復(fù)合材料擋水板設(shè)計(jì)及安裝工藝研究

宋金明，張曉東，吳 梵

(1.海軍舟山監(jiān)修室，浙江舟山 316000;2.海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

復(fù)合材料擋水板設(shè)計(jì)及安裝工藝研究

宋金明1，張曉東2，吳 梵2

(1.海軍舟山監(jiān)修室，浙江舟山 316000;2.海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

針對(duì)原鋼質(zhì)矩形擋水板，提出一種新型復(fù)合材料擋水板結(jié)構(gòu)形式，徹底解決了原鋼質(zhì)擋水板滲水腐蝕的難題。文中對(duì)復(fù)合材料擋水板的材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度剛度計(jì)算以及安裝工藝等內(nèi)容進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:復(fù)合材料擋水板強(qiáng)度剛度滿(mǎn)足使用要求;安裝工藝簡(jiǎn)單易行，水密效果好。

復(fù)合材料;擋水板;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);安裝工藝

某船上甲板擋水板有扁鋼形和矩形2種 (圖1)，扁鋼形主要布置在有甲板舾裝件處，其余部位為矩形擋水板。矩形擋水板的主要作用是防止水從上甲板邊緣流至干弦，因此需要良好的密封性;其次是要承受人員踐踏、波浪抨擊、舷梯的側(cè)壓力等，因此需要一定的強(qiáng)度與剛度。傳統(tǒng)的矩形擋水板由方木和鋼質(zhì)槽形罩殼組成，其連接形式為:方木與上甲板通過(guò)螺栓連接，鋼質(zhì)罩殼與方木用螺釘固定，再與上甲板之間通過(guò)膏灰和膠密封，如圖2所示。這種擋水板的缺點(diǎn)是鋼質(zhì)罩殼易腐蝕，木質(zhì)芯材易吸水，當(dāng)罩殼與上甲板的密封被破壞后，擋水板會(huì)在內(nèi)部積水腐蝕，致使鋼質(zhì)罩殼滲水甚至爛穿，如圖3所示。往往在完成等級(jí)修理后不久，鋼質(zhì)罩殼就出現(xiàn)滲水，失去擋水作用，而且鋼鐵的腐蝕的銹水流到干弦，污染船體外表。因此，如何在確保擋水板強(qiáng)度、剛度，且有效控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量、滿(mǎn)足制造安裝工藝要求的前提下，提出一種能有效解決原擋水板滲水腐蝕問(wèn)題的材料與結(jié)構(gòu)形式，是一個(gè)急需解決的難題。

圖1 上甲板擋水板結(jié)構(gòu)圖

圖2 原擋水板結(jié)構(gòu)及其連接示意圖

圖3 矩形擋水板處上甲板受到腐蝕圖

要想解決原鋼質(zhì)矩形擋水板滲水、腐蝕的難題，最根本的方法是放棄傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，采用全新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、低磁性、透聲性?xún)?yōu)異、吸收振動(dòng)和沖擊的能力強(qiáng)、耐腐蝕及抗海洋生物侵蝕等眾多優(yōu)良性能，并且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型方便、可維修性能優(yōu)異，在保證材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的條件下，可通過(guò)合理的材料復(fù)合和結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能特性的兼容［1］。目前，復(fù)合材料在船體結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用［2］，法國(guó)生產(chǎn)的“拉菲特”級(jí)艦上層建筑后半部包括機(jī)庫(kù)主要采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾層板，其巨大的機(jī)庫(kù)只有85 t。美國(guó)“阿利·伯克”改進(jìn)型，追加了后部復(fù)合材料直升機(jī)機(jī)庫(kù)，美國(guó)海軍的萬(wàn)噸級(jí)DDX戰(zhàn)斗艦，采用隱身-承載功能復(fù)合材料的上層建筑。

