CN101947998B - 耐砰击的高强复合材料船体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐砰击的高强复合材料船体结构，采用船体区域结构设计的概念与方法，将船体分为为(1)砰击区和非砰击区，砰击区又分为(2)常态砰击区和(3)非常态砰击区进行分块设计。在(3)非常态砰击区，使用全泡沫夹层结构加上骨材设计作为主要结构形式。在(2)常态砰击区，设计了一种新型的由(6)混编层合板和(4)泡沫夹层体复合而成的混编纤维复合结构，在船底板受拉区域(4)泡沫夹层体的(10)背板中使用芳纶纤维与玻璃纤维进行混编作为增强材料。本发明涉及的船体结构在满足强度、刚度和轻量化设计需求的前提下，能够有效抵抗海浪砰击，保证船体可靠、耐用。本发明适用于所有复合材料船艇的耐砰击设计，应用前景广阔。

Description

耐砰击的高强复合材料船体结构

技术领域

本发明涉及一种耐砰击的船体结构，特别是一种耐砰击的高强复合材料船体结构，主要应用于复合材料船艇制造领域。

背景技术

随着船艇功能要求的不断提高，传统的建造材料已经无法满足功能和线型要求。相比之下，复合材料无论从强度上、重量上、耐腐蚀上、隔音防振上等方面均占有优势，已经成为目前船艇领域主要建造材料之一。高速高性能船艇的快速发展，对船体重量、强度和线性等方面的要求越来越苛刻，一些高性能的纤维材料开始应用于船艇领域。目前，尽管高速高性能船艇大部分采用复合材料制造，但其应用水平还是远远无法与航空航天领域相比的。

船艇在海上航行时的运动导致波浪与船体之间不断地发生冲撞，这就是砰击现象。船艇在高速航行时，可能受到很大的海浪砰击，甚至会致使复合材料船体结构局部结构发生损伤，特别是分层损伤。一般认为，船艇速度超过30节时，砰击荷载成为船艇的主要设计荷载，属于低速冲击荷载范畴。低速冲击对复合材料造成的分层损伤一般发生在层合板内部，无法很好的利用现有条件进行检测，往往很难察觉，但在层合板内部可能已产生了大范围损伤，对结构整体破坏和失效形成了潜在威胁。当船体结构无法承受砰击荷载时就会导致船体断裂沉没，造成致命的灾难性后果。这正是我国高性能船艇结构设计建造一直无法很好解决的难题。

发明内容

为了解决上述难题，本发明的目的在于提供一种耐砰击的高强复合材料船体结构，使高强复合材料船艇船体结构在满足强度、刚度和轻量化设计需求的前提下，有效增强船体的抗砰击性能，提高船艇的使用安全性。

为了实现上述目的，本发明一种耐砰击的高强复合材料船体结构，采用如下技术方案：

针对船艇不同区域的工况差异，本发明提出了一种船体区域结构设计的概念与方法，将船体分为砰击区和非砰击区，砰击区又分为常态砰击区和非常态砰击区进行分块设计。其中，在船首区域很少发生砰击作用，定义为非砰击区；船体中部和船尾定义为砰击区，船体中部为常态砰击区，船尾为非常态砰击区。在船尾的非常态砰击区内放置发动机，该部分结构除了保证足够强度要求外，还要具有一定减振作用。在该区域内，使用全泡沫夹层结构加上骨材设计作为主要结构形式。这样既可以保证结构强度，又可以起到减缓发动机振动作用。在船首的非砰击区选择层合板结构，只需提供一些刚度和形状支撑，并且在该区进行发泡填充，提供浮力储备。

砰击荷载属于低速冲击荷载一种，当复合材料受到荷载冲击，将以弹性变形和损伤破坏的方式吸收能量。严重的砰击一方面可以使受砰击区域承受巨大压力致使局部结构破坏，另一方面将引起船体剧烈颤振，产生较大的振动弯矩，与低频波浪弯矩叠加时，可能造成船舶总纵强度的缺失。目前，应用到船体结构上的复合材料主要包括复合材料层合板和复合材料泡沫夹层板两大类。泡沫夹层结构具有优异的弯曲模量和抗砰击性能，已经越来越多的被船艇结构设计所用。根据三维应力分析和预测，若船底板使用全泡沫夹层结构，其抗弯曲能力优于使用层合板很多。但是，在多次砰击条件下，泡沫夹层结构极易出现芯材撕裂和剪切破坏等损伤，这种损伤的累积就会导致板与芯材之间出现分层。一些实践经验可知，当泡沫夹层结构的夹层板和芯材发生分层时，该分层在荷载作用下易发生夹层板和芯材更大范围扩展，结构发生衰减，特别是结构承受压缩荷载时，易产生屈曲破坏。船底板使用这种全泡沫夹层结构时，极易因为局部的砰击受损而最终导致泡沫夹层结构整体分层溃裂，船体完全破坏。依据这种思想，在船体中部的常态砰击区，本发明设计了一种新型的混编纤维复合结构进行复合材料的分层控制，其特征在于：所述的混编纤维复合结构由混编层合板和泡沫夹层体复合而成，所述的泡沫夹层体根据设计需要分布在船底板的不同位置上。这样既可以起到很好吸能作用，又可以有效抑制泡沫夹层结构发生大面积整体贯穿分层现象，提高船体的使用可靠性，同时可以节约建造成本。所述的泡沫夹层体由面板、芯材、侧面和背板组成。在船艇底部受砰击的过程中，船体的垂向加速度会突然改变，紧接着出现高频振动。仿真分析与大量的试验表明，船底复合材料受拉区域最易发生分层现象，尤其是接近结构加强筋的附近。本发明在船底板受拉区域增加了局部抗砰击增强设计，即在泡沫夹层结构的背板中使用芳纶纤维与玻璃纤维进行混编作为增强材料。树脂选用粘度低、韧性好、且具有一定粘结强度的树脂材料，可以很好抑制分层，并可以实现结构真空辅助成型工艺。

