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。

链接:舰用复合材料结构优化设计(一)

接(一)
3).玻璃纤维增强复合材料的弹性模量低
　 　　玻璃纤维增强的弹性模量大约为钢材的 1/10~1/20，较低的弹性模量限制了玻璃钢船舶向大型化发展，而且导致常规钢船的设计和校核方法不完全适用。由于玻璃纤维增强复合材料的强度比大、刚性比小。因此，一般玻璃钢船舶的总长设计尽可能不超过 40 米，超出以后对船舶的总体刚度、扭转强度、局部强度以及横向强度都是一种考验，由于船舶在营运中，除了承受静水压力、货物和油水等静载荷作用以外，还受到机器运转不平衡力、波浪冲击和螺旋桨的激振力等动载荷作用，加上玻璃钢材料的力学性能存在不稳定的因素，都可能会造成强度的下降。所以，对大尺度船舶设计时应考虑增强船舶的强度，设法防止变形，通过整体成型、增加剖面模数、增加加强筋和夹层结构等方法弥补刚性低的缺点。

4).复合材料的成型工艺
　　　设计复合材料结构时，应充分考虑到相应的复合材料成型工艺。复合材料的成型工艺主要有：手糊成型、RTM 成型、真空灌注成型、模压成型、缠绕成型、热压罐成型等。不同的成型工艺会导致复合材料产品的性能出现较大的差别。同时复合材料构件的形状、原材料的性能也是影响其成型工艺的主要因素。在船舶复合材料构件的设计时，树脂和纤维等原材料及成型工艺的选择都应当是设计者考虑的内容。

夹芯复合材料的设计
夹芯复合材料相对于一般复合材料层合板有所不同，主要表现在：
（1）各向异性
　　　夹芯复合材料的面板在弹性模量、热膨胀系数和材料强度等各方面都有明显的各项异性，而常用的 PVC 泡沫芯材一般认为是各向同性材料。夹芯的出现增加了复合材料设计的科选择性，也使夹芯复合材料力学问题的求解变得非常复杂和困难。
（2）不连续性和不均匀性
　　　夹芯复合材料的面板是由增强纤维和树脂基体复合而成，芯材是高分子泡沫材料，面板和芯材在细观结构上都是不均匀的，这会导致夹芯复合材料在变形过程中出现拉-弯、拉-剪和弯-扭等藕合效应，增加了其结构设计、制造和分析的困难性。
（3）面板/芯材界面脱粘分层
　　　夹芯复合材料由高性能的面板与低密度的泡沫芯体组成，其界面性能取决基体性能 。由于面板和芯材力学性能有较大的差异，在外载荷或其它如冲击和温度等外部因素作用下，容易引起界面脱粘破坏，即分层。分层的产生将影响到材料的有效性和可靠性，甚至还会直接导致夹芯复合材料结构的失效。
(4)几何非线性和物理非线性
　　　夹芯复合材料的面板通常很薄，在承受压缩载荷时，在面板与芯材界面的分层区会出现大挠度和屈曲变形，同时，由于夹芯材料芯体的塑性可压缩性，其变形还将呈现明显的物理非线性特征。因此，在夹芯复合材料的损伤、断裂和冲击分析过程中，必须考虑几何非线性和物理非线性的影响。

舰用复合材料结构优化设计
图 2 是在舰船设计中最常用到的夹芯复合材料结构，将其四周固定模拟船舱壁板，采用 HypeWorks 软件对夹芯复合材料结构进行结构分析和优化。

具体计算参数如下：
夹芯复合材料层合板：尺寸 500mm×500mm，纤维单层厚度为 0.25mm，芯层厚度为 10mm。
支撑：四边固定。
面板力学性能参数：弹性模量为 10000MPa，泊松比为 0.3。
夹芯泡沫力学性能参数：压缩弹性模量为 170MPa，剪切弹性模量为 50MPa，泊松比为 0.31。
问题分析：  夹芯复合材料试样放置在不锈钢支撑的上面，试样四周固定，对试样中心进行
加载，试样不允许翘起。优化前后的结果如图 3，  


此结构的性能目标是中间加载点的位移小于 1mm，同时设计出最佳的上下蒙皮的复合材料铺层结构和泡沫夹心厚度。经过 OptiStruct 复合材料优化和结构优化功能，最终达到了目标性能位移小于 1mm 的要求。同时泡沫夹心结构优化出最佳厚度为 18mm（原设计为10mm）。

结束语
复合材料的结构优化是一个非常复杂的问题，复合材料失效准则及失效模型的不完善限制了复合材料优化设计的发展，目前国内对复合材料的优化设计研究仍然处于发展的初步阶段。复合材料的优化设计对研制性能优越的新材料及提高产品的性能起到重要作用，不仅可以缩短研发周期，降低对设计者经验的依赖，而且可以降低设计的风险。