本文在基本不改變?cè)匦螕跛宓耐庑纬叽绲那疤嵯?，提出一種具有耐腐蝕、水密性好、連接強(qiáng)度高、易安裝維修等優(yōu)異性能的新型復(fù)合材料擋水板結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其強(qiáng)度剛度和安裝工藝進(jìn)行分析，以徹底解決原擋水板滲水腐蝕問(wèn)題。

1 復(fù)合材料擋水板方案設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合材料擋水板材料選型研究

在設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料擋水板時(shí)，對(duì)樹(shù)脂基體與增強(qiáng)纖維的選擇與研究十分重要。樹(shù)脂基體的作用是賦予復(fù)合材料的整體性，起著傳遞載荷和均衡的作用，而增強(qiáng)纖維為主承載材料，承受大部分的載荷作用［3］。樹(shù)脂選材時(shí)，要求黏度合適，固化時(shí)間適宜，物理性能較好;增強(qiáng)材料選材時(shí)，要求布浸潤(rùn)性好，機(jī)械強(qiáng)度高，鋪覆性好，質(zhì)量均勻性好?？紤]到擋水板位于上甲板的四周，處于溫度波動(dòng)、陽(yáng)光暴曬、鹽霧腐蝕［4］、海水浸泡等惡劣復(fù)雜環(huán)境中。因此，復(fù)合材料擋水板材料應(yīng)滿(mǎn)足適用溫度為-30～65℃，具有阻燃性，耐腐蝕和老化的使用環(huán)境要求［5］。

綜合分析各類(lèi)樹(shù)脂的基本性能，首先應(yīng)考慮選用具有能室溫固化、常壓成型的不飽和聚酯樹(shù)脂，以滿(mǎn)足成型工藝要求。在以上要求的基礎(chǔ)上，作者分別針對(duì) MFE-2、3200、3201、430LV、905-2等樹(shù)脂體系展開(kāi)性能比較研究。研究結(jié)果表明:905-2樹(shù)脂具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，適中的彈性模量和較大的延伸率，作為復(fù)合材料樹(shù)脂基體十分有利。同時(shí)，905-2型改性乙烯基酯樹(shù)脂，可以常溫固化成型，對(duì)增強(qiáng)纖維有較好的浸潤(rùn)性，并具有阻燃性，而且國(guó)產(chǎn)價(jià)格較為便宜，所以采用905-2樹(shù)脂作為混雜復(fù)合材料的樹(shù)脂基體。

為保證纖維織物對(duì)樹(shù)脂基體的良好浸潤(rùn)性，確保產(chǎn)品的工藝性能和質(zhì)量，對(duì)于所選擇的纖維織物在常溫下應(yīng)該能被905-2樹(shù)脂體系浸潤(rùn)，且力學(xué)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，SW220高強(qiáng)玻纖布或無(wú)堿多軸向玻纖布能較好地滿(mǎn)足以上要求。經(jīng)過(guò)從材料性能、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性和維修性等方面綜合論證比較，最終選定905-2樹(shù)脂/無(wú)堿多軸向玻纖布作為復(fù)合材料擋水板的主要材料。

1.2 復(fù)合材料擋水板結(jié)構(gòu)形式和連接方法研究

復(fù)合材料矩形擋水板結(jié)構(gòu)采用全新結(jié)構(gòu)與連接形式，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示，從外到內(nèi)依次由高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩殼、PVC硬質(zhì)泡沫芯材、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料套管、不銹鋼連接塊和沉頭螺釘組成。復(fù)合材料罩殼將PVC芯材全包覆，二者作為整體在中間開(kāi)圓孔，用于嵌入纖維增強(qiáng)復(fù)合材料套管，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料套管與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩殼形成一個(gè)全封閉式的整體，不僅可以保證開(kāi)孔處的強(qiáng)度，還能有效防止水滲入其內(nèi)部。復(fù)合材料套管下端孔徑大，可套住圓柱形連接塊，上端孔徑小，用于套住沉頭螺釘，連接塊上開(kāi)有與螺釘大小相應(yīng)的盲孔并攻絲，以便沉頭螺釘可以擰緊并壓實(shí)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩殼。復(fù)合材料矩形擋水板在確保原擋水板強(qiáng)度、剛度，且有效控制結(jié)構(gòu)重量的前提下，可有效克服原矩形擋水板滲水腐蝕的難題，并提供比原擋水板更優(yōu)異的綜合性能。復(fù)合材料擋水板的長(zhǎng)度可根據(jù)需求確定，能預(yù)制成1 m和2 m長(zhǎng)的規(guī)格件或根據(jù)艦船的實(shí)際需求確定規(guī)格，以便批量生產(chǎn)。

