專利名稱：耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐砰擊的船體結(jié)構(gòu)，特別是一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié) 構(gòu)，主要應(yīng)用于復(fù)合材料船艇制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著船艇功能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的建造材料已經(jīng)無(wú)法滿足功能和線型要求。 相比之下，復(fù)合材料無(wú)論從強(qiáng)度上、重量上、耐腐蝕上、隔音防振上等方面均占有優(yōu)勢(shì)，已經(jīng) 成為目前船艇領(lǐng)域主要建造材料之一。高速高性能船艇的快速發(fā)展，對(duì)船體重量、強(qiáng)度和線 性等方面的要求越來(lái)越苛刻，一些高性能的纖維材料開(kāi)始應(yīng)用于船艇領(lǐng)域。目前，盡管高 速高性能船艇大部分采用復(fù)合材料制造，但其應(yīng)用水平還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法與航空航天領(lǐng)域相比 的。船艇在海上航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致波浪與船體之間不斷地發(fā)生沖撞，這就是砰擊現(xiàn) 象。船艇在高速航行時(shí)，可能受到很大的海浪砰擊，甚至?xí)率箯?fù)合材料船體結(jié)構(gòu)局部結(jié)構(gòu) 發(fā)生損傷，特別是分層損傷。一般認(rèn)為，船艇速度超過(guò)30節(jié)時(shí)，砰擊荷載成為船艇的主要設(shè) 計(jì)荷載，屬于低速?zèng)_擊荷載范疇。低速?zèng)_擊對(duì)復(fù)合材料造成的分層損傷一般發(fā)生在層合板 內(nèi)部，無(wú)法很好的利用現(xiàn)有條件進(jìn)行檢測(cè)，往往很難察覺(jué)，但在層合板內(nèi)部可能已產(chǎn)生了大 范圍損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)整體破壞和失效形成了潛在威脅。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)無(wú)法承受砰擊荷載時(shí)就會(huì) 導(dǎo)致船體斷裂沉沒(méi)，造成致命的災(zāi)難性后果。這正是我國(guó)高性能船艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造一直無(wú) 法很好解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述難題，本發(fā)明的目的在于提供一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié) 構(gòu)，使高強(qiáng)復(fù)合材料船艇船體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度和輕量化設(shè)計(jì)需求的前提下，有效增強(qiáng) 船體的抗砰擊性能，提高船艇的使用安全性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，采用如下技術(shù)
方案針對(duì)船艇不同區(qū)域的工況差異，本發(fā)明提出了一種船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念與方 法，將船體分為砰擊區(qū)和非砰擊區(qū)，砰擊區(qū)又分為常態(tài)砰擊區(qū)和非常態(tài)砰擊區(qū)進(jìn)行分塊設(shè) 計(jì)。其中，在船首區(qū)域很少發(fā)生砰擊作用，定義為非砰擊區(qū)；船體中部和船尾定義為砰擊區(qū)， 船體中部為常態(tài)砰擊區(qū)，船尾為非常態(tài)砰擊區(qū)。在船尾的非常態(tài)砰擊區(qū)內(nèi)放置發(fā)動(dòng)機(jī)，該部 分結(jié)構(gòu)除了保證足夠強(qiáng)度要求外，還要具有一定減振作用。在該區(qū)域內(nèi)，使用全泡沫夾層結(jié) 構(gòu)加上骨材設(shè)計(jì)作為主要結(jié)構(gòu)形式。這樣既可以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又可以起到減緩發(fā)動(dòng)機(jī)振 動(dòng)作用。在船首的非砰擊區(qū)選擇層合板結(jié)構(gòu)，只需提供一些剛度和形狀支撐，并且在該區(qū)進(jìn) 行發(fā)泡填充，提供浮力儲(chǔ)備。砰擊荷載屬于低速?zèng)_擊荷載一種，當(dāng)復(fù)合材料受到荷載沖擊，將以彈性變形和損 傷破壞的方式吸收能量。嚴(yán)重的砰擊一方面可以使受砰擊區(qū)域承受巨大壓力致使局部結(jié)構(gòu)破壞，另一方面將引起船體劇烈顫振，產(chǎn)生較大的振動(dòng)彎矩，與低頻波浪彎矩疊加時(shí)，可能 造成船舶總縱強(qiáng)度的缺失。目前，應(yīng)用到船體結(jié)構(gòu)上的復(fù)合材料主要包括復(fù)合材料層合板 和復(fù)合材料泡沫夾層板兩大類。泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的彎曲模量和抗砰擊性能，已經(jīng)越 來(lái)越多的被船艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用。根據(jù)三維應(yīng)力分析和預(yù)測(cè)，若船底板使用全泡沫夾層結(jié)構(gòu)， 其抗彎曲能力優(yōu)于使用層合板很多。但是，在多次砰擊條件下，泡沫夾層結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)芯材 撕裂和剪切破壞等損傷，這種損傷的累積就會(huì)導(dǎo)致板與芯材之間出現(xiàn)分層。