第 五 届 创 新 复 合 材 料 应 用 高 峰 论 坛

— — 纤 维 增 强 材 料 在 船 舶 游 艇 及 体 育 休 闲 用 品 中 的 应 用

• 哈尔滨工业大学（威海）

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边文凤

船舶中纤维增强复合材料的

应用和结构设计

1.问题的提出

2.发展现状

3. 结构设计的任务

4.结构计算设计方法

5. 典型案例

6.哈工大（威海）复合材料研究简介

船舶中纤维增强复合材料的 应用和结构设计

报告内容

复合材料概念简介

复合材料：由两种或两种以上的单一材料， 用物理或化学方法 经人工复合而成的一种多相固体材料。

1．粒子增强复合材料

2．薄片增强复合材料

3．纤维增强复合材料——FRP

由增强纤维和基体组成。

玻璃钢:玻纤增强树脂——GFRP，只是复合材料的一种。

复合材料：可以实现“材料、结构、功能、建造工艺”

一体化优化设计，整体结构连接少，可靠性高等

宋健、周济、潘云鹤、唐启升等27位院士，对我国海

洋渔业调研后，于2012年9月中旬提交报告给国务院。

指出：我国渔船的总体装备技术水平还停留在上世纪

90年代初的水平，船型杂乱、装备落后、能耗较高、渔船

老化等问题十分突出。

建议：把海洋渔业提升为战略产业和加快推进渔业装

备升级更新。

1. 问题的提出

我国拥有18000公里的大陆海岸线，面积大于500平方米

的岛屿有6500多个，海洋资源种类繁多，海洋生物、石

油天然气、固体矿产、可再生能源、滨海旅游等资源丰

富，开发潜力巨大

游艇：我国沿海发达地区有20多个城市人均GDP已达8000

美元以上，已超过5000-6000美元的游艇快速增长的临界点；

我国富豪人数位居世界第四，奢侈品消费排名全球第二，充

分具备消费游艇的经济条件。

1. 问题的提出

（1）开发利用海洋资源的需要

在船舶中应用纤维增强复合材料，有如下优点：

1. 问题的提出

（2）节能、减排、环保的需要

（3）提高效率、降低成本的需要。

船壳重量轻 保护森林资源、无锈蚀污染、低噪音

航速快、有效载荷大 维修成本低、使用寿命长

（4）运营安全的需要 整船起浮性好、稳性好、无磁

海洋！是新一轮发展的起点

（1）、美国近海渔船全为玻璃钢制造；

（2）、日、俄、英、法、德等国，玻璃钢渔船占渔船总数90%；

（3）、我国台湾，40米以下渔船90%采用复合材料建造；

（4）、我国大陆，玻璃钢渔船占渔船总量不足万分之一。

2. 国内外复合材料（玻璃钢）的发展现状

渔船

游艇 全球每年交付的大型游艇有100多艘， 24米以上的游艇450艘以上；

全国有320多家高档船艇生产企业， 出口近百万艘游艇到126个国家和地区。

军船：巡逻艇、反水雷舰艇、护卫舰等

瑞典 (Visby Class Corvette),72.5m全复合材料 美国海军(M80 Stiletto)，18m，碳纤维

复合材料舰艇：轻、快、稳，有效载荷大；隐身——无磁、降噪、 消波、透波；抗冲击、耐腐蚀，寿命周期内成本低。 主要问题：连接强度、离散性、材料刚度。

日本的“江之岛”

FRP船舶配件

上层建筑、甲板室、 桅杆、螺旋桨、烟囱、 推进轴系、舰舱壁、 甲板、舱门等

美国海军隐形战舰 多任务“朱姆沃尔特”级驱逐舰

斯普鲁恩斯级驱逐舰的“先进封闭桅杆/传感器系统”

碳纤维龙骨

2. 研究目的及国内外技术发展现状

落后的原因：

（1）、没有复合材料船舶设计单位；

（2）、复合材料船舶研究人员奇缺；

（3）、用户的认可度低。(政策、样板等)

我国大陆，复合材料船舶的总体水平是相对落后的。

尤其是军船和渔船。

3 FRP船舶设计的任务：材料、结构与制造一体化设计

纤维 性能

E·玻纤 (GF)

密度(g/cm3) 2.55-2.62

拉伸强度(MPa) 3100-3800

弹性模量(GPa) 76-78 断裂伸K率(％) 4.7

最高使用温度(℃) 350

主要纤维增强材料

碳纤维 (CF)

芳纶纤维 (KF)

超高分子聚乙烯(UHMWPE)

玄武岩纤维(CBF)