圖4 復(fù)合材料擋水板結(jié)構(gòu)示意圖

2 復(fù)合材料擋水板強(qiáng)度和剛度計(jì)算分析

復(fù)合材料擋水板安裝在上甲板邊緣，在艦艇航行時(shí)可能會(huì)受到波浪的沖擊，靠碼頭時(shí)可能會(huì)受到艦員的踩踏或重物的壓力，針對(duì)這2種情況，設(shè)計(jì)了2種載荷工況，采用有限元方法對(duì)擋水板的靜強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。

2.1 有限元模型

復(fù)合材料擋水板結(jié)構(gòu)各部分均采用三維實(shí)體單元建模，建模時(shí)采用mm-kg-kPa單位制，其材料參數(shù)見(jiàn)表1和表2。有限元模型的邊界條件:底面施加簡(jiǎn)支約束，底面螺釘連接處施加固支約束。

計(jì)算載荷工況取以下2種。

工況一 (正壓):模擬艦員單腳正踏在擋水板上的情形。假設(shè)艦員的體重為120 kg，腳掌寬度為10 cm，腳掌方向與擋水板長(zhǎng)度方向垂直，通過(guò)計(jì)算，其作用于擋水板上的壓力為392 kPa。

工況二 (側(cè)壓):模擬波浪側(cè)向沖擊擋水板的情形。在復(fù)合材料擋水板一側(cè)施加50 kPa均勻分布的壓力，其方向沿著作用面的法線方向向內(nèi)。

將所得的青錢(qián)柳老葉與嫩葉的轉(zhuǎn)錄組 Unigene 片段進(jìn)行基因功能分類(lèi)，并比較了老葉與嫩葉KEGG代謝途徑中差異表達(dá)unigenes數(shù)，研究結(jié)果顯示，在青錢(qián)柳不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的葉片中，基因表達(dá)上調(diào)占主異作用的過(guò)程主要涉及萜類(lèi)和多肽的代謝、輔酶和維生素的代謝和氨基酸代謝，而基因表達(dá)下調(diào)占主異作用的過(guò)程主要涉及信號(hào)傳輸、類(lèi)脂物代謝與能量代謝.該研究結(jié)果為今后采取基因調(diào)控手段提高萜類(lèi)、多肽、維生素的產(chǎn)量以及控制類(lèi)脂物代謝與能量代謝過(guò)程提供了參考.

2種工況下的載荷施加見(jiàn)圖5。

表1 玻璃鋼材料參數(shù)

表2 PVC泡沫材料參數(shù)

圖5 載荷工況示意圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 變形分析

復(fù)合材料擋水板在工況一載荷作用下的位移場(chǎng)分布如圖6(a)所示，在工況二載荷作用下的位移場(chǎng)分布如圖6(b)所示。

圖6 擋水板位移場(chǎng)分布示意圖

由圖6可知，復(fù)合材料擋水板在工況一載荷下的最大變形量為0.025 mm，在工況二載荷下的最大變形量為0.037 mm，這表明在艦員踩踏或者波浪沖擊載荷作用下復(fù)合材料擋水板的變形很小可以忽略，復(fù)合材料擋水板的剛度滿(mǎn)足要求。

2.2.2 應(yīng)力分析

復(fù)合材料擋水板在工況一載荷作用下的應(yīng)力分布如圖7(a)所示，在工況二載荷作用下的應(yīng)力分布如圖7(b)所示。

由圖7可知，復(fù)合材料擋水板在工況一載荷下的最大應(yīng)力為5.51 MPa，在工況二載荷下的最大應(yīng)力為3.30 MPa。應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力，表明在這兩種工況載荷作用下，復(fù)合材料擋水板強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖7 擋水板應(yīng)力分布圖