一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 可知，當(dāng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的夾層板和芯材發(fā)生分層時(shí)，該分層在荷載作用下易發(fā)生夾層板和 芯材更大范圍擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)發(fā)生衰減，特別是結(jié)構(gòu)承受壓縮荷載時(shí)，易產(chǎn)生屈曲破壞。船底板 使用這種全泡沫夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，極易因?yàn)榫植康呐閾羰軗p而最終導(dǎo)致泡沫夾層結(jié)構(gòu)整體分層 潰裂，船體完全破壞。依據(jù)這種思想，在船體中部的常態(tài)砰擊區(qū)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了 一種新型的 混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料的分層控制，其特征在于所述的混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)由混 編層合板和泡沫夾層體復(fù)合而成，所述的泡沫夾層體根據(jù)設(shè)計(jì)需要分布在船底板的不同位 置上。這樣既可以起到很好吸能作用，又可以有效抑制泡沫夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生大面積整體貫穿 分層現(xiàn)象，提高船體的使用可靠性，同時(shí)可以節(jié)約建造成本。所述的泡沫夾層體由面板、芯 材、側(cè)面和背板組成。在船艇底部受砰擊的過(guò)程中，船體的垂向加速度會(huì)突然改變，緊接著 出現(xiàn)高頻振動(dòng)。仿真分析與大量的試驗(yàn)表明，船底復(fù)合材料受拉區(qū)域最易發(fā)生分層現(xiàn)象，尤 其是接近結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的附近。本發(fā)明在船底板受拉區(qū)域增加了局部抗砰擊增強(qiáng)設(shè)計(jì)，即在 泡沫夾層結(jié)構(gòu)的背板中使用芳綸纖維與玻璃纖維進(jìn)行混編作為增強(qiáng)材料。樹(shù)脂選用粘度 低、韌性好、且具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的樹(shù)脂材料，可以很好抑制分層，并可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)真空輔 助成型工藝。為了有效提高船體的抗砰擊性能，所述的混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè) 計(jì)方面都通過(guò)有限元方法進(jìn)行了分層控制；所述的混編層合板的增強(qiáng)材料混編比例根據(jù)不 同的船體、不同的位置有所不同；所述的泡沫夾層體的大小、厚度及其布置位置根據(jù)不同的 船體有所不同；所述的泡沫夾層體內(nèi)的芯材的密度根據(jù)不同的船體有所不同；所述的泡沫 夾層體的側(cè)面可以是具有一定的傾斜角度，也可以是垂直于面板，成“柱體”狀；所述的泡沫 夾層體的背板的形狀可以是矩形，也可以是橢圓形或多邊形。非常態(tài)砰擊區(qū)的全泡沫夾層 結(jié)構(gòu)和常態(tài)砰擊區(qū)的泡沫夾層體內(nèi)的芯材均選用抗剪切能力好的夾芯材料，以質(zhì)量輕便、 質(zhì)地堅(jiān)硬的內(nèi)部玻璃纖維絞合加強(qiáng)型聚氨酯、PVC或其他發(fā)泡芯材為最優(yōu)。在區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剛度連續(xù)性是重要設(shè)計(jì)原則，否則船體結(jié)構(gòu)在區(qū)域設(shè)計(jì)交接 點(diǎn)會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，該點(diǎn)可能成為船體結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)源頭。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將剛度 和強(qiáng)度等效原則作為新材料或新結(jié)構(gòu)納入設(shè)計(jì)中的原則，通過(guò)有限元方法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，本發(fā) 明設(shè)計(jì)的耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，采用真空輔助導(dǎo)入工藝進(jìn)行建造，通過(guò)合理流 道布置和進(jìn)/出膠口設(shè)計(jì)，進(jìn)行混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)與骨材一次性灌注。骨材與船體一次成 型，不僅可以減少二次粘結(jié)過(guò)程，縮短工期，減輕船體重量；而且，骨材與船體一次成型工藝 可以增加船體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，保證結(jié)構(gòu)性能的連續(xù)性，減少界面性能衰減，船艇的整體機(jī)械 性能優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕高強(qiáng)的目的。本發(fā)明采用如上技術(shù)方案，提供了一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，使得高 強(qiáng)復(fù)合材料船艇在高速行駛具有較好的耐砰擊安全性能，可以有效降低砰擊荷載對(duì)船艇結(jié) 構(gòu)造成的破壞，保護(hù) 擊區(qū)內(nèi)的設(shè)備及船員的生命安全，延長(zhǎng)了船體的使用壽命。