淺析蜂窩夾層結構復合材料在艦船中的應用

郭哲璐，陳倩清，劉在良

（浙江國際海運職業技術學院 浙江 舟山 316021）

1 引言

蜂窩夾層結構屬于復合材料的一種，具有相對密度小、強度大等優點[1]。從上個世紀五十年代開始，該結構最早被航空航天行業采用，然后逐漸地應用于賽車、建筑、包裝、體育用品等各行各業[1]。然而由于制造工藝復雜、制造成本相對較高以及吸水性問題難以解決等原因，在船舶領域中的應用并不普遍[2]，主要以預算較高的軍用艦船為主，民用船舶中應用較少，且主要局限于煙囪、駕駛艙等上層建筑。

近年來隨著世界各國對新材料研發的不斷投入，各大技術難題被不斷被攻克，蜂窩夾層結構在船舶領域中的廣泛應用將是必然趨勢。

2 蜂窩夾層結構概述

蜂窩夾層結構是由一個密度較小的蜂窩芯層（一般為正六邊形）和兩塊較薄的實心面板通過膠接或焊接的方法制作而成（見圖1）。在軸向力的作用下，蜂窩面板主要承受拉伸和彎曲載荷，而蜂窩芯可以承受絕大部分的剪切載荷。正是由于這種高效的承受載荷方式，使蜂窩夾層板的力學性能大大提升。表1給出了相同質量情況下，實心板和蜂窩夾層板的在剛度和強度上的對比數據（由美國著名蜂窩材料制造商Hexcel公司提供）。從表1中的數據可知，相比于等質量的實心板，蜂窩夾層結構具有更高的強度和剛度，而且蜂窩芯層越厚，力學性能越好。

表1 兩種結構力學性能數據對比[3]

圖1 蜂窩夾層結構示意圖

3 蜂窩夾層結構性能分析

蜂窩夾層結構不僅相對強度和相對剛度比較大，同時還具有如下五個性能特點：（1）密度小：由于蜂窩芯層是由許多相互毗連的空心蜂窩單元組成，其實體蜂窩壁的所占體積較小，因此蜂窩夾層結構的密度也比較小。（2）良好的平整度和剛性：蜂窩夾層結構在受外力作用時，由于每個蜂窩單元周圍存在六個蜂窩單元相互牽制和作用，使其受載能力更強，因此蜂窩夾層結構具有較好的平整性和剛性，即使受到很大的面外載荷，也能在一定范圍內防止該結構因發生較大變形而破壞和失效。（3）較強的減震性能：由于蜂窩芯層中存在大量充滿空氣的密閉空間，當其受到振動沖擊時，蜂窩單元內部會產生很多內耗，可以實現一定程度的緩沖作用，從而化解振動產生的能量。（4）疲勞性能好：由于蜂窩夾層板是由蜂窩芯層和上下面板經過焊接或膠接的方法制作而成，因此和一般的鉚接結構相比，應力集中更小，長期工作下的疲勞損傷更小，從而使蜂窩結構的抗疲勞性能顯著提升。（5）優越的隔音、隔熱性能：蜂窩夾層結構中實體部分為蜂窩壁，只占總體積的百分之二左右，其余均是密閉空間，里面充滿大量的空氣。眾所周知，相比于固體介質，空氣在隔音、隔熱方面表現更為出色。由于以空氣作為介質，聲波和熱量在傳遞過程中均受到一定程度限制，從而大大提高了該結構的隔音和隔熱性能。

4 蜂窩夾層結構在船舶領域中的應用現狀

由于蜂窩夾層結構具有密度小、剛性好、減震性和抗疲勞性好等優點，該結構被廣泛應用于航空航天、汽車、包裝、體育用品等各行各業。然而由于制造工藝、成本等因素限制，在船舶領域中的應用并不十分普遍，主要以預算較高的軍用艦船為主，民用船舶中常見于對快速性要求較高的船舶中。

