玻璃钢栏杆设计与计算分析

钟玉湘，陆浩华

(中国舰船研究设计中心，武汉430064)

钢质栏杆易受海水、日照、风浪等的自然侵蚀，容易出现严重腐蚀情况，并且隐身舰船对栏杆等露天设备有一定的隐身要求，因而有必要考虑采用复合材料对栏杆进行改进设计研究，以提高栏杆的隐身、抗腐蚀能力。由于舰船上栏杆等露天设备存在使用环境恶劣，受到风、浪等多种载荷作用，以及人员安全性的问题，要求所用的材料不但要满足轻质的要求，更应具有优良的机械性能，以承受各种载荷。玻璃钢复合材料重量轻、强度大、可设计性强，在雷达波方面具有良好的隐身性能，还具备无磁、抗冲击、抗腐蚀等优良特性，已广泛应用于舰船、航空航天、化工、能源等领域，因而是一种理想的代替材料［1-4］。

1 固定式钢质栏杆结构分析

固定式钢质栏杆主要由栏杆柱、扶手和横档组成［5-6］，具体参数见表1，总体结构见图1。

表1 固定式钢质栏杆组成和参数

2 玻璃钢复合材料性能分析

图1 固定式钢管栏杆的总体结构示意

对于栏杆这种露天舾装件来说，重量并不是影响其使用的主要因素，其改进主要着眼于提高舰船的隐身性和耐腐蚀能力。由于玻璃钢在雷达波隐身方面具有良好的效果，且对栏杆来说，其对强度、刚度的要求也较低，采用玻璃钢是理想的选择。复合材料与钢材的性能参数对比见表2。

表2 复合材料与钢材材料性能对比表

纵观已有的树脂基体性能及适应性，选用不饱和聚酯树脂作为固定式栏杆用复合材料的树脂基体。拟选用E玻璃纤维作为本项目的增强材料。采用E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料拉挤成型试板，性能测试结果见表3。

表3 拉挤成型玻璃钢复合材料和冷20钢力学性能比较

通过上述选材分析和材料性能试验，选用E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制作固定式栏杆，可满足固定式栏杆耐海洋环境、适中模量和低成本的要求。

3 栏杆的结构设计与计算

3.1 等代设计法

一般说来，玻璃钢复合材料强度优势明显而刚度优势相对较弱，因而在刚度满足要求时，强度也会满足要求。因此，在设计复合材料结构时，可采用等代设计法进行等刚度设计。等代设计法是工程上复合材料结构设计较常使用的另一种方法。相对于一般设计法，利用等代法设计时有其它材料的相同零部件作为参照对比。采用等代法设计时，保持原设计约束不变，在考虑复合材料的特点的基础上，采用复合材料构件替换原其它材料构件，允许改变部分构件的形状和厚度，甚至增加或者减少构件。这种方法特别适用于采用复合材料对原结构进行改进、改型和轻量化设计等情形。采用这种方法设计复合材料结构时，通常按等刚度原则进行设计，再作强度校核。

3.2 固定式栏杆的结构设计

采用挤拉成型工艺成型玻璃钢栏杆的栏杆柱、扶手和横档，并采用粘接工艺制作船用固定式复合材料栏杆，以实现以下功能。

1)树脂基复合材料在波段80～500 MHz，透波率≥97%，通过采用树脂基复合材料可显著降低栏杆的信号反射率，提高舰船的隐身性能。

2)树脂基复合材料强度优于冷20钢，密度为冷20钢的1/4，采用树脂基复合材料制作栏杆可有效降低舰船舾装件的总体重量。

3)树脂基复合材料耐腐蚀，维护方便，通过采用树脂基复合材料制作栏杆可大幅度降低其全寿命成本费用。

采用玻璃钢替代钢质栏杆首先要满足等强度替代(兼顾刚度)，其次要解决可靠连接的问题。由表3可见，拉挤成型玻璃钢复合材料的强度远大于20号钢，替代冷20号钢不存在问题。但拉挤成型玻璃钢复合材料模量低于20号钢，因此需要对其增厚补强。玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算见表4。

依据栏杆较细外径、较轻重量和适中模量的使用工况和边界条件，并结合模拟计算，最终确定栏杆的玻璃钢管尺寸，见表5。

依据玻璃钢栏杆的使用工况和边界条件，并结合仿真计算，最终确定玻璃钢栏杆的结构尺寸。

表4 玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算表

表5 玻璃钢栏杆的尺寸

3.3 固定式栏杆制作

玻璃钢栏杆制作主要包括栏杆柱、扶手和横档的拉挤成型和连接件的制作两部分。

1)玻璃钢栏杆的栏杆柱、扶手和横档的制作。采用拉挤成型工艺成型。

2)连接件制作。连接件制作包括栏杆柱和扶手杆连接件制作、栏杆柱和底座连接件制作和栏杆弯头连接件制作三部分，均采用Q235号钢制作，可满足玻璃钢固定式栏杆的使用要求。

3)固定式栏杆装配。栏杆与甲板的连接及结构之间的连接，均采用专用底座及连接结构设计，并均采用粘接的方式。①扶手和栏杆柱通过粘接的方式进行连接;②横档和栏杆柱通过粘接的方式进行连接;③栏杆柱和底座通过粘接的方式进行连接;④栏杆弯头连接通过粘接的方式进行连接。

3.4 固定式栏杆仿真分析

1)建模。借助有限元软件进行辅助计算分析，建立的固定式栏杆有限元模型见图2。

图2 固定式栏杆模型

约束条件为杆底部全约束，载荷为上栏杆中间施加一集中载荷( 因为栏杆所受外载主要为风载及外加侧向推力等，可等效为中部承受-集中载荷)。

2)计算结果。

①垂向集中载荷。载荷为100 N时，钢质栏杆最大变形为0.31 mm，玻璃钢栏杆最大变形为1.1 mm。

②水平向集中载荷。载荷为100 N时，钢质栏杆最大变形为2.3 mm，玻璃钢栏杆最大变形为8.2 mm。

玻璃钢栏杆刚度约为钢质栏杆的1/3左右。

4 结论

以E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制作固定式栏杆，可满足固定式栏杆耐海洋环境、适中模量和低成本的要求。

［1］刘愉强，叶家玮.浅谈玻璃钢船艇的改性发展［J］.广东造船，2005(4):36-40.

［2］王 瑞，武 玲.船舶用玻璃钢及其性能分析［J］.中国纺织大学学报，2000(6):123-126.

［3］朱英富，张国良.舰船隐身技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2003.

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