其優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在①提出的船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與船體結(jié)構(gòu)，將統(tǒng)計(jì)思想引入船體設(shè)計(jì)的概念 當(dāng)中，將船體上受砰擊較為集中的位置定義為砰擊區(qū)，在滿足強(qiáng)度、剛度和輕量化設(shè)計(jì)需求 的前提下，有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化耐砰擊設(shè)計(jì)。②設(shè)計(jì)的混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，既可以起到很好吸能作用，降低不斷地砰擊帶來(lái)的 破壞，又可以有效克服全泡沫夾層結(jié)構(gòu)所容易出現(xiàn)的大面積整體貫穿分層現(xiàn)象。泡沫夾層 體根據(jù)設(shè)計(jì)需要分布在船底板的不同位置上，形成一種整體斷續(xù)結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)了船體的 可靠性能，同時(shí)可以節(jié)約建造成本。③在砰擊區(qū)采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)相結(jié)合的綜合手段，既可以有效吸收砰擊能 量，又實(shí)現(xiàn)了局部抗砰擊增強(qiáng)的效果，為船艇的耐砰擊性能上了雙保險(xiǎn)，極大地提高了船艇 的可靠性能。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的示意圖。圖2是混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖3是不同位置上混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖4是泡沫夾層體在船底板上的布設(shè)示意圖。圖5是泡沫夾層體形狀示意圖。圖中，⑴非砰擊區(qū)，⑵常態(tài)砰擊區(qū)，(3)非常態(tài)砰擊區(qū)，⑷泡沫夾層體，(5)結(jié) 構(gòu)加強(qiáng)筋，(6)混編層合板，(7)面板，(8)芯材，(9)側(cè)面，(10)背板。
具體實(shí)施例方式在如圖1所示實(shí)施例中可以看出，本發(fā)明提出的船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念與方 法，將船體分為砰擊區(qū)和⑴非砰擊區(qū)，砰擊區(qū)又分為⑵常態(tài)砰擊區(qū)和(3)非常態(tài)砰擊區(qū) 進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)其中，在船首區(qū)域很少發(fā)生砰擊作用，定義為(1)非砰擊區(qū)；船體中部和船 尾定義為砰擊區(qū)，船體中部為(2)常態(tài)砰擊區(qū)，船尾為(3)非常態(tài)砰擊區(qū)。在在船首的(1) 非砰擊區(qū)行形狀支撐及防沉設(shè)計(jì)，在船體中部的(2)常態(tài)砰擊區(qū)采用結(jié)構(gòu)抗砰擊設(shè)計(jì)，在 船尾的(3)非常態(tài)砰擊區(qū)采用防振動(dòng)設(shè)計(jì)。進(jìn)行船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將剛度和強(qiáng)度等效 原則作為新材料或新結(jié)構(gòu)納入的設(shè)計(jì)原則，并通過(guò)有限元方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以避免船體結(jié)構(gòu) 在區(qū)域設(shè)計(jì)交接點(diǎn)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，成為船體結(jié)構(gòu)破壞的源頭。在如圖2所示混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)截面示意圖中可以看出，混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)由 (6)混編層合板和(4)泡沫夾層體復(fù)合而成。所述的(4)泡沫夾層體由(7)面板、(8)芯 材、(9)側(cè)面和(10)背板組成。(4)泡沫夾層體根據(jù)需要分布在船底板的不同位置上，這樣 既可以起到很好吸能作用，又可以有效抑制泡沫夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生大面積整體貫穿分層現(xiàn)象， 提高船體的使用可靠性。仿真分析與大量的試驗(yàn)表明，在砰擊載荷下，船底復(fù)合材料受拉區(qū) 域最易發(fā)生分層現(xiàn)象，尤其是接近(5)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的附近。本發(fā)明在船底板受拉區(qū)域增加 了局部抗砰擊增強(qiáng)設(shè)計(jì)，即在所述的(4)泡沫夾層體的(10)背板中使用芳綸纖維與玻璃纖 維進(jìn)行混編作為增強(qiáng)材料。樹(shù)脂選用粘度低、韌性好、且具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的樹(shù)脂材料，可以很好抑制分層，并可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)真空輔助成型工藝。為了有效提高船體的抗砰擊性能，所 述的混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)方面都通過(guò)有限元方法進(jìn)行了分層控制；所 述的(4)泡沫夾層體的大小、厚度及其布置位置根據(jù)不同的船體有所不同；所述的(4)泡沫 夾層體內(nèi)的(8)芯材的密度均根據(jù)不同的船體有所不同。