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游艇艇体结构材料的分析与研究

发布时间:2019-07-14 09:44 来源:未知 编辑:admin

  2.1Nomex蜂窝夹层结构的研究………………………………….162.1.1蜂窝夹层结构的特性………………....…………………16 2.1.2蜂窝夹层结构的组成…………………………………….18 2.2CorecellW泡沫夹层结构的研究……………………………..21 2.2.1Corecell州G泡沫夹层结构的特性……………………………21 2.2.2Corecell珈G泡沫夹层结构的组成……………………………2l 2.3不饱和聚酯树脂的研究…………………………………….22 2.4艇体结构材料的设计准则…………………………………..23 2.4.1夹层结构的设计准则…………………..………………..23 2.4.2单板结构的设计准则…………………………………….24 2.5本章小结….……..….………..……………………….25 3实验研究………………............……..……..26 3.1实验方案……….………………………………………26 3.2实验试件的制备………………………………………….26 游艇艇体结构材料的分析~研究 3.2.1Nomex蜂窝夹层结构试件的制备…………………………….27 3.2.2Corecel lnlG夹层结构试件的制备……………………………31 3.3实验过程……………………………………………….36 3.3.1平拉性能测试………………………………………….37 3.3.2平压性能测试………………………………………….41 3.3.3拉剪性能测试………………………………………….43 3.3.4弯曲性能测试………………………………………….45 3.4本章小结……………………………………………….48 4实验数据处理与分析………………………………49 4.1实验数据……………………………………………….49 4.1.1蜂窝夹层平拉实验测试结果……………………………….49 4.1.2蜂窝夹层平压实验测试结果…………..…………………..50 4.1.3蜂窝夹层剪切实验测试结果……………………………….51 4.1.4蜂窝夹层弯曲实验测试结果…………….…………………53 4.1.5泡沫夹层平拉实验测试结果……………………………….54 4.1.6泡沫夹层平压实验测试结果……………………………….55 4.1.7泡沫央层剪切实验测试结果……………………………….57 4.1.8泡沫夹层弯曲实验测试结果……………………………….58 4.1.9单板结构平拉实验测试结果……………………………….59 4.1.10单板结构平压实验测试结果………………………………60 4.1.11单板结构弯曲实验测试结果………………………………62 4.2实验数据分析与对比………………………………………63 4.2.1两种央层结构的对比…………………………………….63 4.2.2夹层结构与单板结构的对比……………………………….64 4.2.3实验结论……………………………………………..65 4.3本章小结……………………………………………….65 5游艇艇体的模拟分析………………………………66 5.1艇体的静力学分析………………………………………..66 5.1.1静力学分析步骤………………………………………..66 5.1.2静力学分析结果.….……………………………………71 5.2游艇的动力学分析..………….. 5.2.1模态分析…………………. 5.2.2单点响应谱分析……………. 5.3本章小结…………………… 青岛科技大学研究生学位论文 全文总结与展望……………………………………82 参考文献………………………………………..84 致谢……………………………………………87 攻读硕士期间发表的学术论文…………………………88 独创性声明……………………………………….89 III 游艇艇体结构材料的分析与研究 符号说明 卜一试样长度,mm; b一试样宽度,mm; h一试样厚度,mm; 玩一芯子厚度,mm; tf一面板厚度,mm: a—试样边长,mm: 吼一平拉强度,MPa; F一试样横截面面积,mm2; 尸一破坏载荷,; E一芯子平压弹性模量,MPa; 凹一试验力.位移曲线上初始直线段的载荷增量,; 幽一对应于舻的压缩变形增量值,mm: G。一芯子剪切弹性模量,MPa; f。一芯子剪切应力,MPa; K一无量纲数; 盯,一面板中的拉、压应力,MPa; D一夹层结构的弯曲刚度,N。mm2: Z一对应尸的外伸点的挠度增量值(取左右两点的平均值),mm; E,一面板弹性模量,MPa; ,一夹层结构惯性矩,mm4; ,一面板的泊松比; 吼一弯曲强度(或挠度为1.5倍试样厚度时的弯曲应力),MPa; £一载荷增量尸对应的纵向应变,MPa; 占,一载荷增量AP对应的横向应变,MPa; IV 青岛科技大学研究生学位论文 017。