为了有效提高船体的抗砰击性能，所述的混编纤维复合结构在结构设计和材料设计方面都通过有限元方法进行了分层控制；所述的混编层合板的增强材料混编比例根据不同的船体、不同的位置有所不同；所述的泡沫夹层体的大小、厚度及其布置位置根据不同的船体有所不同；所述的泡沫夹层体内的芯材的密度根据不同的船体有所不同；所述的泡沫夹层体的侧面可以是具有一定的倾斜角度，也可以是垂直于面板，成“柱体”状；所述的泡沫夹层体的背板的形状可以是矩形，也可以是椭圆形或多边形。非常态砰击区的全泡沫夹层结构和常态砰击区的泡沫夹层体内的芯材均选用抗剪切能力好的夹芯材料，以质量轻便、质地坚硬的内部玻璃纤维绞合加强型聚氨酯、PVC或其他发泡芯材为最优。

在区域结构设计中，刚度连续性是重要设计原则，否则船体结构在区域设计交接点会发生应力集中现象，该点可能成为船体结构破坏引发源头。在船体结构设计中，将刚度和强度等效原则作为新材料或新结构纳入设计中的原则，通过有限元方法实现。同时，本发明设计的耐砰击的高强复合材料船体结构，采用真空辅助导入工艺进行建造，通过合理流道布置和进/出胶口设计，进行混编纤维复合结构与骨材一次性灌注。骨材与船体一次成型，不仅可以减少二次粘结过程，缩短工期，减轻船体重量；而且，骨材与船体一次成型工艺可以增加船体结构力学性能，保证结构性能的连续性，减少界面性能衰减，船艇的整体机械性能优异，实现质轻高强的目的。

本发明采用如上技术方案，提供了一种耐砰击的高强复合材料船体结构，使得高强复合材料船艇在高速行驶具有较好的耐砰击安全性能，可以有效降低砰击荷载对船艇结构造成的破坏，保护砰击区内的设备及船员的生命安全，延长了船体的使用寿命。其优点具体表现在：

①提出的船体区域结构设计的方法与船体结构，将统计思想引入船体设计的概念当中，将船体上受砰击较为集中的位置定义为砰击区，在满足强度、刚度和轻量化设计需求的前提下，有针对性的实现了强化耐砰击设计。

②设计的混编纤维复合结构，既可以起到很好吸能作用，降低不断地砰击带来的破坏，又可以有效克服全泡沫夹层结构所容易出现的大面积整体贯穿分层现象。泡沫夹层体根据设计需要分布在船底板的不同位置上，形成一种整体断续结构，有效增强了船体的可靠性能，同时可以节约建造成本。

③在砰击区采用结构设计与材料设计相结合的综合手段，既可以有效吸收砰击能量，又实现了局部抗砰击增强的效果，为船艇的耐砰击性能上了双保险，极大地提高了船艇的可靠性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是船体区域结构设计的示意图。

图2是混编纤维复合结构截面示意图。

图3是不同位置上混编纤维复合结构截面示意图。

图4是泡沫夹层体在船底板上的布设示意图。

图5是泡沫夹层体形状示意图。

图中，(1)非砰击区，(2)常态砰击区，(3)非常态砰击区，(4)泡沫夹层体，(5)结构加强筋，(6)混编层合板，(7)面板，(8)芯材，(9)侧面，(10)背板。

具体实施方式

在如图1所示实施例中可以看出，本发明提出的船体区域结构设计的概念与方法，将船体分为砰击区和(1)非砰击区，砰击区又分为(2)常态砰击区和(3)非常态砰击区进行分块设计：其中，在船首区域很少发生砰击作用，定义为(1)非砰击区；船体中部和船尾定义为砰击区，船体中部为(2)常态砰击区，船尾为(3)非常态砰击区。在在船首的(1)非砰击区行形状支撑及防沉设计，在船体中部的(2)常态砰击区采用结构抗砰击设计，在船尾的(3)非常态砰击区采用防振动设计。进行船体区域结构设计时，将刚度和强度等效原则作为新材料或新结构纳入的设计原则，并通过有限元方法进行实现，以避免船体结构在区域设计交接点发生应力集中现象，成为船体结构破坏的源头。

