滑聰 劉建弟 秦澤云 王海東

摘 要 復(fù)合材料因其具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕、抗疲勞和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在海洋領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鑒于傳統(tǒng)浮體材料和先進(jìn)的固體浮力材料在使用中的局限性，本文結(jié)合復(fù)合材料的特性和浮體的技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一款新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料浮體，根據(jù)浮體的性能要求進(jìn)行材料的選型，利用有限元仿真軟件MSC/Patran進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)，采用聚氨酯發(fā)泡工藝和真空灌注工藝等實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料浮體的低成本制造。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；浮體；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；真空灌注工藝；低成本

ABSTRACT? Composites are widely used in the marine field because of high specific strength， large specific modulus， corrosion resistance， fatigue resistance and strong designability. In view of the limitations of traditional floating body materials and advanced solid buoyancy materials， combined with the characteristics of composite and the technical index requirements of floating body， this paper designs a new type of composite floating body. According to the performance requirements of the floating body to select the materials， the finite element simulation software of MSC/Patran is used for structural design and ply design. Polyurethane foaming process and vacuum infusion process are adopted to realize the low-cost manufacturing of composite floating body.

KEYWORDS? composites; floating body; structural design; vacuum infusion process; lowcost

1 引言

浮體作為支撐水上作業(yè)的平臺(tái)，主要是為水面或水下設(shè)備和系統(tǒng)提供正浮力，浮體不僅要保證自身在水下復(fù)雜的海洋環(huán)境下正常使用，而且要能夠提高水下設(shè)備和系統(tǒng)的工作性能[1，2]。為了提供穩(wěn)定的浮力，浮體具有密度低、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、耐老化、尺寸穩(wěn)定、吸水率低、不污染水體環(huán)境等特點(diǎn)[3]。

國(guó)內(nèi)早期浮體普遍采用輕質(zhì)液體、軟木、合成泡沫塑料或合成橡膠，其形狀固定，提供浮力較小[4]。傳統(tǒng)浮體存在密度高、耐壓強(qiáng)度低、耐環(huán)境性差、泄漏污染環(huán)境等問題，使用場(chǎng)所較為局限。隨著海洋資源和海洋探測(cè)的不斷開發(fā)和利用，對(duì)浮體提出更高的要求，國(guó)內(nèi)外不斷開展低密度和高強(qiáng)度的固體浮體材料研究。固體浮力材料是一種具有低密度、高強(qiáng)度、耐靜水外壓、耐海水腐蝕、低吸水率等特性的復(fù)合泡沫材料，主要是由空心玻璃微珠、陶瓷微珠、玻璃浮球等低密度高剛性材料與樹脂等高溫固化而成[5]。然而，固體浮力材料存在價(jià)格高昂、抗沖擊能力差、連接方式受限以及連接強(qiáng)度不夠等問題，在淺海浮體應(yīng)用方面受到一定限制。

復(fù)合材料因具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕、抗疲勞和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在船舶制造、海洋工程、海洋探測(cè)等海洋領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6，7]。鑒于傳統(tǒng)浮體材料和先進(jìn)的固體浮力材料在使用中的局限性，本文結(jié)合復(fù)合材料特性和浮體技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一款新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料浮體，根據(jù)浮體的性能要求進(jìn)行材料選型，利用有限元仿真軟件MSC/Patran進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鋪層設(shè)計(jì)，采用聚氨酯發(fā)泡工藝和真空灌注工藝等實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料浮體的低成本制造。

2 浮體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

浮體主要設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：

（1）外形尺寸：Φ450mm×750mm；

（2）浮體提供不小于60Kg的靜浮力；

（3）浮體的密度ρ<0.5g/cm3；

（4）耐水壓深度：50m（50m水壓最大變形小于1mm）；

（5）連接接口承受120Kg拉力。

2.2 總體設(shè)計(jì)

針對(duì)某復(fù)合材料浮體，根據(jù)其外形及接口要求設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能對(duì)主體材料進(jìn)行選型研究，利用力學(xué)仿真對(duì)結(jié)構(gòu)和鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)與密度指標(biāo)反復(fù)迭代，滿足力學(xué)和功能要求。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)浮體主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，其結(jié)構(gòu)為含有與外部連接接口的圓柱體，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