一压缩强度,MPa; 址一与载荷增量P对应的标距£。内的变形增量,mm; ,一跨距,mm; 瓦一弯曲弹性模量,GPa; 一与载荷增量凹对应的跨距中点处的挠度增量,mm。 青岛科技大学研究生学位论文.jL.J—- 游艇是工业部门中应用复合材料的一个重要方面,也是复合材料制品中的一个主要品种。目前游艇中所用的复合材料绝大多数为纤维增强塑料,即 单板结构,也称其为玻璃钢。 玻璃钢工业是如今最热门的工业之一,玻璃钢复合材料也是目前产量最 大、用途最广的复合材料之一,已构成了复合材料的主体。它是由合成树脂 与玻璃纤维及其制品复合而成。合成树脂是一种有机化合物,玻璃纤维是一 种无机化合物,它的全称是玻璃纤维增强塑料。由于它比普通塑料的强度高 得多,成型固化后,比强度高,可与钢材相媲美,因而人们送它一个雅号一 一玻璃钢。 本文的主要意图是用夹层结构代替单板结构,通过实验和模拟,对比两 种结构的性能差异,以此来证明夹层结构的特性好于单板结构,并且更适合 于艇体。其中,实验试件是由作者制备,部分夹具也是作者亲自设计加工的, 实验是以拉、压、弯、剪为主的测试基本力学性能的实验室实验,然后将得 出的结论代入模拟软件,对艇体进行静力学和动力学分析,以此得出性能适 宜的艇体材料。 本论文首次使用自己制备的试件在自己设计的夹具上进行实验,对整艇进行 单点响应谱分析的动态模拟,对艇体的结构复合材料进行了探索和研究。文中定 有遗漏之处,恳请专家不吝斧正。 游艇艇体结构材料的分析与研究 青岛科技大学研究生学位论文 1.1游艇在国民经济中的作用 1绪论 游艇(图l一1)是一种新型、高级和耐用的水上游乐性消费品,它是集航海、 运动、娱乐、休闲等功能于一体,并且能满足个人及集体享受生活的需要。游艇 多作为公园、旅游景点等公共设施的经营项目供人们消费,同时,游艇也是港监、 公安、边防等工作手段所需的重要工具川。 图1.1游艇 Fig.1一I Yacht 游艇的造型依据其功能的不同而有区分,这项工业产品在外型的设计上仍以 实用性为前提,而后考量美学及市场的导向来变化出所谓流线型的造型。近几年 来,游艇的造型如同其他工业产品一般,逐渐采用较具亲和力的圆弧线条来代替 尖锐的折角或直线,当然,这与生产技术的提升有相当重要的关系【z1。 游艇除了是一种有品位的休闲旅游方式外,更重要的是它作为一个地区经济 发展程度的标志和吸引投资的形象,被誉为“城市的名片”,对当地的餐饮、交 通、公共服务、维修保养及配备等具有带动作用,并有助于优化水上旅游业的结 构,具有显著的综合经济效应,以至形成了一种系统的经济——游艇经济。 游艇经济现已成为一种新兴的产业经济,它囊含了游艇研究丌发、设计制造、 销售、消费、维护保养、修理、管理等相关的一系列经济活动;作为一种新兴的 产业经济形式,游艇经济吸引着越来越多的目光。 近几年,由于国内经济不断发展,人民生活水平同益提高;人们不断地追求 高尚休闲的娱乐生活方式;加之游艇现已成为一个地区经济发展程度的标志之 一,所以游艇活动在我国也慢慢地成为一种时尚。游艇行、lk的兴起带动了游艇俱 游艇艇体结构材料的分析与研究 乐部的发展,进而带动了游艇运营、维护和管理的需求,各类游艇数目也日益增 多,投资相应地加大,以至扩大了游艇活动的参与面,带动并加快了相关产业的 增速与发展。 游艇的消费热促进游艇业的发展,带动相关产业,提升地区的时尚指数。越 来越多的商务区、购物区和高档休闲社区把游艇项目作为规划的内容之一,提升 该社区的时尚档次和休闲品味。游艇活动从私人休闲项目,逐步走向商务、娱乐、 公共休闲等配套设施,成为商家体现社区品质的内容之一。游艇作为水上交通设 施配备在高档社区也逐步成为新的规划理念。 2009年12月1日,国务院下发文件,首次提出把旅游业培育成国民经济战 略性支柱产业,并作为新兴产业和经济增长点加以培育扶持;并且要培育新的旅 游消费热点。随后,国务院几次文件明确表示,要努力发展游艇产业,使游艇成 为中国一项可以普及化的、蓬勃发展的、有品位的水上休闲运动。 目前,我国景观水系资源的开发已成为旅游市场的一个新亮点,各地政府已 经认识到由游艇带来的水系资源休闲市场需求的巨大性;一批游艇经济发展的地 方政策已经出台;一批现代化功能齐全的游艇俱乐部正在如火如荼地规划、建设 2012年4月13日,中国船舶工业行业协会船艇分会理事长、上海船舶工业行业协会副会长杨新发表示,游艇产业或将成为中国经济新的增长点。 最近几年,中国的游艇产业已从南向北快速发展。辽宁、河北、山东、江苏、 上海、浙江、福建、广东、海南等沿海和内陆水上旅游资源丰富且经济相对发达 的省市游艇业已有所发展,其中又以深圳、上海、青岛、日照等地发展较快。 著名经济学家成思危则表示,中国游艇产业正在进入重要的发展时期。业内 有关人士认为,今后5至10年将有10万艘游艇的采购量,按平均每艘50万元 至100万元人民币计算,这将是500亿元至1000亿元的潜在市场。游艇产业将 是一个令人兴奋、充满美好前景的市场。