4.1 蜂窩夾層結構在軍用船舶中的應用

蜂窩夾層結構最早被美國海軍采用，用于軍艦的甲板上，可以減小軍艦空船重量，提升軍艦機動性、快速性以及抗沖擊性能。通過在DD（X）和DDG-51型驅逐艦（如圖2所示）上的大量應用，發現使用激光技術進行焊接的鋼質蜂窩夾層結構進行艦船的設計能夠減小空船重量30%-50%[4]，這對于提升艦船作戰能力具有非常大的幫助。這一成果在世界海軍界反響巨大，并迅速引起各國海軍的重視，英國、印度、澳大利亞等各國海軍相繼投入大量人力和物力進行蜂窩夾層結構的研究。相關資料[5]顯示，英國海軍研發部正在積極開展一個關于固體材料力學的研究項目，目的就是為新型結構在軍艦中的應用提供理論依據。據悉，該項目的重點研究對象之一正是蜂窩夾層結構。

圖2 美國DDG-51型驅逐艦

蜂窩夾層結構不僅可以減輕空船重量、提高艦船機動性和抗沖擊性能，還能大幅提升艦船的抗腐蝕性能和“隱身”能力。從上世紀八十年代開始，瑞典皇家海軍逐步將蜂窩結構應用于當時最新的水面艦艇上，他們將石墨/環氧材料制成的新型蜂窩夾層結構用于艦艇的船體外板上。應用效果顯示，新型的船體外板更難被腐蝕，而且更不容易被雷達掃描發現[6]。近年來，各國海軍還將蜂窩夾層材料用于水面艦艇的甲板室，艙壁和飛機頂棚等上層建筑，用于提升艦艇各方面的綜合性能。

4.2 蜂窩夾層結構在民用船舶中的應用

圖3 芬蘭Finnyard船廠建造的Stena號HSS

進入新世紀以來，由于蜂窩夾層結構在軍用艦艇中應用效果良好，該結構也逐漸地被民用船舶所采用。由芬蘭造船廠Finnyard建造的Stena號HHS（高速海洋服務船）（見圖3），其球鼻艏、甲板室及內部的家具、樓梯等大部分上層建筑均采用蜂窩夾層結構制造。意大利Fincantieri造船廠將蜂窩夾層結構應用于高速客運渡船的煙囪上，相比于同尺寸的不銹鋼制煙囪，重量減少50%，并節省了20%的費用[7]。美國Bennington,VT Fothergill公司設計并建造的一艘動力賽艇，其駕駛室所采用的就是用多種纖維增強材料制造而成的蜂窩夾層結構。在某次大型比賽中，該款賽艇發生嚴重的碰撞事故，然而駕駛室內的3名選手均存活下來，從而證明該結構優越的抗沖擊性能。

除了以上應用外，蜂窩結構在民船上還存在許多應用實例，通過總結將其具體應用情況歸納如表2所示。

表2 蜂窩夾層結構在民船中的應用實例

5 結語

本文首先介紹了蜂窩夾層結構的構成情況；然后通過對其結構的定性分析表明：蜂窩夾層結構具有密度小、強度剛度大、減震性好、抗疲勞、隔音隔熱性優越等五大性能特點；最后從軍事和民用兩個方面總結了蜂窩夾層結構在船舶領域中的應用情況，通過大量實例表明：（1）蜂窩夾層結構在軍用艦船中應用非常普遍，在船身、甲板、上層建筑等結構中均有一定應用，用以提高艦船的機動性、抗沖擊性、耐腐蝕性和隱蔽性。（2）在民用船舶中的應用才剛剛起步，主要應用于動力賽艇、游艇、高速客船等對快速性要求較高的船舶中，且應用部位主要局限于上層建筑。（3）由于出色的綜合性能表現，蜂窩夾層結構擁有非常光明的應用前景。隨著制作工藝逐漸成熟、制作成本不斷降低，蜂窩夾層結構將在更多的船舶中廣泛應用。