浮體由外殼、中間填充和支撐骨架組成，外殼采用層合板結(jié)構(gòu)，在保證整體剛性的同時(shí)，滿足防腐密封功能要求。支撐骨架作為浮體的主承力結(jié)構(gòu)，采用“縱橫交叉”式連接結(jié)構(gòu)，由3片環(huán)梁和8片立柱交叉連接而成，其基本結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

金屬埋件與環(huán)梁的連接采用“由內(nèi)向外”結(jié)構(gòu)式限位的機(jī)械連接與特種膠粘劑粘接的組合式連接方式，牢固可靠。特制埋件形式及粘接方式如圖3所示。

3 浮體材料選型

復(fù)合材料浮體在滿足剛度和強(qiáng)度要求的同時(shí)，對(duì)整體密度、防水和耐腐蝕等也有較高的要求，故針對(duì)不同的功能進(jìn)行材料選型，滿足其指標(biāo)和使用要求。

復(fù)合材料浮體的支撐骨架作為浮體的主要承力結(jié)構(gòu)，保證浮體的穩(wěn)定使用，主要考慮滿足剛度強(qiáng)度和減重要求，選用輕質(zhì)高強(qiáng)且成本低廉的玻璃鋼層合板。中間填充在實(shí)現(xiàn)減重要求的同時(shí)，重點(diǎn)要考慮自身填充和外形修整的工藝性以及對(duì)外殼施工的基礎(chǔ)支撐作用，選用聚氨酯泡沫。外殼在兼顧剛度和強(qiáng)度要求的同時(shí)，要滿足耐腐蝕、密封防水、耐沖擊等要求，選用高強(qiáng)玻璃纖維布/氈和強(qiáng)心氈與耐腐蝕乙烯基樹脂的組合式復(fù)合材料，并在外表層刮涂耐候性優(yōu)異的環(huán)氧玻璃微珠材料。埋件作為吊裝和水下設(shè)備的連接接口，需要滿足承載120Kg的拉力和耐海水腐蝕的要求，選用316L不銹鋼。埋件設(shè)計(jì)為方形臺(tái)階的螺紋盲孔結(jié)構(gòu)，采用嵌入玻璃鋼板的方式，通過機(jī)械限位和化學(xué)膠粘實(shí)現(xiàn)埋件和浮體的有效連接。根據(jù)以上不同需求，吊艙材料選用如表1所示。

4 浮體鋪層設(shè)計(jì)

4.1鋪層設(shè)計(jì)原則

根據(jù)浮體的結(jié)構(gòu)和載荷情況，結(jié)合復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，要進(jìn)行鋪層材料的選擇，鋪層順序、鋪層角度和鋪層比例的設(shè)計(jì)。通過細(xì)致的鋪層設(shè)計(jì)和優(yōu)化，將帶來良好的減重效果和較高的結(jié)構(gòu)效率[8，9]。

根據(jù)浮體的結(jié)構(gòu)、載荷和性能要求，復(fù)合材料浮體外殼部分遵循的鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下[10]：

（1）均衡對(duì)稱鋪設(shè)原則

鋪層相對(duì)于中面對(duì)稱的均衡對(duì)稱鋪設(shè)可以避免拉-彎和彎-扭耦合而引起鋪層固化后的翹曲變形，從而提高制品抗變形能力。

（2）層定向原則

在滿足受力的情況下，鋪層方向數(shù)應(yīng)盡量少，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減少鋪覆工作量。對(duì)于承受面內(nèi)載荷的層合板一般多選擇0°、90°和±45°等鋪層方向，對(duì)于準(zhǔn)各向同性鋪層，一般可采用[0/45/90/-45]s，或[60/0/-60]s的鋪層。

（3）鋪層取向按承載選取原則

鋪層的纖維軸線應(yīng)與受力的拉壓方向一致，以最大限度利用纖維軸向具有高強(qiáng)度和剛度的特性。

4.2浮體鋪層設(shè)計(jì)

浮體在實(shí)際使用時(shí)，承受全方位的靜水壓力，外殼不僅在軸向承受彎曲和壓縮載荷，同時(shí)環(huán)向各部位均承受壓縮載荷。根據(jù)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)原則，耐壓浮體在海水環(huán)境中的受力狀況和浮體的密封防水等功能要求，并參考復(fù)合材料壓力容器的鋪設(shè)方法，按照各向同性設(shè)計(jì)，具體鋪層結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)如下：