据统计,世界游艇年消费额高达400亿 美元,与万吨油轮市场相当。如果加上相关的维修、管理、娱乐等费用,全球每 年的游艇经济收入超过500亿美元。 此外,中国国家旅游局在“十二五”发展规划中将游艇作为发展水上旅游的 重要载体,国家发改委发布的鼓励发展产业目录也将游艇产业纳入其中。由于政 策的松绑,中国游艇行业在未来几年将保持甚至超过30%以上的复合增长率,产 值有可能达到2000亿元。 随着改革的开放和经济的发展,在当今世界船舶市场上,游艇工业发展尤为 迅速,而休闲用豪华游艇在国际市场上相应地占有巨大份额,并且带动游艇配件、 水上运动器材等相关产业迅速发展,年贸易额客观,甚至可与商船相比拟…,所 以说,加快游艇产业在中国的发展可以大大提高中国的地区性经济,一点也不为 青岛科技大学研究生学位论文 国内生产的游艇厂家主要有:太阳鸟游艇股份有限公司,珠海江龙船舶制造有限公司,珠海市琛龙船厂有限公司,常州玻璃钢造船厂,上海宝岛游艇有限公 司,无锡东方高速艇发展有限公司,显利(珠海)造船有限公司,东莞杰腾造船 有限公司,佛山宝达船舶工程有限公司,上海红双喜游艇公司;其中前六位主要 生产复合材料的游艇。 总体来讲,我国游艇产业还处于起步阶段,存在着产品质量、生产工艺、市 场营销、行业管理等问题,但我国游艇行业的前景还是十分诱人,商机十分巨大, 随着中国经济的发展,未来国内市场游艇消费也将十分可观;作为一个海岸线漫 长、湖泊遍布、岛屿林立、江河纵横的国家,开发水上交通、水上休闲活动和观 光旅游项目,已成为水网发达国家地区的重要经济活动,且拉动内需的潜力惊人。 1.2游艇的发展概述 1.2.1国外游艇的发展 游艇在国外的发展比在国内早。在17世纪中叶,英皇查尔斯二世登基时, 英国人民呈现了一艘做工精细、具有重要意义的皇家狩猎渔船——YACHT,于 是,第一艘游艇就在英国诞生了。 18世纪,欧洲海洋国家的贵族、富豪竞相以改装帆船来炫耀自我,游艇生 活逐渐成为了一种风气。 19世纪英国人把螺旋桨和蒸汽机用在游艇上,使游艇的功能更加强大,使 用更加方便,也更能显示自己的权威。 20世纪,所有现代工业的新式动力机器都用在了游艇上;20世纪初期,由 于玻璃纤维增强塑料在游艇建造技术上的发展和生产成本的下降,玻璃钢游艇开 始进入市场。而到20世纪中叶,第二次世界大战后,西方发达国家在第三产业 中衍生出游艇俱乐部,解决游艇的停泊难题后,游艇得到了更为蓬勃的发展。 现在西方国家几乎把所有的最先进的科技产品装备到游艇上。游艇是当今世 界仅次于私人飞机的高档行走游玩工具,在今天的欧洲、北美以及澳大利,游 艇已经是人们周末度假、休闲娱乐的一种工具。 1.2.2国内游艇的发展 1.2.2.1中国大陆游艇的发展 中国游艇起步较国外稍晚一些,20世纪50年代在困内丌始萌芽,这种萌芽 阶段一直持续至70年代。 游艇艇体结构材料的分析与研究 1962年,沪东造船厂建造的长江豪华客货“昆仑”号投入使用,专供中央 领导巡视地方和开会所用,人称“水上人民大会堂”。 20世纪70年代,由于当时国内消费水平较低,中国大陆在当时也不存在私 人游艇这一概念,所以公用型游艇是游艇的主要发展方向,例如供公园、湖泊及 海边用的划桨艇、机动艇和游览艇,其实那个时候玻璃钢游艇的制造就已经开始 1970年,现隶属于中国航空工业集团公司的常州兰翔机械总厂,就是由国家投资兴建的常州玻璃钢造船厂,为中国最早的游艇建造厂家。 1976年,大陆较早生产玻璃钢游艇的国营企业——东莞市玻璃钢船厂,也 创建起来了。自建厂以来,该厂就己生产了各种规格的高速客船、摩托艇和各型 的游艇,特别是1994年至1995年法国CATANAL游艇公司建造的4艘38英 尺的双体动力帆船,当时在广东地区产生了很大影响。 1981年,深圳江辉船舶工程有限公司成立,距今已生产了五百多艘款式各 异的豪华游艇,尺度从32英尺至80英尺大小不等,几乎全部销往美国、欧洲 及亚太地区。 20世纪80年代初,随着改革开放的不断深入和旅游业的前进发展141,美、 日、中国香港及中国台湾等游艇厂商,紧抓机遇,开始不断地与大陆的玻璃钢船 厂合作生产玻璃钢游艇。在这期间,首先是根据合作国家的要求,采用国外的原 材料和生产设备,生产了一批帆艇、钓鱼游览艇及家庭用游艇等,取得了一定的 成绩【l】。 后来,中国本土厂商又逐渐发展,并与国外厂商合作,甚至自行设计建造较 大的高级豪华游艇,其中有温州东方船艇制造公司(原温州玻璃钢建材厂)、广州 新船玻璃钢有限公司和兴南船舶工业有限公司等很多船舶制造公司。 20世纪80年代到90年代上半期都属于起步阶段。从90年代后半期到现在, 游轮在国内都属于加速发展期。 目前中国大陆生产游艇企业达到了300多家,全国游艇制造业年销售收入超 过数10亿元人民币,中国制造的游艇已出口到70多个国家和地区。 1.2.2.2中国台湾游艇的发展 上世纪50年代,驻台美军将游艇这种代表着西方生活方式的消费品带入了 台湾,在通过为当地美军建造、维修娱乐之用的帆船而获得游艇制造技术之后, 台湾的游艇产业凭借极高的性价比和良好的口碑开始在全球市场攻城略地,并逐 步成为欧美之外最重要的游艇产地。 