玻璃鋼欄桿設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

鐘玉湘，陸浩華

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064)

鋼質(zhì)欄桿易受海水、日照、風(fēng)浪等的自然侵蝕，容易出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕情況，并且隱身艦船對(duì)欄桿等露天設(shè)備有一定的隱身要求，因而有必要考慮采用復(fù)合材料對(duì)欄桿進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)研究，以提高欄桿的隱身、抗腐蝕能力。由于艦船上欄桿等露天設(shè)備存在使用環(huán)境惡劣，受到風(fēng)、浪等多種載荷作用，以及人員安全性的問(wèn)題，要求所用的材料不但要滿足輕質(zhì)的要求，更應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能，以承受各種載荷。玻璃鋼復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在雷達(dá)波方面具有良好的隱身性能，還具備無(wú)磁、抗沖擊、抗腐蝕等優(yōu)良特性，已廣泛應(yīng)用于艦船、航空航天、化工、能源等領(lǐng)域，因而是一種理想的代替材料［1-4］。

1 固定式鋼質(zhì)欄桿結(jié)構(gòu)分析

固定式鋼質(zhì)欄桿主要由欄桿柱、扶手和橫檔組成［5-6］，具體參數(shù)見(jiàn)表1，總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 固定式鋼質(zhì)欄桿組成和參數(shù)

2 玻璃鋼復(fù)合材料性能分析

圖1 固定式鋼管欄桿的總體結(jié)構(gòu)示意

對(duì)于欄桿這種露天舾裝件來(lái)說(shuō)，重量并不是影響其使用的主要因素，其改進(jìn)主要著眼于提高艦船的隱身性和耐腐蝕能力。由于玻璃鋼在雷達(dá)波隱身方面具有良好的效果，且對(duì)欄桿來(lái)說(shuō)，其對(duì)強(qiáng)度、剛度的要求也較低，采用玻璃鋼是理想的選擇。復(fù)合材料與鋼材的性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合材料與鋼材材料性能對(duì)比表

縱觀已有的樹(shù)脂基體性能及適應(yīng)性，選用不飽和聚酯樹(shù)脂作為固定式欄桿用復(fù)合材料的樹(shù)脂基體。擬選用E玻璃纖維作為本項(xiàng)目的增強(qiáng)材料。采用E玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料拉擠成型試板，性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 拉擠成型玻璃鋼復(fù)合材料和冷20鋼力學(xué)性能比較

通過(guò)上述選材分析和材料性能試驗(yàn)，選用E玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料制作固定式欄桿，可滿足固定式欄桿耐海洋環(huán)境、適中模量和低成本的要求。

3 欄桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 等代設(shè)計(jì)法

一般說(shuō)來(lái)，玻璃鋼復(fù)合材料強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)明顯而剛度優(yōu)勢(shì)相對(duì)較弱，因而在剛度滿足要求時(shí)，強(qiáng)度也會(huì)滿足要求。因此，在設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用等代設(shè)計(jì)法進(jìn)行等剛度設(shè)計(jì)。等代設(shè)計(jì)法是工程上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較常使用的另一種方法。相對(duì)于一般設(shè)計(jì)法，利用等代法設(shè)計(jì)時(shí)有其它材料的相同零部件作為參照對(duì)比。采用等代法設(shè)計(jì)時(shí)，保持原設(shè)計(jì)約束不變，在考慮復(fù)合材料的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合材料構(gòu)件替換原其它材料構(gòu)件，允許改變部分構(gòu)件的形狀和厚度，甚至增加或者減少構(gòu)件。這種方法特別適用于采用復(fù)合材料對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、改型和輕量化設(shè)計(jì)等情形。采用這種方法設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)，通常按等剛度原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，再作強(qiáng)度校核。

3.2 固定式欄桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用擠拉成型工藝成型玻璃鋼欄桿的欄桿柱、扶手和橫檔，并采用粘接工藝制作船用固定式復(fù)合材料欄桿，以實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)樹(shù)脂基復(fù)合材料在波段80～500 MHz，透波率≥97%，通過(guò)采用樹(shù)脂基復(fù)合材料可顯著降低欄桿的信號(hào)反射率，提高艦船的隱身性能。