(3)非常態(tài)砰擊區(qū)的全泡沫夾層 結(jié)構(gòu)和(2)常態(tài)砰擊區(qū)的(4)泡沫夾層體內(nèi)的(8)芯材均選用抗剪切能力好的夾芯材料， 以質(zhì)量輕便、質(zhì)地堅(jiān)硬的內(nèi)部玻璃纖維絞合加強(qiáng)型聚氨酯泡棉為最優(yōu)。同時(shí)，本發(fā)明采用真空輔助導(dǎo)入工藝進(jìn)行建造，通過(guò)合理流道布置和進(jìn)/出膠口 設(shè)計(jì)，進(jìn)行混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)與骨材的一次性灌注，以保證船體結(jié)構(gòu)性能的連續(xù)性，提高船 艇的整體機(jī)械性能。在如圖3所示實(shí)施例中可以看出，(5)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋在不同的位置固定在不同的⑷ 泡沫夾層體上面。在如圖4所示實(shí)施例中可以看出，(4)泡沫夾層體根據(jù)設(shè)計(jì)需要分布在 船底板的不同位置上。這種布設(shè)方式可以實(shí)現(xiàn)能量的分散吸收，有效避免全泡沫夾層結(jié)構(gòu) 發(fā)生大面積整體貫穿分層現(xiàn)象，是一種可靠的船體整體分層的結(jié)構(gòu)控制手段。在如圖5所示實(shí)施例中可以看出，(4)泡沫夾層體的(10)背板的形狀可以是矩形， 也可以是橢圓形或多邊形。(4)泡沫夾層體的(9)側(cè)面可以是如圖4所示具有一定的傾斜 角度，也可以是垂直于(7)面板，成“柱體”狀。
權(quán)利要求
一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，其特征在于采用船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念與方法，將船體分為砰擊區(qū)和(1)非砰擊區(qū)，砰擊區(qū)又分為(2)常態(tài)砰擊區(qū)和(3)非常態(tài)砰擊區(qū)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)；在(3)非常態(tài)砰擊區(qū)，使用全泡沫夾層結(jié)構(gòu)加上骨材設(shè)計(jì)作為主要結(jié)構(gòu)形式；在(2)常態(tài)砰擊區(qū)，設(shè)計(jì)了一種由(6)混編層合板和(4)泡沫夾層體復(fù)合而成的混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料的分層控制，所述的(4)泡沫夾層體根據(jù)需要分布在船底板的不同位置上；在船底板受拉區(qū)域增加了局部抗砰擊增強(qiáng)設(shè)計(jì)，即在所述的(4)泡沫夾層體的(10)背板中使用芳綸纖維與玻璃纖維進(jìn)行混編作為增強(qiáng)材料，提高船體的耐砰擊性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)在 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)方面都通過(guò)有限元方法進(jìn)行了分層控制；所述的(6)混編層合板的增 強(qiáng)材料混編比例根據(jù)不同的船體、不同的位置有所不同；所述的(4)泡沫夾層體的大小、厚 度及其布置位置根據(jù)不同的船體有所不同，(4)泡沫夾層體內(nèi)的(8)芯材的密度根據(jù)不同 的船體有所不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，(3)非常態(tài)砰擊區(qū)的 全泡沫夾層結(jié)構(gòu)和(2)常態(tài)砰擊區(qū)的(4)泡沫夾層體內(nèi)的(8)芯材均選用抗剪切能力好的 夾芯材料，以質(zhì)量輕便、質(zhì)地堅(jiān)硬的內(nèi)部玻璃纖維絞合加強(qiáng)型聚氨酯、PVC或其他發(fā)泡芯材 為最優(yōu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，(4)泡沫夾層體的 (10)背板的形狀可以是矩形，也可以是橢圓形或多邊形；(4)泡沫夾層體的(9)側(cè)面可以是 具有一定的傾斜角度，也可以是垂直于(7)面板，成“柱體”狀。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種耐砰擊的高強(qiáng)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)，采用船體區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念與方法，將船體分為為(1)砰擊區(qū)和非砰擊區(qū)，砰擊區(qū)又分為(2)常態(tài)砰擊區(qū)和(3)非常態(tài)砰擊區(qū)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)。在(3)非常態(tài)砰擊區(qū)，使用全泡沫夾層結(jié)構(gòu)加上骨材設(shè)計(jì)作為主要結(jié)構(gòu)形式。在(2)常態(tài)砰擊區(qū)，設(shè)計(jì)了一種新型的由(6)混編層合板和(4)泡沫夾層體復(fù)合而成的混編纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，在船底板受拉區(qū)域(4)泡沫夾層體的(10)背板中使用芳綸纖維與玻璃纖維進(jìn)行混編作為增強(qiáng)材料。本發(fā)明涉及的船體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度和輕量化設(shè)計(jì)需求的前提下，能夠有效抵抗海浪砰擊，保證船體可靠、耐用。本發(fā)明適用于所有復(fù)合材料船艇的耐砰擊設(shè)計(jì)，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)B63B3/16GK101947998SQ20101026273
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者施軍, 曾青 申請(qǐng)人:深圳市海斯比船艇科技發(fā)展有限公司;深圳市海斯比海洋工程技術(shù)有限公司