台湾早在1968年就开始试制渔船,初期主要生产2吨以下的小型渔船和玻 璃钢包覆木质渔船,以后逐渐建造较大的渔船。台湾的玻璃钢造船业始于60年 青岛科技人学研究生学位论文代中期,1966年年用量仅360吨,1988年以来平均增长率为10.9%,到1988年 玻璃钢年用量已超过40000吨。台湾的船用树脂和玻璃纤维已有多家厂商获得英 国劳氏船级社的证书。自1965年从国外引进玻璃钢造船技术,游艇生产逐步走 向专业化和现代化。经过10年努力,至1975年玻璃钢游艇己成为重要的出口产 品。台湾省的玻璃钢游艇和渔船都比大陆的起步早,发展快,游艇的质量和数量 上尤其突出。 为了提高游艇的国际竞争力,台湾省采取了推行“游艇标准型基本设计”等 一系列措施和政策,向大型化的方向发展游艇,努力争取高质量高附加值的游艇 出口数量,改变以往完全地依靠来料加工和按外国图纸施工的低层次生产模式, 至1996年已完成7种类型的游艇标准基本设计。 随着经济的发展,一部分台湾企业将目光转向游艇高端市场,开始研发高附 加值游艇,力求同时打开本地和海外两个市场。为此,台湾游艇业制定了专门计 划,开发适合台湾市场的大尺寸新材料游艇。 1.3游艇艇体材料的应用与发展 1.3.1国外游艇艇体材料的应用与发展 自20世纪40年代中期第一艘玻璃钢游艇问世以来,世界各国相继研制各种 玻璃钢船舶【孓6】,半个多世纪以来,复合材料船舶开发的业绩超过了钢质船近一个 世纪的发展历程。 复合材料己与金属、高聚物、陶瓷并列为四大材料【,】,船用复合材料种类同 样繁多,且被广泛运用于各种船艇的制造上。复合材料性能优异,既可大幅度减 轻结构的重量,又兼有高耐腐蚀的特点,同样在顶级赛艇上也有广泛的应用前景, 优秀的顶级赛艇制造商已经通过不断的创新提升材料质量和耐久性,利用先进的 流水线生产确保了高效的生产效率和较低的成本。他们的成就包括:将先进复合 材料引入船舶结构应用中;将复合材料引入整体承载结构生产赛艇船体外壳;引 进高性能预浸料,用以保护船厂环境。 复合材料是由两种或两种以上不同性质、不同形状、不同性能的材料复合形 成的新型材料,其具有比组分材料更好的或者原来某种材料不具备的性能,各组 分之问有明确的界面18】。 复合材料一般由非金属基体与增强材料组成。20世纪40年代,复合材料增 强材料主要有玻璃纤维增强塑料(即玻璃钢),到了50年代以后,碳纤维、石墨 纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维陆续出现,70年代出现了芳纶纤维和碳化 硅纤维。 在国外,法国的TGV系列和意人利的ETR系列高速列年,其车内墙板和顶 游艇艇体结构材料的分析与研究 板的制作很早就采用了蜂窝夹层结构复合材料,欧洲的许多铁道车辆制造企业随 即就采用了蜂窝夹层结构复合材料来制造铁道车辆零部件,应用的范围几乎遍及 所有的内装结构。其中,在蜂窝夹层结构复合材料的应用方面,意大利相对来说 比较领先,该国早就开始采用蜂窝夹层结构复合材料制造形状复杂的结构件[91。 下面对国外的几个主要国家游艇艇体材料的研制和开发情况作一概述。 (1)美国 美国是使用复合材料最早和最多的国家,40年代初就宣告玻璃钢研制成功。 1946年美国海军建成了长8.53米的世界第一艘聚酯玻璃钢艇,拉开了复合材料 造船的序幕。1954前后,美国的手糊成型工艺日趋成熟,即开始开发玻璃钢游 艇,次年就大量生产游艇、帆船等船艇。1956年美国建造了2艘不同结构形式 的小型扫雷艇,开始了玻璃钢在扫雷艇中的应用研究,美国迄今最大的复合材料 舰船是于1991年建成的Osprey号。美国还建造了许多玻璃钢游艇,最大的长达 44米。1966年美国开始批量生产大型渔船,1979年就建造了390艘。在美国, 玻璃钢复合材料作为修复和建筑材料,正逐步取代传统的相关建筑材料,并且占 美国塑料工业年出口额的比例已达到了5%【7】。 2006年2月初美国下水了一艘最新型隐形试验快艇,是使用碳纤维复合材 料一次成型制造的艇体,在整体制造中不用焊接,不需铆接,艇体外表十分光滑。 (2)英国 英国的造船工业是最早使用玻璃钢造船的部门。1962年,英国船舶登记局 颁布了劳氏船级社关于6~36米长玻璃钢船的技术规范。英国不仅是大型玻璃钢 反水雷舰艇的先驱国家,它在复合材料高速艇的研制技术方面在世界范围内也属 一流水平,建造了不少军用高速游艇【-01,除此之外,它还研制了航速很高的轻型 气垫船和横渡英吉利海峡的HM.2型气垫船。 (3)挪威 1999年4月下水的由挪威皇家海军制造的最大的全复合材料挪威Skjold级 气垫双体导弹快速巡逻艇。艇体内外使用了由玻璃纤维和石墨多层粘合布组成的 多层纤维增强塑料,边缘则使用了乙烯树脂和聚酯树脂;艇体和表面还大量安装 雷达波吸收材料和涂覆复合材料,横梁、杆和支承结构选用高抗拉强度的碳纤维 和石墨填充材料,采用了复合材料夹层结构。 (4)意大利 意大利的玻璃钢游艇工业不仅发展较早,而且技术非常先进。