾種類型，如圖1所示。

2.2? ?基體材料

基體材料是復(fù)合材料的重要組成部分?；w材料與增強(qiáng)纖維結(jié)合成一個(gè)整體，賦予了復(fù)合材料形狀，并決定了其表面質(zhì)量。

基體的性能，對(duì)復(fù)合材料的整體性能有著直接的影響。其主要作用是：

（1）基體材料與增強(qiáng)纖維粘合成為一個(gè)整體，在纖維之間傳遞應(yīng)力，并使載荷均衡;

（2）基體對(duì)復(fù)合材料的一些性能起到?jīng)Q定作用，如耐高溫性能、剪切性能、耐水、耐化學(xué)腐蝕性能等;

（3）基體本身的化學(xué)性能直接影響復(fù)合材料成型工藝方法和工藝參數(shù)的選擇;

（4）基體保護(hù)纖維免受機(jī)械和環(huán)境損害。

對(duì)基體材料的基本要求是：其斷裂時(shí)的應(yīng)變必須大于它所固定的纖維。目前大多數(shù)基體都是由樹(shù)脂制成，因?yàn)槠湫阅茏兓淮螅杀鞠鄬?duì)較低。

2.3? ?芯材

芯材是復(fù)合材料的基礎(chǔ)，其物理分隔性能優(yōu)良，并能在結(jié)構(gòu)中傳遞剪切力。芯材的范圍十分廣泛，從輕木、粘合板等天然材料到高度工程化的蜂窩、泡沫材料，都可作為芯材使用。復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，與所使用的芯材材料特性密切相關(guān)。例如常見(jiàn)的PVC泡沫就具有優(yōu)良的機(jī)械性能、重量輕、與大多數(shù)濕樹(shù)脂系統(tǒng)兼容、導(dǎo)熱系數(shù)低、沖擊能量吸收效果好等，是目前應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料芯材。

3? ? 應(yīng)用實(shí)例—半潛船風(fēng)暴蓋

已知風(fēng)暴蓋尺寸以及風(fēng)暴蓋周圍船體結(jié)構(gòu)的纖維和芯材鋪層方式及相應(yīng)力學(xué)性能，采用通用有限元程序ABAQUS建立風(fēng)暴蓋有限元模型，并模擬其在8級(jí)風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

將計(jì)算結(jié)果與由碳纖維夾芯板制作的風(fēng)暴蓋進(jìn)行對(duì)比，若指標(biāo)優(yōu)于（或等效于）碳纖維夾芯板，則認(rèn)為用玻璃纖維夾芯板制作風(fēng)暴蓋與用碳纖維夾芯板制作風(fēng)暴蓋等效;進(jìn)而根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范2015》附錄3 復(fù)合材料高速船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算所述內(nèi)容，采用最大應(yīng)變衡準(zhǔn)衡量玻璃纖維夾芯板結(jié)構(gòu)是否滿足要求;對(duì)于采用手糊、真空成型的高模數(shù)碳纖維板，其軸向拉伸/壓縮最大應(yīng)變衡準(zhǔn)為0.25%或UCS/3（取小者），面內(nèi)剪切應(yīng)變衡準(zhǔn)為0.25%或0.6·UCS（取小者）;對(duì)于玻璃纖維，其軸向拉伸/壓縮最大應(yīng)變衡準(zhǔn)為0.35%，面內(nèi)剪切應(yīng)變衡準(zhǔn)為0.7%。

3.1? ?材料參數(shù)

根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范2015》4.3.3.2節(jié)，風(fēng)暴蓋應(yīng)為金屬材料或復(fù)合材料制成，風(fēng)暴蓋的強(qiáng)度應(yīng)與其周圍船體結(jié)構(gòu)相當(dāng)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，周圍船體結(jié)構(gòu)為艙壁板，取艙壁板典型鋪層配方為? ?[LT450-C/DB420-C/H60-30/LT450-C/DB420-C]，即夾芯板的內(nèi)外表層面板配方均為[LT450-C/DB420-C]。根據(jù)力學(xué)測(cè)試報(bào)告，該種類型面板的材料參數(shù)及力學(xué)性能，如表1、表2所示：

為保證計(jì)算的通用性以及材料屬性參數(shù)在規(guī)范的認(rèn)可范圍之內(nèi)，本計(jì)算所用玻璃纖維及乙烯基樹(shù)脂的材料屬性依據(jù)規(guī)范選取參數(shù)（見(jiàn)表3）。