在如图2所示混编纤维复合结构截面示意图中可以看出，混编纤维复合结构由(6)混编层合板和(4)泡沫夹层体复合而成。所述的(4)泡沫夹层体由(7)面板、(8)芯材、(9)侧面和(10)背板组成。(4)泡沫夹层体根据需要分布在船底板的不同位置上，这样既可以起到很好吸能作用，又可以有效抑制泡沫夹层结构发生大面积整体贯穿分层现象，提高船体的使用可靠性。仿真分析与大量的试验表明，在砰击载荷下，船底复合材料受拉区域最易发生分层现象，尤其是接近(5)结构加强筋的附近。本发明在船底板受拉区域增加了局部抗砰击增强设计，即在所述的(4)泡沫夹层体的(10)背板中使用芳纶纤维与玻璃纤维进行混编作为增强材料。树脂选用粘度低、韧性好、且具有一定粘结强度的树脂材料，可以很好抑制分层，并可以实现结构真空辅助成型工艺。为了有效提高船体的抗砰击性能，所述的混编纤维复合结构在结构设计和材料设计方面都通过有限元方法进行了分层控制；所述的(4)泡沫夹层体的大小、厚度及其布置位置根据不同的船体有所不同；所述的(4)泡沫夹层体内的(8)芯材的密度均根据不同的船体有所不同。(3)非常态砰击区的全泡沫夹层结构和(2)常态砰击区的(4)泡沫夹层体内的(8)芯材均选用抗剪切能力好的夹芯材料，以质量轻便、质地坚硬的内部玻璃纤维绞合加强型聚氨酯泡棉为最优。

同时，本发明采用真空辅助导入工艺进行建造，通过合理流道布置和进/出胶口设计，进行混编纤维复合结构与骨材的一次性灌注，以保证船体结构性能的连续性，提高船艇的整体机械性能。

在如图3所示实施例中可以看出，(5)结构加强筋在不同的位置固定在不同的(4)泡沫夹层体上面。在如图4所示实施例中可以看出，(4)泡沫夹层体根据设计需要分布在船底板的不同位置上。这种布设方式可以实现能量的分散吸收，有效避免全泡沫夹层结构发生大面积整体贯穿分层现象，是一种可靠的船体整体分层的结构控制手段。

在如图5所示实施例中可以看出，(4)泡沫夹层体的(10)背板的形状可以是矩形，也可以是椭圆形或多边形。(4)泡沫夹层体的(9)侧面可以是如图4所示具有一定的倾斜角度，也可以是垂直于(7)面板，成“柱体”状。

Claims (4)

1.一种耐砰击的高强复合材料船体结构，其特征在于：采用船体区域结构设计的概念与方法，将船体分为砰击区和非砰击区(1)，砰击区又分为常态砰击区(2)和非常态砰击区(3)；在船首区域很少发生砰击作用，定义为非砰击区(1)；船体中部和船尾定义为砰击区，船体中部为常态砰击区(2)，船尾为非常态砰击区(3)；在非常态砰击区(3)，使用全泡沫夹层结构加上骨材设计作为主要结构形式；在常态砰击区(2)，设计了一种由混编层合板(6)和泡沫夹层体(4)复合而成的混编纤维复合结构进行复合材料的分层控制，所述的泡沫夹层体(4)根据需要分布在船底板的不同位置上；在船底板受拉区域增加了局部抗砰击增强设计，即在所述的泡沫夹层体(4)的背板(10)中使用芳纶纤维与玻璃纤维进行混编作为增强材料，提高船体的耐砰击性能。

2.根据权利要求1所述的一种耐砰击的高强复合材料船体结构，混编纤维复合结构在结构设计和材料设计方面都通过有限元方法进行了分层控制；所述的混编层合板(6)的增强材料混编比例根据不同的船体、不同的位置有所不同；所述的泡沫夹层体(4)的大小、厚度及其布置位置根据不同的船体有所不同，泡沫夹层体(4)内的芯材(8)的密度根据不同的船体有所不同。

3.根据权利要求1所述的一种耐砰击的高强复合材料船体结构，非常态砰击区(3)的全泡沫夹层结构和常态砰击区(2)的泡沫夹层体(4)内的芯材(8)均选用抗剪切能力好的夹芯材料。

4.根据权利要求1所述的一种耐砰击的高强复合材料船体结构，泡沫夹层体(4)的背板(10)的形状是矩形、椭圆形或多边形；泡沫夹层体(4)的侧面(9)具有一定的倾斜角度，或垂直于面板(7)，成“柱体”状。

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