复合材料挡水板设计及安装工艺研究

宋金明，张晓东，吴 梵

(1.海军舟山监修室，浙江舟山 316000;2.海军工程大学，湖北武汉 430033)

复合材料挡水板设计及安装工艺研究

宋金明1，张晓东2，吴 梵2

(1.海军舟山监修室，浙江舟山 316000;2.海军工程大学，湖北武汉 430033)

针对原钢质矩形挡水板，提出一种新型复合材料挡水板结构形式，彻底解决了原钢质挡水板渗水腐蚀的难题。文中对复合材料挡水板的材料选型、结构设计、强度刚度计算以及安装工艺等内容进行了研究，结果表明:复合材料挡水板强度刚度满足使用要求;安装工艺简单易行，水密效果好。

复合材料;挡水板;结构设计;安装工艺

某船上甲板挡水板有扁钢形和矩形2种 (图1)，扁钢形主要布置在有甲板舾装件处，其余部位为矩形挡水板。矩形挡水板的主要作用是防止水从上甲板边缘流至干弦，因此需要良好的密封性;其次是要承受人员践踏、波浪抨击、舷梯的侧压力等，因此需要一定的强度与刚度。传统的矩形挡水板由方木和钢质槽形罩壳组成，其连接形式为:方木与上甲板通过螺栓连接，钢质罩壳与方木用螺钉固定，再与上甲板之间通过膏灰和胶密封，如图2所示。这种挡水板的缺点是钢质罩壳易腐蚀，木质芯材易吸水，当罩壳与上甲板的密封被破坏后，挡水板会在内部积水腐蚀，致使钢质罩壳渗水甚至烂穿，如图3所示。往往在完成等级修理后不久，钢质罩壳就出现渗水，失去挡水作用，而且钢铁的腐蚀的锈水流到干弦，污染船体外表。因此，如何在确保挡水板强度、刚度，且有效控制结构质量、满足制造安装工艺要求的前提下，提出一种能有效解决原挡水板渗水腐蚀问题的材料与结构形式，是一个急需解决的难题。

图1 上甲板挡水板结构图

图2 原挡水板结构及其连接示意图

图3 矩形挡水板处上甲板受到腐蚀图

要想解决原钢质矩形挡水板渗水、腐蚀的难题，最根本的方法是放弃传统的钢质材料结构，采用全新的复合材料结构。复合材料具有比强度高、低磁性、透声性优异、吸收振动和冲击的能力强、耐腐蚀及抗海洋生物侵蚀等众多优良性能，并且可设计性强、成型方便、可维修性能优异，在保证材料结构强度和刚度的条件下，可通过合理的材料复合和结构形式的设计，同时实现多种功能特性的兼容［1］。目前，复合材料在船体结构上得到了广泛的应用［2］，法国生产的“拉菲特”级舰上层建筑后半部包括机库主要采用玻璃纤维增强复合材料夹层板，其巨大的机库只有85 t。美国“阿利·伯克”改进型，追加了后部复合材料直升机机库，美国海军的万吨级DDX战斗舰，采用隐身-承载功能复合材料的上层建筑。

本文在基本不改变原矩形挡水板的外形尺寸的前提下，提出一种具有耐腐蚀、水密性好、连接强度高、易安装维修等优异性能的新型复合材料挡水板结构形式，并对其强度刚度和安装工艺进行分析，以彻底解决原挡水板渗水腐蚀问题。

1 复合材料挡水板方案设计

1.1 复合材料挡水板材料选型研究

在设计纤维增强树脂基复合材料挡水板时，对树脂基体与增强纤维的选择与研究十分重要。树脂基体的作用是赋予复合材料的整体性，起着传递载荷和均衡的作用，而增强纤维为主承载材料，承受大部分的载荷作用［3］。树脂选材时，要求黏度合适，固化时间适宜，物理性能较好;增强材料选材时，要求布浸润性好，机械强度高，铺覆性好，质量均匀性好。考虑到挡水板位于上甲板的四周，处于温度波动、阳光暴晒、盐雾腐蚀［4］、海水浸泡等恶劣复杂环境中。因此，复合材料挡水板材料应满足适用温度为-30～65℃，具有阻燃性，耐腐蚀和老化的使用环境要求［5］。

