舰用复合材料结构优化设计(一)
导语：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。
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。
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。
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。
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。
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。
2).复合材料脆性大，避免出现应力集中
图 1 为玻璃纤维增强复合材料拉伸性能测试，从试验结果可以看出，复合材料直到破坏都没有明显的屈服点，这说明了玻璃钢的脆性大，没有金属的缓和应力作用，所以在设计切口、开孔和构件间断时应当充分考虑附近的应力集中现象。
复合材料构件常用的连接方法有两种：机械紧固件连接和胶接连接。对于紧固件连接，主要用在设备机器安装等局部区域，其优点是装拆方便，检查容易，缺点是受力面积小，产生应力集中，连接处疲劳性能差。当外力作用在复合材料层合板上，板材的装配孔、螺钉槽等周围会产生很高的应力集中。为了消除应力集中，复合材料的开口应保证光滑，尽量设计成光滑的几何形状。胶接连接主要应用在船体结构连接(如层合板对接、骨材和外壳板和甲板的连接、甲板和舷侧板连接、骨材交叉连接以及舱壁与船壳板的连接等)，在设计中对纵横构件的连接应分清谁间断谁连续，对间断的构件应保持良好的连接，同时考虑如何提高接缝弧度，使其达到原结构的强度，避免出现应力集中现象。
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