内容发布更新时间 : 2024/9/27 17:24:37星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计 孙九霄谢振兴周俊

中国舰船研究设计中心湖北武汉430064

摘要:本文介绍了复合材料在国内外船舶设计建造中的应用及复合材料在船舶设计中存在的问题。采用HyperWorks软件对夹芯复合材料进行结构分析,并对复合材料尺寸和铺层进行优化设计,优化后复合材料的性能得到提升。

关键字:船舶设计复合材料 HyperWorks 结构优化 1前言

纤维增强树脂基复合材料是一种理想的结构/功能材料,具有传统材料无法比拟的优良综合性能。近年来复合材料凭借其优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性在舰船中得到了广泛的应用,已形成独特的纤维增强树脂舰船材料、设计与制造技术。材料成型一体化是复合材料的区别于传统材料的一大特点,而这也使得复合材料设计及优化变的尤为重要。复合材料的结构设计及优化是一项基础性和应用性很强的工作,其最终目的是将结构设计的更合理、成本更低、工艺性更好且更安全可靠。

2 复合材料在海军舰船中的应用情况

目前复合材料在海军上的应用非常广泛,但是很久以来这些应用仅局限于一些小型船只和一些次要的舰艇结构。二战以后,复合材料首次在美国海军的一些小型客运舰艇上得到应用。在实际应用时,发现这些舰艇有很多优点,如强度大、刚度大、持久耐用而且易于维修,因此,在上世纪40年代到60年代,复合材料在美国海军中的应用迅速增加。在越南战争期间,应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和侦察艇等各种舰船数量达3000艘。美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。表1列举了二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用。

表1二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用 扫雷艇(15.5米长登陆侦察艇(15.8米 登陆舰(15.2米内河巡逻艇 客运舰艇(7.9米领航艇 木船罩潜艇流线装置 潜艇声纳罩潜艇无压浇注船体 潜艇尾翼小型舰艇船室 桅杆和桅杆覆盖物天线屏蔽罩 方向舵天线绝缘管道

罐(燃料、润滑油、水管道系统 鱼雷发射管船员掩蔽所 舱口盖绳索防护装置

自上世纪50年代,复合材料开始在其他国家海军的舰艇和潜艇上得到应用。英国皇家海军和法国海军为了获得更高的声波穿透率,提高潜艇的隐身性能,开始采用复合材料代替钢材应用在潜艇声纳罩上。同样,应用在海面舰艇的天线罩上可以保护通讯和监视天线。到上世纪70年代,英国、瑞典、挪威等各国海军开始采用复合材料来制造猎雷艇,荷兰海军也开始把复合材料应用于领航艇和登陆舰上。这标志着复合材料在大型海事结构上应用的开始。随着我国经济和科技的进步,近年来复合材料在我国船舶领域得到了迅速的发展。复合材料在船舶中的用量逐年增加,但主要还局限于一些小型的民用运输船舶和游艇上。

早期复合材料的制造质量和船体刚度相对较差,这限制了舰艇的长度不能超过15米,排水量不超过20吨。近年来,复合材料的设计能力、制备技术、力学性能都有了较大的提高,再加上成本的降低,复合材料开始在一些大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和轻巡洋舰上得到应用。随着时间的推移,舰艇的长度逐步的增加,现在已经有80到90米长的全复合材料海军舰艇。如果依此趋势,同时随着技术的提高,到大约2020年,采用复合材料制备中等尺寸的军舰,如120到160米长的护卫舰完全可能。

3 复合材料在船舶结构设计中应注意的问题

复合材料层合板和夹芯复合材料是舰船设计建造中最常用的两种复合材料结构。复合材料自身的特点决定了它在船舶结构设计中和钢材的设计是不同的。

3.1玻璃纤维增强复合材料的特点

玻璃纤维增强材料是以合成树脂为基体材料,玻璃纤维及其制品为增强材料组成的复合材料。复合材料因为不是特定的物质,而是材料使用方法的概念,它不受特定材料性能的限

制,可以根据用户的需求通过选择不同的原材料组合进行自主设计。

复合材料产品具有以下优点:质量轻、比强度高、比模量高;耐腐蚀、抗海生物附着;绝缘;介电性和微波穿透性好;冲击韧性好;导热系数低、隔热性好;可整体成型、船体无接缝和缝隙;成型工艺简便,适宜批量生产;几乎不需要维护保养。

但是复合材料自身有局限性,因此需要根据复合材料的特点来进行船舶的设计,在设计中充分发挥复合材料的优势。

3.2复合材料脆性大,避免出现应力集中