2)樹(shù)脂基復(fù)合材料強(qiáng)度優(yōu)于冷20鋼，密度為冷20鋼的1/4，采用樹(shù)脂基復(fù)合材料制作欄桿可有效降低艦船舾裝件的總體重量。

3)樹(shù)脂基復(fù)合材料耐腐蝕，維護(hù)方便，通過(guò)采用樹(shù)脂基復(fù)合材料制作欄桿可大幅度降低其全壽命成本費(fèi)用。

采用玻璃鋼替代鋼質(zhì)欄桿首先要滿足等強(qiáng)度替代(兼顧剛度)，其次要解決可靠連接的問(wèn)題。由表3可見(jiàn)，拉擠成型玻璃鋼復(fù)合材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于20號(hào)鋼，替代冷20號(hào)鋼不存在問(wèn)題。但拉擠成型玻璃鋼復(fù)合材料模量低于20號(hào)鋼，因此需要對(duì)其增厚補(bǔ)強(qiáng)。玻璃鋼欄桿和鋼質(zhì)欄桿材料剛度模擬計(jì)算見(jiàn)表4。

依據(jù)欄桿較細(xì)外徑、較輕重量和適中模量的使用工況和邊界條件，并結(jié)合模擬計(jì)算，最終確定欄桿的玻璃鋼管尺寸，見(jiàn)表5。

依據(jù)玻璃鋼欄桿的使用工況和邊界條件，并結(jié)合仿真計(jì)算，最終確定玻璃鋼欄桿的結(jié)構(gòu)尺寸。

表4 玻璃鋼欄桿和鋼質(zhì)欄桿材料剛度模擬計(jì)算表

表5 玻璃鋼欄桿的尺寸

3.3 固定式欄桿制作

玻璃鋼欄桿制作主要包括欄桿柱、扶手和橫檔的拉擠成型和連接件的制作兩部分。

1)玻璃鋼欄桿的欄桿柱、扶手和橫檔的制作。采用拉擠成型工藝成型。

2)連接件制作。連接件制作包括欄桿柱和扶手桿連接件制作、欄桿柱和底座連接件制作和欄桿彎頭連接件制作三部分，均采用Q235號(hào)鋼制作，可滿足玻璃鋼固定式欄桿的使用要求。

3)固定式欄桿裝配。欄桿與甲板的連接及結(jié)構(gòu)之間的連接，均采用專用底座及連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并均采用粘接的方式。①扶手和欄桿柱通過(guò)粘接的方式進(jìn)行連接;②橫檔和欄桿柱通過(guò)粘接的方式進(jìn)行連接;③欄桿柱和底座通過(guò)粘接的方式進(jìn)行連接;④欄桿彎頭連接通過(guò)粘接的方式進(jìn)行連接。

3.4 固定式欄桿仿真分析

1)建模。借助有限元軟件進(jìn)行輔助計(jì)算分析，建立的固定式欄桿有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 固定式欄桿模型

約束條件為桿底部全約束，載荷為上欄桿中間施加一集中載荷( 因?yàn)闄跅U所受外載主要為風(fēng)載及外加側(cè)向推力等，可等效為中部承受-集中載荷)。

2)計(jì)算結(jié)果。

①垂向集中載荷。載荷為100 N時(shí)，鋼質(zhì)欄桿最大變形為0.31 mm，玻璃鋼欄桿最大變形為1.1 mm。

②水平向集中載荷。載荷為100 N時(shí)，鋼質(zhì)欄桿最大變形為2.3 mm，玻璃鋼欄桿最大變形為8.2 mm。

玻璃鋼欄桿剛度約為鋼質(zhì)欄桿的1/3左右。

4 結(jié)論

以E玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料制作固定式欄桿，可滿足固定式欄桿耐海洋環(huán)境、適中模量和低成本的要求。

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