它是欧洲制造 35米以上大型豪华游艇的中心之一,除了采用玻璃纤维外,还使用芳纶纤维和 碳纤维增强,以提高游艇的性能。 (5)瑞典 瑞典也很注重玻璃钢在船艇中的应用…..z】。应该指出的是,瑞典的夹层结构 青岛科技入学研究生学位论义复合材料技术堪称世界一流,80年代中期澳大利亚的2艘Bay级双体猎雷艇就 是引进瑞典夹层结构技术建成的。瑞典的央层结构技术还用于建造高速军用艇和 巡逻艇,如TVl71、TVl72和CG27型海岸巡逻艇。值得一提的是,瑞典在 1991年研制成世界第一艘复合材料隐形试验艇“斯迈杰”号,该艇体采用碳纤 维和玻璃纤维混杂复合材料技术和PVC泡沫夹芯结构制造,集先进复合材料技 术、夹层结构技术、隐身技术及双体气垫技术于一体,实属舰船中的高科技产品。 2000年6月下水的“维斯比”号护卫舰,其艇体采用复合材料夹层结构, 主要由一个碳纤维和乙烯层压材料组成的一个PVC核心构成,具有划时代的意 同本的玻璃钢工业始于50年代,经50多年的发展,其玻璃钢产量已跃居世界第2位。在船艇方面的复合材料主要用于渔船,仅海洋机动渔船的用量就占 76.3%。同本的高性能碳纤维的研制水平及生产能力均居世界前列,主要用于高 性能船舶、赛艇及豪华游艇。同本的第一艘玻璃钢船建于1953年,60年代初玻 璃钢游艇得到很大发展,成为美国游艇承包建造基地,为建造玻璃钢渔船和大型 艇奠定了基础。60年代术开始大量生产16~18米高速作业船、装载船、救生艇、 渔业监督船及高速客船。整个70年代是日本玻璃钢渔船大发展的时期,平均每 年增加1.8万艘,且向大型化发展,吨位达到99吨,至1993年玻璃钢渔船已有 32.77万艘,占机动渔船的84.5%。 (7)芬兰 芬兰北部地区是游艇建造商的发源地,长期为游艇所有者津津乐道。最近, Baltic游艇公司采用高性能的复合材料制造了一艘高强度且轻质的船艇——以碳 纤维/环氧树脂为蒙皮、Nomex蜂窝和CorecellTMG结构泡沫为芯材的夹层结构, 利用线。C下固化而成。由于板材的刚度与其厚度的立方成 正比,夹层板材相对于单蒙皮层压板刚度更高,弯曲也更小。Baltic认为这延长 了层压板的寿命,避免了应力断裂,因此避免了水的渗入。公司认为,一艘设计 并建造良好的适当重量的游艇不仅具有优异的性能,而且不会丧失传统优势。 Baltic公司已成为碳纤维复合材料船艇制造商的主要代表。 复合材料行业的重心已经慢慢地向亚洲转移,目前亚洲复合材料年产量为 270万吨,年产值已经超过了180亿欧元:到2013年,亚洲将会占据世界复合 材料市场51%的份额,中国将占据世界复合资料市场43%的份额;2015年,亚 洲复合材料的产量有望达到1000万吨,船用复合材料的产量也将随之上升。据 弗德瑞克米泰尔介绍,目前,船用复合材料种类繁多,并且广泛地应用于各种船 艇上;比如说,船体所用的复合板,船内饰用到的玻璃纤维复合材料及木质复合 材料,~般采用玻璃纤维增强材料来制造渔船、游艇、双体船等,船内厨房、卫 游艇艇体结构材料的分析与研究生问等相关设施一般采用一体化复合板,一些高性能的复合材料也被广泛地应用 在海岸巡逻艇的建造上【13】。 1.3.2国内游艇艇体材料的应用与发展 传统的轮船为木质材料,但是我国的森林资源少,长期存在着木材供需矛盾, 违背了中国国情,所以就逐渐淘汰了木质船。 80年代,钢制船悄然兴起,但是我国的钢材产量严重不足,并且钢材相对 密度大,不耐腐蚀,维修费用高,使用寿命短,这种以钢代木的方法从根本上来 说不是方向。 研究表明,后来发展的钢丝网水泥船不抗振动,容易断裂,不适用于造船行 改革开放以来,许多厂家引进国外技术,开始使用玻璃钢造船,低碳环保,经济适用;实践表明,玻璃钢船适合我国经济发展的要求【141。 自50年代末起,我国的玻璃钢工业已经过了60多年的发展,取得了很大的 成绩【7l,中国大陆的第一艘聚酯玻璃钢工作艇于1958年在上海诞生。次年,北 京也研制出环氧玻璃钢汽艇,这2条艇分别从南方和北方拉开了中国玻璃钢造船 的序幕。 在复合材料原料方面,我国目前已能生产国际市场上大多数品种的玻璃钢用 增强材料,品种基本配套。我国玻璃纤维工业近年取得了很大的发展,从1995 年的16万吨增长到2001年的27万吨,形成了“泰山”、“巨石”、“重庆国际” 三个大企业,其产品已有50%进入国际市场。 经过近50余年的研制和开发,中国已经建造了大小不一的百余种型号玻璃 钢船艇。据不完全统计,中国大陆玻璃钢的年产量约为23.5万吨,已形成数百 家玻璃钢造船厂和制品厂,玻璃钢船艇的年生产能力约为7000"--8000艘。值得 注意的是,在这众多的玻璃钢船舶中,近年来已出现一批或正在开发几型尺度较 大、技术要求较高的高性能船舶。特别是国家科委决定将《大型玻璃钢渔船的研 制及产业化》项目列入国家重点科技攻关计划,这将有力地推动中国船舶中数量 最多的渔船之玻璃钢化的进程,从而将促进玻璃钢/复合材料工业和玻璃钢造船 业的发展。 但是玻璃钢——强度有余,刚度不足,始终存在一定的缺陷,于是,新的材 料悄然兴起。 