本發(fā)明涉及船舶復(fù)合材料應(yīng)用和船舶輕量化領(lǐng)域，主要針對輕量化-多功能復(fù)合材料上層建筑與金屬主船體之間的連接區(qū)域，適用于參與總縱彎曲的大型上層建筑。

背景技術(shù)：

目前金屬船舶的上層建筑材料普遍采用船用鋼或鋁合金，船舶在復(fù)雜的海洋環(huán)境中運行，上層建筑會受到波浪載荷、重物集中載荷、武器發(fā)射時的作用力(艦船)、核爆炸沖擊載荷(艦船)、風(fēng)載、波浪抨擊載荷等，船體上層建筑存在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞等問題，尤其是在上層建筑底部與主船體的連接區(qū)域，作為船舶整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，由于幾何形式和材料特性的雙重突變，存在明顯的應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷和疲勞破環(huán)，從而影響船舶整體結(jié)構(gòu)的可靠和安全，降低船舶壽命。

為了解決復(fù)合材料上層建筑與金屬主船體之間的剛度匹配、強(qiáng)度損傷以及疲勞破壞等問題，實現(xiàn)不同材料結(jié)構(gòu)之間的有效連接。設(shè)計不同形式的連接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)金屬主船體與復(fù)合材料上層建筑的有效搭配，以滿足船舶輕量化-多功能的發(fā)展需求。比較典型的船舶實例有法國拉斐特護(hù)衛(wèi)艦，在鋼質(zhì)主船體上設(shè)計夾芯復(fù)合材料機(jī)庫，在提高艦船隱身性的同時，減小結(jié)構(gòu)重量，提升航速；美國的朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦設(shè)計夾芯復(fù)合材料集成上層建筑結(jié)構(gòu)，來增強(qiáng)艦船的隱身性，減輕上層建筑的結(jié)構(gòu)重量，同時降低重心、提高平臺穩(wěn)定性。實踐表明，夾芯復(fù)合材料所特有的輕質(zhì)、高強(qiáng)、無磁、透波/吸波等特性，能夠滿足未來艦船在隱身、減重等方面的發(fā)展需求；復(fù)合材料耐化學(xué)腐蝕、抗疲勞等特性也較傳統(tǒng)金屬材料更適用于艦船的運行環(huán)境。此外，船舶減重意味著有效載荷增加、油耗降低、排放減少，尤其上層建筑減重還可以降低重心，提高穩(wěn)性。這也符合綠色船舶的發(fā)展趨勢，呼應(yīng)了節(jié)能減排的社會主題。因此，使用夾芯復(fù)合材料是未來船舶上層建筑設(shè)計的一個發(fā)展方向?；谏鲜鲈蛱岢鰥A芯復(fù)合材料上層建筑搭配金屬主船體的創(chuàng)新設(shè)計模式。但是考慮到夾芯復(fù)合材料與金屬板材各自不同的固有屬性和受力特征，二者在連接時存在技術(shù)難度，為此急需設(shè)計制造一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、安全、可靠、制造簡單，并且能有效滿足工程應(yīng)用要求的連接結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請人針對上述現(xiàn)有夾芯復(fù)合材料上層建筑與金屬主船體之間的有效連接問題，進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，提供一種結(jié)構(gòu)合理、制造簡便的船用金屬與夾芯復(fù)合材料混合連接結(jié)構(gòu)，具有可靠性好、連接強(qiáng)度高、制造方便的優(yōu)點。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

船用金屬與夾芯復(fù)合材料混合連接結(jié)構(gòu)，包括分散填充芯材(上層建筑主體芯材和連接區(qū)芯材)、l形金屬板，以及按照由內(nèi)至外的順序覆蓋在分散填充芯材和l形金屬板端面的膠層以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮；所述l形金屬板的一端預(yù)埋入所述分散填充芯材的內(nèi)部，另一端伸出與所述膠層及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮雙搭接，并與金屬甲板進(jìn)行傳統(tǒng)方式的連接；所述膠層及復(fù)合材料蒙皮向上延伸并覆蓋至夾芯復(fù)合材料上層建筑的主體芯材的內(nèi)外端面。機(jī)械連接螺栓以雙排或多排形式固定于l形金屬板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮的雙搭接區(qū)域。

其進(jìn)一步技術(shù)方案在于：

所述復(fù)合材料蒙皮采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，所述纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中的纖維形式可以采用單向織物、平面織物和其他三向織物；

所述纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為預(yù)浸基體樹脂的纖維或未浸基體樹脂的纖維中的任意一種，上述纖維選自碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維或以上三種纖維中的任意一種；

所述分散輕量化填充芯材可以為輕木芯材(balsawood)、聚氯乙烯(pvc)泡沫、丙烯睛-苯乙烯(san)、泡沫聚氨酷(pu泡沫)和聚甲基丙烯酸亞胺(pmi)泡沫芯材材料中的任意一種；