（1）圓柱表面有橫向、縱向及雙螺旋鋪覆，且鋪層比例相當(dāng)，并呈均衡對(duì)稱鋪覆，盡量達(dá)到面內(nèi)準(zhǔn)各向同性鋪層，鋪層示意如圖4所示。

（2）兩端面鋪層設(shè)計(jì)為平面鋪層，是基于各個(gè)方向等強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的，充分發(fā)揮纖維的軸向強(qiáng)度，提高端面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)為抵消中心位置鋪層堆積，進(jìn)行鋪層補(bǔ)強(qiáng)，鋪層示意如圖5所示。

耐壓浮體的使用環(huán)境比較復(fù)雜，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)，必須具有防水、防撞及防震等要求，所以在復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)的過程中，必須充分考慮滿足其功能性需求，主要選用玻璃纖維氈、高強(qiáng)玻璃纖維布、強(qiáng)心氈與耐腐蝕乙烯基樹脂、環(huán)氧玻璃微珠材料的組合式復(fù)合材料。

綜合考慮浮體的結(jié)構(gòu)性和功能性要求，并結(jié)合材料的性能參數(shù)，可得浮體外殼的鋪層設(shè)計(jì)如表2所示。

5 仿真分析

有限元建模的目的是在不影響計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，將復(fù)雜的幾何模型轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的仿真計(jì)算模型，采用有限元仿真分析軟件MSC/Patran進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)浮體結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，將其簡(jiǎn)化為實(shí)體模型，有限元模型的單元類型主要包括solid單元和MPC單元，采用四節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，浮體有限元模型如圖6所示，其中粉色位置為耐壓浮力材料固定約束點(diǎn)[11，12]。

浮體的力學(xué)仿真主要考慮在水下50m深處承受0.6 MPa水壓。通過有限元仿真計(jì)算，在表面整體施加0.6 MPa載荷的情況下，新型耐壓浮力材料有限元模型變形云圖及應(yīng)力云圖分別如圖7和圖8所示。

從以上仿真結(jié)果可以看出，在最大載荷作用下，浮體最大變形為0.224mm，滿足1mm形變量的要求；最大應(yīng)力為38.2 MPa，位于預(yù)埋件固定位置，該位置玻璃鋼層合版抗拉、抗彎、抗壓強(qiáng)度分別為152 MPa、222 MPa和133 MPa，安全系數(shù)n=3.5。綜上可知，新型復(fù)合材料浮體形變和應(yīng)力安全裕度較大，滿足玻璃鋼復(fù)合材料安全系數(shù)1.5～2的要求，表明浮體的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

6 成型制造

復(fù)合材料浮體的主要成型工藝為真空灌注工藝，在密閉真空環(huán)境下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，利用樹脂的流動(dòng)和滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪層的浸漬，并在一定條件下固化成型，是一種新型、低成本的復(fù)合材料制件成型工藝[13]。復(fù)合材料浮體的成型主要過程包括：

（1）特制埋件，玻璃鋼板等CNC加工和齊套；

（2）特制埋件與玻璃鋼板的預(yù)埋粘接；

（3）玻璃鋼管、玻璃鋼板組裝膠粘成型；

（4）聚氨酯發(fā)泡填充；

（5）浮體的外殼進(jìn)行樹脂真空灌注成型；

（6）環(huán)氧玻璃微珠表層刮涂；

（7）浮體表面處理。

復(fù)合材料浮體的效果如圖9所示。

7 結(jié)語

（1）根據(jù)浮體指標(biāo)要求，在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成浮體結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)；

（2）針對(duì)不同區(qū)域剛強(qiáng)度和功能性的要求，確定各部分的材料選型；

（3）根據(jù)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)原則，結(jié)合浮體的受力狀況和密封防水等功能要求，完成浮體的鋪層設(shè)計(jì)。

（4）利用有限元仿真軟件MSC/Patran進(jìn)行力學(xué)仿真分析，完成浮體的結(jié)構(gòu)和鋪層設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

（5）采用聚氨酯發(fā)泡工藝和真空灌注工藝等實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料浮體的低成本制造，在剛強(qiáng)度、功能性和環(huán)境適應(yīng)性等方面均滿足實(shí)際使用工況的要求。

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