随着亚洲及中国造船业的发展,船用复合材料发展十分迅速,国内企业正在 开展科技创新工作,积极研发新产品、新技术,以此来增强自身竞争力。但与欧 美等国家相比还有较大差距【11。因此,目前国内船用复合材料生产企业非常重视 技术创新,大力研发低成本纤维技术、低成本树脂技术、低成本预浸料技术、自 青岛科技大学研究生学位论文 动纤维铺放技术,使复合材料向低成本化方向发展,增强自身的竞争力;企业在 生产方面多采取设计制造一体化技术,采用全新的设计理念和手段,提高制造过 程的信息化水平,将设计和制造进一步融为一体,加快产品研制进度,提高质量, 降低成本。 但是对于碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维,我国主要依赖进口,西方国家在 某些品种上对我国实行禁运,这在很大程度上限制了我国高性能复合材料的发展 及应用。 越来越多的船用复合材料被应用在海港设备、码头、桩柱、格栏以及海上工 厂等海岸线装备制造中,船用复合材料的使用范围很广。与铁、铝等材料相比, 船用复合材料具有重量轻、强度高的优点,这可以大大减少船舶在航行中使用的 燃料,从而减少二氧化碳的排放量。此外,船用复合材料在耐腐蚀性、耐候性、 抗疲劳性、压缩度和弯曲度方面也有良好的表现。 此外,目前许多国家已经针对复合材料制定了严格的环保标准,对此,企业 应该开展对复合材料制造和使用过程中产生废弃物的回收处理和综合利用的研 究工作,如开发新型低排放、易回收或可降解的原料,复合材料的回收利用技术 等,顺应当前低碳经济的发展潮流,实现该行业的可持续发展。 玻璃钢的学名为玻璃纤维增强塑料,英文缩写GRP(也称FRP),即Glass Reinforced Plastic。其具有质轻、防腐、保温、绝缘、隔音、寿命长、强度高、 不锈蚀、建造工艺性好、使用周期成本低【15】等一系列优点;密度仅为1.5"----29/cm3, 机械性能和物理性能及其良好,因此被广泛运用于建筑、旅游、汽车、造船、航 空、国防等各个领域6】。玻璃钢成型工艺现己广泛应用于游艇行业,如图1—2所 I玻璃纤维或玻璃布纤其一t要有以下优点: 图1—2玻璃钢成型工艺 Fig.1—2 Moulding FRP游艇艇体结构材料的分析与研究 (1)质轻强高,对减轻结构重量有较大潜力,特别适用于限制重量高的高性 能船舶和赛艇之类的艇体; (2)耐腐蚀,抗海生物附着性能优良,比传统的造船材料更适合在海洋环境 中使用; (3)能吸收较高的能量,冲击韧性好,船舶不容易因一般的碰撞、挤压而损 (4)介电性和微波穿透性好,特别适用于军用舰艇;(5)导热系数低,隔热性好; (6)船体表面光滑程度高,可具有各种色彩,特别适合建造形状复杂、款式 多样并且外形美观的游艇: (7)可设计性好,能够按照船舶结构各部位的不同要求,通过选材、铺层研 究和结构选型等方法来实现优化; (8)整体性能好,可以做到整个船体无接缝; (9)船体成型简便,比钢质、铝质和木质船省力省时,且批生产性能好,降 低造价的潜力很大; (10)维修保养方便,维修费比钢质、铝质和木质船少,全寿命期的经济性能 比其他材质的船好【17.-sl。 但是受刚性模量低且成型技术等的限制,还不能建造太大的舰船(一般低于 40米),加之原料价格较贵,在整个造船材料中的用量仍较少;玻璃钢固化后具 有收缩的特性,因而对其有一些要求,即:温度15至30,一般室温即可;湿 度40%至60%,不超过65%;必需考虑通风、集尘、避光直射等。 玻璃钢复合材料的力学性能具有明显的方向性,玻璃钢也可以被人为地变化 纤维方向和数量以达到某种特定的强度要求。比如说,采用经向纤维和纬向纤维 量为“l:l”而制造的玻璃钢复合材料【19】,经向强度和纬向强度几乎是相等的, 可是其它方向上的强度就比较低。 此外,玻璃钢/复合材料具有层间强度和弹性模量低的特点。层间没有增强 纤维,属于薄弱环节,所以它的层问剪切和层问抗伸强度都较低,这些强度相当 于树脂本身的强度。所以在设计和制造玻璃钢制品时,除了工艺制造时尽量使布 层间粘牢外,设计上最好使层间应力降到最低,以防止层问破坏情况的出现。 比强度是指单位密度下的拉伸强度,也就是材料的抗拉强度与密度之比,用 以说明其轻质高强的程度。玻璃钢密度介于1.5~2.0之间,只占普通碳钢的一小 部分,比轻金属铝还要轻好多,但是它的强度却很高,在某些方面可以与普通碳 钢相比拟。按比强度计算,玻璃钢不仅能大大超过普通碳钢,而且和某些特殊合 金钢相媲美。 中国工业防腐蚀技术协会的调查数据显示,由于存在严重的海洋环境腐蚀条 10 青岛科技大学研究生学位论文 件,我国部分地区水港工程腐蚀情况比较严重,中国不饱和聚酯树脂行业协会表 示,作为轻质高强且耐腐蚀的玻璃钢,已经进入了海洋防腐工程中,如环氧乙烯 基树脂基玻璃钢防腐格栅、罐管、内衬、飞溅区玻璃钢包覆阴极保护、拉缠玻璃 钢筋条等,都已经进入了港口码台,海洋平台及相关的海洋防腐工程。 按照当前国家海洋工程建设规划的要求,国内玻璃钢海洋防腐材料还未整体 进入工程。