所述膠層的材料為乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種；

所述纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的基體樹脂選自乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種；

所述預(yù)浸基體樹脂為乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種；

所述機(jī)械連接螺栓選自普通的船用金屬螺栓。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)可靠、連接強(qiáng)度高、制造簡單和裝配方便，本發(fā)明采用真空輔助成型工藝與夾芯復(fù)合材料上層建筑一體化成型，避免二次連接帶來的強(qiáng)度降低和工藝不穩(wěn)定等問題，大大提高了不同材料連接結(jié)構(gòu)的一致性及可靠性；將l形金屬板預(yù)埋到復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，使得復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)可以直接與金屬甲板進(jìn)行焊接或機(jī)械連接，克服船舶常用熱固性樹脂基復(fù)合材料無法直接與金屬板材有效連接的問題，簡化了制造工藝，有助于實船建造；在金屬板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮的雙搭接區(qū)域進(jìn)行螺栓連接，對弱承載的膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次加強(qiáng)，提高了連接結(jié)構(gòu)在的面內(nèi)、面外多種載荷作用下的整體強(qiáng)度。本發(fā)明通過將l形金屬板的一端預(yù)埋入分散填充芯材內(nèi)部，避免了在連接區(qū)薄弱位置進(jìn)行復(fù)合材料芯材與金屬板的材料突變，同時l形金屬板能有效保護(hù)過渡區(qū)芯材，緩解應(yīng)力集中，延緩初始失效。此外l形金屬板與復(fù)合材料上層建筑的主體芯材接觸面積較大，有助于受力截面的應(yīng)力疏散，因而本發(fā)明既能有效提高多材料混合結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度，又大大提高了混合連接結(jié)構(gòu)的在承受面外載荷時的抗彎性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的具體實施方式。

如圖1所示，船用金屬與夾芯復(fù)合材料混合連接結(jié)構(gòu)包括輕量化芯材2、金屬板5，以及按照由內(nèi)至外順序覆蓋在分散輕量化芯材2、金屬板5端面的膠層1及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3；該輕量化芯材還可稱為填充芯材；所述金屬板5呈l形，該l形金屬板的一端預(yù)埋入所述輕量化輕量化芯材2的內(nèi)部，另一端伸出所述膠層1及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3并與金屬甲板6連接；所述膠層1及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3向上延伸并覆蓋至復(fù)合材料上層建筑主體芯材2-1的內(nèi)外端面。該輕量化芯材2和l形金屬板5一起構(gòu)成混合連接結(jié)構(gòu)的中間部，該混合連接結(jié)構(gòu)的兩側(cè)部均由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3形成，該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3和輕量化芯材2之間通過樹脂膠層1粘接固定，該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3和l形金屬板5之間通過樹脂膠層1粘接固定；該機(jī)械連接螺栓4將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3、l形金屬板5和樹脂膠層1固定在一起。上述主體芯材2-1及覆蓋在主體芯材2-1端面的復(fù)合材料蒙皮3，膠層1構(gòu)成了船舶上層建筑的夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。上述分散輕量化輕量化芯材2、金屬板5，以及覆蓋在分散輕量化輕量化芯材2、金屬板5兩端面的膠層1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3及機(jī)械連接螺栓4構(gòu)成了混合連接結(jié)構(gòu)。金屬板5伸出膠層1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3的部分直接與金屬甲板6進(jìn)行固定相連，比如焊接連接或其他金屬間的連接，并需要預(yù)留足夠的長度，防止不耐高溫的熱固性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及膠層在焊接時受損或融化，影響復(fù)合材料混合連接結(jié)構(gòu)。

上述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮3采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中的纖維形式可以采用單向織物、平面織物和其他三向織物。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為預(yù)浸基體樹脂的纖維或未浸基體樹脂的纖維中的任意一種，上述纖維選自碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維或以上三種纖維中的任意一種。所述預(yù)浸基體樹脂選自不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂中的任意一種。

上述分散的輕量化芯材2為輕木芯材(balsawood)、聚氯乙烯(pvc)泡沫、丙烯睛-苯乙烯(san)、泡沫聚氨酷(pu泡沫)和聚甲基丙烯酸亞胺(pmi)泡沫芯材材料中的任意一種。膠層1為乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的基體樹脂選自乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種。

根據(jù)實際生產(chǎn)及制造需要，上述分散輕量化輕量化芯材2中主體芯材可以與連接區(qū)芯材相同，也可以不相同。對于本發(fā)明連接結(jié)構(gòu)的制造可以采用復(fù)合材料真空輔助成型工藝。

以上描述是對本發(fā)明的解釋，不是對發(fā)明的限定，本發(fā)明所限定的范圍參見權(quán)利要求，在不違背本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)的情況下，本發(fā)明可以作任何形式的修改。