3 擋水板安裝工藝研究

由于采用了新的連接形式，為了保證復(fù)合材料擋水板精確安裝并達(dá)到擋水要求，需要制定合適的安裝工藝，經(jīng)研究可采用如下安裝順序和工藝。

2)清潔安裝部位。對(duì)安裝或粘接復(fù)合材料擋水板部位，包括與其連接的扁鋼表層處進(jìn)行表層打磨和丙酮清洗，確保其無(wú)明顯水、油、銹等臟物。

3)定位與預(yù)安裝。將各復(fù)合材料擋水板于對(duì)應(yīng)位置試裝、定位，確定好各鋼質(zhì)連接塊的位置，再將鋼質(zhì)連接塊點(diǎn)焊，初步固定后，再將復(fù)合材料擋水板試裝，確保無(wú)誤后，再將鋼質(zhì)連接塊焊牢。

4)安裝。鋼質(zhì)連接塊焊牢后，用環(huán)氧柔性強(qiáng)力膩?zhàn)幽z均勻涂敷于安裝擋水板甲板處，再將擋水板置于粘接處，并采用M12×90的沉頭螺釘帶環(huán)氧柔性強(qiáng)力膩?zhàn)幽z與鋼質(zhì)連接塊固定壓緊，擠出粘接面處多余膠液。同時(shí)對(duì)于復(fù)合材料擋水板與扁鋼等處的縫隙用環(huán)氧柔性強(qiáng)力膩?zhàn)幽z填充滿(mǎn) (較小縫隙直接用膩?zhàn)幽z填充，較大縫隙填充玻璃鋼塊，并用膩?zhàn)幽z粘接好)。

5)表面修整。復(fù)合材料擋水板安裝完成后，應(yīng)對(duì)其表面打磨修整光順并涂好油漆。

按上述安裝工藝對(duì)復(fù)合材料擋水板進(jìn)行模擬安裝，并進(jìn)行了水密性試驗(yàn)，如圖8所示，結(jié)果表明上述安裝工藝合理可行，安裝牢固，水密性好。

圖8 模擬安裝圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為徹底解決鋼質(zhì)矩形擋水板滲水腐蝕的問(wèn)題，提出了一種新型復(fù)合材料擋水板結(jié)構(gòu)，并對(duì)其材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度剛度計(jì)算分析、安裝工藝進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下:①采用無(wú)堿玻璃鋼包覆PVC硬質(zhì)泡沫的結(jié)構(gòu)型式，技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性好;②所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料擋水板能承受人員的踩踏和0.05 MPa的靜水壓力，強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足使用要求;③所制定的復(fù)合材料擋水板安裝工藝簡(jiǎn)單易行，安裝牢固，水密性較好。

［1］沈觀林，胡更開(kāi).復(fù)合材料力學(xué) ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］Mouritz A P，Gellert E，Burchill P，et al.Review of Advanced Composite Structures for Naval Ships and Submarines ［J］.Composite Structrues，2001，53(1):21-42.

［3］劉雄亞，謝懷勤.復(fù)合材料工藝及設(shè)備 ［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，1994.

［4］劉建華，趙亮，李松梅.鹽霧環(huán)境對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24(3):18-22.

［5］胡安妮.載荷和惡劣環(huán)境下FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

Based on original steel water baffle，a new composite water baffle structure is presented to solve the seepage and erosion problems completely.In this paper，material selection，structural design，strength and stiffness calculation and installation technique for the composite water baffle were studied.The result shows that the strength and stiffness of the composite water baffle meet the requirements，the installation technique is simple and the water tightness effect is satisfied.

composite material;water baffle;structural design;installation technique

U668

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.011

宋金明 (1965-)，男，山東膠南人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事船舶修理工作。

2015-04-20