从目前来看,靠近我国沿海的环渤海湾城市群、长三角、珠三角的玻 璃钢企业都在积极牢抓防腐工程发展的大契机,积极主动与有关科研院所合作, 以推进国内防腐蚀玻璃钢材料及其制品地深入应用。 在海洋产业的“十二五”规划中,中国政府相关部门将重点针对海洋工程结 构腐蚀的控制技术,并对其做进一步地深化研发和扩展,在未来的日子里,新型 防腐技术和新型复合材料终将成为海洋工程结构的保护者。 由于玻璃钢具有传统造船材料所无法比拟的优点,故倍受造船界的重视。经 多年的开发应用,玻璃钢已成为一种重要的船用材料。其弹性模量虽比木材大2 倍,却比一般结构钢小10倍,为了改善这一缺点,研究者慢慢地发明了夹层结 构,以解决一些玻璃钢不能解决的问题。 夹层结构复合材料行业属于新材料行业,是未来国家产业政策重点鼓励发展 的行业,在国民经济中占有重要地位。近几年,夹芯复合材料无论是在产量、销 量还是在生产技术、生产工艺、新产品研发等方面,都获得了快速发展。实践证 明,夹心结构在刚性方面明显地优于单板结构。复合材料近几十年迅猛发展,就 在于其“轻质高强”的特性,而夹层结构的设计理念则向人们展示了复合材料“更 轻更强”的神奇魅力【20之一】。 夹层结构中间的芯材部分主要承受剪切力,并将剪切力从表层传向内层,使 上下两个表皮层无论在静态载荷还是在动念载荷下都能保持稳定,并且吸收冲击 能来提供抗破坏性能。 自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料,它可提高弯曲强 度并且能够降低重量。在相同负荷能力的条件下,夹层结构比实体层状结构轻好 多。夹芯材料能够降低系统的成本、能够削弱噪音与震动、能够增加耐热、抗疲 劳并且具有防火性能等。 目fji『,用于复合材料夹层结构的央芯材料主要有:硬质泡沫、蜂窝和轻木三 类。硬质泡沫主要有聚氯乙烯PVC、聚氨酯PU、聚醚酰亚胺PEI、丙烯腈一苯 乙烯SAN或AS、聚甲基丙烯酰亚胺PMI和发泡聚酯PET等【22彩】。蜂窝夹芯材 料有玻璃稚蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。轻木夹芯材料是一种天然产品, 市场常见的轻木央芯主要产自南美洲的种植园,由于气候原因,轻木在当地生长 速度特别快,所以比普通木材轻很多,11其纤维具有良好的强度和韧性,特别适 合用于复合材料夹层结构。 游艇艇体结构材料的分析与研究 夹芯材料的应用领域广阔,涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等 领域。常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。聚氨酯PU发泡夹芯材料也 常用于船舶的建造;硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填 料;大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯结构,用玻璃布制作内外蒙皮,夹 芯材料的厚度为100mm,该类船具有轻质、高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着 以及吸收撞击能,很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木,以保证最大的剪 切和挤压强度;船前部和甲板使用了密度较低的轻质木;隔壁面板室内地板和家 具也使用了轻质木夹芯材料。 与传统材料相比,夹层结构复合材料的主要特点如下: (1)重量轻,刚性大。夹层结构面板很薄,与实心相比要轻得多,最大的优 点是刚性大,是一种高效结构材料。 (2)能够发挥复合效应的优越性。当夹层结构承受弯曲载荷时,上蒙皮受拉 伸力,下蒙皮受压缩力,芯子则受剪应力。芯材与面板是两种不同的材料,由于 夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性矩随之增大,且面板有夹芯支持,这样 夹层结构就比较稳定而不易失稳。 (3)可设计性。可以根据夹层结构的力学性和功能性的要求来选择夹芯材料, 比如说蜂窝夹芯具有高的剪切性能,轻木芯有高的压缩性能,而泡沫芯有好的绝 热性能。 (4)材料性能对复合工艺的依赖性。在形成夹层结构复合材料的过程中,材 料的物理变化和化学变化一直都存在着,并且过程非常复杂;同时由于在成形过 程中,工艺参数很难准确地控制,所以说夹层结构的性能分散性也是非常之大的。 目前普遍采用“三明治”夹层结构代替传统的单板结构,并且许多实践证明, 在刚度这一性能方面,夹层结构明显地优于单板结构。目前国外还出现了聚丙烯 蜂窝状夹芯材料,这种夹芯材料的抗冲击强度、抗弯均优于其他夹芯材料,除此 之外,该夹芯材料还能达到阻燃效果,单位重量也低于其他夹心材,施工方法也 比其他夹心材简单[22-231。 在夹层结构中,对于面板考虑的主要因素是材料的强度和刚度,而对于芯材, 考虑的不仅仅是最大幅度地减重,还需要具有较好的剪切和压缩性能,这样才能 充分发挥夹层结构优势。