采用Chamis模型公式，計(jì)算夾芯板面板的力學(xué)性能參數(shù)（取纖維體積分?jǐn)?shù)為60%）：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及試算，取等效玻璃纖維夾芯板結(jié)構(gòu)形式為[DB800/LT600/DB800/H60 DB800/LT600/DB800]。

3.2? ? 有限元模型

（1）采用S4R線彈性殼單元，建立風(fēng)暴蓋有限元模型（長(zhǎng)1.65m*寬0.8 m），共有128個(gè)單元、153個(gè)節(jié)點(diǎn);

（2）采用S4R線彈性殼單元，建立船舶艙壁結(jié)構(gòu)（2.22 m*2.35 m），共有528個(gè)單元、575個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3? ?材料屬性

有限元模型所需輸入材料的參數(shù)，如表4所示。

碳纖維夾芯板及玻璃纖維夾芯板的鋪層方案，如圖2所示。

3.4? ?邊界條件

風(fēng)暴蓋四邊固支，即約束風(fēng)暴蓋四條邊的6個(gè)自由度;玻璃纖維船體板四邊鉸支，即約束船體板四條邊的位移自由度（XYZ方向）;3 kPa均布?jí)毫d荷作用在玻璃纖維板表面。

3.5? ?計(jì)算工況及載荷

（1）風(fēng)壓計(jì)算

（6）

相應(yīng)風(fēng)級(jí)情況下的風(fēng)壓值，如表5所示。

（2）計(jì)算工況

① 碳纖維夾芯板，8級(jí)風(fēng)壓載荷作用;

② 玻璃纖維夾芯板，8級(jí)風(fēng)壓載荷作用;

③ 碳纖維夾芯板，10級(jí)風(fēng)壓載荷作用;

④ 玻璃纖維夾芯板，10級(jí)風(fēng)壓載荷作用;

⑤ 玻璃纖維夾芯板作為船體結(jié)構(gòu)，受均布?jí)毫d荷作用。

3.6? ?計(jì)算結(jié)果

（1）碳纖維夾芯板

在8級(jí)風(fēng)壓載荷作用下，其應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖3、圖4所示。

（2）玻璃纖維夾芯板

在8級(jí)風(fēng)壓載荷作用下，其應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖5、圖6所示。

（3）碳纖維夾芯板

在10級(jí)風(fēng)壓載荷作用下，其應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7、圖8所示。

（4）玻璃纖維夾芯板

在10級(jí)風(fēng)壓載荷作用下，其應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖9、圖10所示。

（5）玻璃纖維艙壁板

在均布?jí)毫d荷作用下，其應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖11、圖14所示。

3.7? ?結(jié)構(gòu)校核及對(duì)比

各種工況下的計(jì)算結(jié)果，如表6、表7所列。

由表6可知：玻纖夾芯板在承受相同載荷的情況下，應(yīng)力均低于碳纖夾芯板，位移響應(yīng)與碳纖夾芯板相當(dāng)。

由表7可知：采用最大應(yīng)變衡準(zhǔn)衡，玻璃纖維夾芯板結(jié)構(gòu)作為船體上層建筑板材，滿足要求。

3.8? ?小結(jié)

本計(jì)算中提出的玻璃纖維夾芯板結(jié)構(gòu)[DB800/LT600/DB800/H60 DB800/LT600/DB800]與原有碳纖維夾芯板結(jié)構(gòu)，在不同風(fēng)力作用條件下的力學(xué)性能響應(yīng)相近，可認(rèn)定其與原有碳纖維夾芯板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng);同時(shí)，根據(jù)最大應(yīng)變衡準(zhǔn)準(zhǔn)則，玻璃纖維夾芯板能夠作為船體上層建筑板材，上述玻璃纖維夾芯板設(shè)計(jì)方案，可作為風(fēng)暴蓋的板材制作方案。

3.9? ?結(jié) 論

近年來(lái)節(jié)能減排一直是各個(gè)船廠生產(chǎn)建造的主題，而船舶的輕量化是十分有效的舉措。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為船體材料，是船舶輕量化的重要手段，有助于減少能源和資源消耗、降低造船成本、減少溫室氣體排放等。與傳統(tǒng)金屬材料只能選擇現(xiàn)有的牌號(hào)和規(guī)格不同，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著較為復(fù)雜的材料特性，通過(guò)選擇不同的原材料種類、配方、制程等，均能滿足強(qiáng)度和剛度要求，這為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供了很大的自由度和廣闊的施展才華的空間。

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