1.78 1.45 0.97 2.8

3500-6000 2900-3400 2700-3200 3800-4840

230-600 70-140 89-100 79.3-93.1 1.5-2.0 2.8-3.6 3.5-3.7 3.1-3.2

500 250 100 650

结构设计的基本任务是：选择合适的结构材料和结构形式；

决定全部构件的尺寸及连接方式；在保证足够的强度、刚度、

稳定性和安全性等要求下，使结构具有最佳的技术经济性能。

树脂基体

船艇最常用的树脂基体是不饱和聚酯树脂；

高性能树脂：乙烯基酯树脂、酚醛树脂。

结构芯材

船用芯材主要有三类，即泡沫塑料、轻本以及蜂窝材。

2、国内没有针对FRP船艇的设计单位、而且至今仍未摆脱 金属船舶的设计理念。

FRP船体结构设计

1、国外的设计已逐渐考虑到“材料、结构、建造一体化， 结构优化”等问题。

3、设计与建造规范和检验法规也不甚完善。

4、没有适用于FRP军用舰船的设计建造规范。

3 FRP船舶设计的任务：材料、结构与制造一体化

设计方法：规范设计法、母型船设计法和计算设计法

法国 FRP船设计建造规范

中国 FRP船设计建造规范

母型船设计法

母型船的设计是否优化？

以什么船为母型船？以钢船为母型船的现象不少。

计算设计法

计算方法、依据？

什么人计算、设计？

复合材料船舶结构设计，学科高度交叉。

力学基础要很厚重。

FRP船体成型方法：主要有接触成型法和模压成型法。

目前较优越的方法是真空辅助成型法，其优点：

(1)力学性能至少可提高1.25倍。

(2)重复性好：构件之间具有高度的一致性。

(3)节约材料，减轻重量：树脂耗量受到严格控制，纤维含量高。

(4)环保：开模成型苯乙烯挥发超过35％，真空法只有微量挥发。

(5)成本低：树脂浪费率低于5％，比开模成型节约劳力50％以上

FRP船体制造和质量控制

3 FRP船舶设计的任务：材料、结构与制造一体化

4 FRP船舶结构计算设计方法

确定危险工况

舯垂

舯拱

4 FRP船舶结构计算设计方法

确定危险工况

在静水、风、浪、流与碰撞等载荷共同作用下，分析空载、满载、舯垂、舯拱这四种载荷的组合

夹层结构

单板纵向加筋

单板横向加筋

单板双向加筋

硬壳式结构

船壳结构基本形式

选择结构形式

波形结构

复合（组合）结构形式

单板

夹层

硬壳

波形

4 FRP船舶结构计算设计方法

结构选形准则

标 准： （1）结构性能满足使用要求； （2）艇体自重轻，造价低； （3）选材容易，成型方便。

两种基准：（1）主要性能一致，比较其他各项优劣； （2）艇体自重一致，比较其他各项优劣。

选择的依据：船型、功能、重量、动力性能

考虑因素： （1）Tsai,S.W.最大能量强度准则； （2）吸收能量能力； （3）总纵刚度； （4）极限强度； （5）最大应变值； （6）工艺性能。 （7）造价。

选型因素的初步获取

（1）、结构的初步设计

（2）、结构的有限元分析

......' 4321 ++++= AiAAi fIS αεαασα式中 ——总权重； —— 某一单一因素的权重 iS iα

多因素综合性能比较

重要的单一性能比较

I

f

2

2

2

2

2

2

)(Bxy

xy

ByBx

yx

By

y

Bx

xfττ

σσσσ

σσ

σσ

σ +−+=

W

Tsai,S.W强度

纵总刚度

抗弯模量

惯性矩

确定出各段、不同站号的 结构形式

按重要程度，设定权重值。如： 375.0 375.0 25.0321 ：：：： =ααα

结构优化设计

按刚度进行纵向结构（按站号）、材料、铺层优化设计

按强度进行横向结构、局部结构、材料、铺层优化设计

依据复合材料力学、复合材料结构力学原理，

进行结构优化设计。

按结构稳定进行局部结构、材料、铺层优化设计

分析结构的动力学性能，分析材料、结构、动力

学性能的相关性。

计算设计方法适用于非规范、示范型、批量之首、

研究型等船舶的结构设计。可以设计出“结构轻、

浮性大、刚度高、强度足、稳性好”的优良船艇。

可以为设计规范的编制提供技术支持。

5 FRP船舶结构计算设计 案例

材料、结构、铺层、建造一体化优化设计

主体材料：乙烯基树脂 + E玻璃纤维

局部材料：环氧、大丝束T300碳纤维、芳纶

主体结构：夹层结构

局部结构：硬壳式结构、波纹式结构

连 接 结构参数

工艺参数

不同方法

多材料

多结构

主体材料性能

玻纤体积含量（%） 60.0

0o向拉伸强度（MPa） 380.0

0o向拉伸模量（GPa） 18.0

压缩强度（MPa） 215.0

压缩模量（GPa） 15.0

弯曲强度（MPa） 325.0

弯曲模量（GPa） 16.0

层间剪切强度（MPa） 35.00

纵横剪切强度（MPa） 52.0

（1）、材料冲击韧性大于300kJ/㎡；碳钢270KJ/㎡

（2）、复合材料板材静态力学性能的离散率将小于8%，

动态力学性能的离散率将小于12%；

（3）、有效空间不小于同型钢船。

（2）、船壳重量与为同型钢船重量的60%；

结 构 件 的 性 能

（1）、纵总刚度达到同型钢船的刚度设计要求；

船 体 的 性 能

整体与局部应力云图

位移云图

6. 哈工大（威海）复合材料船舶研究

省级研究平台2个：

（1）、山东省船舶技术研究院。

（2）、山东省玻璃钢船艇工程技术研究中心，共建单位

先进齐备的实验设施有：

万能试验机，疲劳试验机，结构试验室，扭转试验机；

落锤、摆锤冲击试验机，动、静态应变测试仪等。

复合材料结构设计培养能力：

（1）在职培养：工程硕士；中、短期在职培训；

（2）脱产培训：全日制硕士，博士。

请指正

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