复合材料所用基体主要是合成树脂等有机聚合物,也有 少量金属、陶瓷、水泥及碳(石墨)。 我国的复合材料基体树脂从技术水平、新技术、产品质量、新产品的开发和 应用、产品附加值等方面与发达国家差距较远,有待进一步研究和提高。基体树 脂包括热固性树脂和热塑性树脂,其中热固性树脂主要有不饱和聚酯树脂UPR、 环氧树脂EPR、酚醛树脂PFR、 性树脂。热塑性树脂主要有通用 青岛科技大学研究生学位论文 热固性树脂是指加热后先发生化学变化,然后逐渐硬化成型,再受热后也不 软化也不溶解141。热固性树脂的分子结构为体型,包括大部分缩合树脂,热固性 树脂的优点主要由两点,一是耐热性高,二是受压不易变形;缺点是机械性能较 差。热固性树脂有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、氨基树脂和硅醚树脂 热固性树脂是最早大规模应用于复合材料的基体树脂,源于其好于热塑性塑料的耐热性能及可设计性,对树脂的研究一般重点集中在树脂的合成与改性制品 的成型工艺方面。 热塑性树脂是具有受热软化、冷却硬化的性能,而且不起化学反应,无论加 热和冷却重复进行多少次,均能保持这种性能。具有热塑性树脂的分子结构都属 于线型。它包括含全部聚合树脂和部分缩合树脂。 我国复合材料行业经过几多年的发展,在生产规模、生产技术和产品种类等 方面已经走过了由dN大、由近到远的台阶,产量仅次于美国。 1.4游艇艇体制作工艺概述 随着复合材料游艇产业的迅速发展,相关行业对游艇成型工艺的要求越来越 高,特别是成型工艺的环保及成本相关方面的要求越来越高。传统的产品成型大 部分采用手糊成型,手糊成型主要具有生产效率低,劳动强度大,劳动条件差, 产品质量不易控制,性能稳定性不高,产品力学性能较低等一系列缺点。对于成 型相对较小较简单的产品,手糊成型成本低,易于实施,但对于结构复杂、力学 性能要求高、体形庞大的产品,应用传统的手糊成型工艺已很难实施。 就目前的整体情况来看,我国的复合材料行业手糊工艺制品占有相当大的比 重,随着复合材料工业对成型工艺产品的品质要求的不断提升,特别是对成型工 艺的环保及成本方面的要求越来越高,这就促使要求生产工艺、产品质量地不断 改进和升级。近年来,树脂转移成型RTM、真空辅助树脂转移成型VARTM工 艺以其产品质量好,闭模生产等特点在国内外得到了迅速的发展。 RTM工艺在我国起步较晚,大规模发展是从1993年开始的。据不完全统计, 到1997年,在短短不到4年的时间罩,全国购买的RTM设备大约在300台。我 国引进该技术的时间虽短,但目日仃己取得了长足的进步,绝大多数的原、辅材料 都已实现了国产化。 VARTM技术目前在国内仍处于发展的初级阶段,发展潜力巨大。后期,专 家经过一些研究和实践,慢慢地产生了真空芯材导流工艺。 真空芯材导流工艺是在玻璃钢单板结构的真空导流管路中引入芯材结构,在 模具上铺增强材料,然后铺真空袋,并抽出其中的空气使其真空,在模具型腔中 游艇艇体结构材料的分析与研究 形成一个负压,利用真空产生的压力把树脂通过预铺的管路压入纤维层中,让树 脂浸润增强材料,继而充满整个模具,制品固化后,揭去真空袋,最终得到所需 的制品【241。 真空芯材导流工艺与传统工艺相比具有很多优点,其一将夹芯复合材料的优 点与传统工艺在工艺方法、性能、安全保障与卫生保健方面的优势出色地结合到 一起利24l;此外,闭孔夹芯材料可以起到吸振缓冲、隔音绝热的作用。若采用 夹芯结构,就会给设计带来更大的自由度,夹芯的复合曲线形状更易于组合,外 部表层可以正确地对准载荷路径方向,从而使结构更趋于完整和优化[25-26】。 1.5本文研究的目的和意义 1.5.1研究的目的 本文章的研究目的在于: (1)通过分析研究,掌握提高复合材料游艇艇体的刚度的方法, 的“强度有余、刚度不足”的单板游艇的生产。 (2)通过分析研究,掌握单板结构和夹层结构的基本力学性能, 性能用于艇体的结构材料。 以改善传统 并将其适用 (3)通过一系列的学习,了解现代复合材料游艇的具体成型方法和艇体的结 构设计。 1.5.2研究的意义 本文章主要通过实验和仿真模拟对比三种复合材料,包括CorecellrMG泡沫 夹层结构、Nomex蜂窝夹层结构和单板结构,对比出三种复合材料的力学性能 的情况。从实验中可以得到三种复合材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度,进而 计算出各自的弹性模量、剪切模量和泊松比,先通过测试的基本物理性能来进行 对比,然后对艇体进行简化,根据实验测得的结果,利用ANSYS软件进行静力 学分析和动力学分析,再得出一个对比结果,最后得到能达到性能优良复合材料 本文的研究意义主要在于通过对比,得到适合艇体结构的复合材料,减轻艇体的重量,提高艇体的刚度和强度,降低成本,保护环境,用以研究和推广,以 此更好地提升游艇产业,提高竞争力,同时对于游艇的未来发展起到了一定的作

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