综合分析各类树脂的基本性能，首先应考虑选用具有能室温固化、常压成型的不饱和聚酯树脂，以满足成型工艺要求。在以上要求的基础上，作者分别针对 MFE-2、3200、3201、430LV、905-2等树脂体系展开性能比较研究。研究结果表明:905-2树脂具有较高的机械强度，适中的弹性模量和较大的延伸率，作为复合材料树脂基体十分有利。同时，905-2型改性乙烯基酯树脂，可以常温固化成型，对增强纤维有较好的浸润性，并具有阻燃性，而且国产价格较为便宜，所以采用905-2树脂作为混杂复合材料的树脂基体。

为保证纤维织物对树脂基体的良好浸润性，确保产品的工艺性能和质量，对于所选择的纤维织物在常温下应该能被905-2树脂体系浸润，且力学强度满足设计要求，SW220高强玻纤布或无碱多轴向玻纤布能较好地满足以上要求。经过从材料性能、使用寿命、经济性和维修性等方面综合论证比较，最终选定905-2树脂/无碱多轴向玻纤布作为复合材料挡水板的主要材料。

1.2 复合材料挡水板结构形式和连接方法研究

复合材料矩形挡水板结构采用全新结构与连接形式，其主要结构如图4所示，从外到内依次由高强度纤维增强复合材料罩壳、PVC硬质泡沫芯材、纤维增强复合材料套管、不锈钢连接块和沉头螺钉组成。复合材料罩壳将PVC芯材全包覆，二者作为整体在中间开圆孔，用于嵌入纤维增强复合材料套管，纤维增强复合材料套管与纤维增强复合材料罩壳形成一个全封闭式的整体，不仅可以保证开孔处的强度，还能有效防止水渗入其内部。复合材料套管下端孔径大，可套住圆柱形连接块，上端孔径小，用于套住沉头螺钉，连接块上开有与螺钉大小相应的盲孔并攻丝，以便沉头螺钉可以拧紧并压实纤维增强复合材料罩壳。复合材料矩形挡水板在确保原挡水板强度、刚度，且有效控制结构重量的前提下，可有效克服原矩形挡水板渗水腐蚀的难题，并提供比原挡水板更优异的综合性能。复合材料挡水板的长度可根据需求确定，能预制成1 m和2 m长的规格件或根据舰船的实际需求确定规格，以便批量生产。

图4 复合材料挡水板结构示意图

2 复合材料挡水板强度和刚度计算分析

复合材料挡水板安装在上甲板边缘，在舰艇航行时可能会受到波浪的冲击，靠码头时可能会受到舰员的踩踏或重物的压力，针对这2种情况，设计了2种载荷工况，采用有限元方法对挡水板的静强度进行了计算分析。

2.1 有限元模型

复合材料挡水板结构各部分均采用三维实体单元建模，建模时采用mm-kg-kPa单位制，其材料参数见表1和表2。有限元模型的边界条件:底面施加简支约束，底面螺钉连接处施加固支约束。

计算载荷工况取以下2种。

工况一 (正压):模拟舰员单脚正踏在挡水板上的情形。假设舰员的体重为120 kg，脚掌宽度为10 cm，脚掌方向与挡水板长度方向垂直，通过计算，其作用于挡水板上的压力为392 kPa。

工况二 (侧压):模拟波浪侧向冲击挡水板的情形。在复合材料挡水板一侧施加50 kPa均匀分布的压力，其方向沿着作用面的法线方向向内。

将所得的青钱柳老叶与嫩叶的转录组 Unigene 片段进行基因功能分类，并比较了老叶与嫩叶KEGG代谢途径中差异表达unigenes数，研究结果显示，在青钱柳不同生长发育时期的叶片中，基因表达上调占主异作用的过程主要涉及萜类和多肽的代谢、辅酶和维生素的代谢和氨基酸代谢，而基因表达下调占主异作用的过程主要涉及信号传输、类脂物代谢与能量代谢.该研究结果为今后采取基因调控手段提高萜类、多肽、维生素的产量以及控制类脂物代谢与能量代谢过程提供了参考.

2种工况下的载荷施加见图5。

表1 玻璃钢材料参数

表2 PVC泡沫材料参数

图5 载荷工况示意图

2.2 计算结果分析

2.2.1 变形分析

复合材料挡水板在工况一载荷作用下的位移场分布如图6(a)所示，在工况二载荷作用下的位移场分布如图6(b)所示。

图6 挡水板位移场分布示意图

由图6可知，复合材料挡水板在工况一载荷下的最大变形量为0.025 mm，在工况二载荷下的最大变形量为0.037 mm，这表明在舰员踩踏或者波浪冲击载荷作用下复合材料挡水板的变形很小可以忽略，复合材料挡水板的刚度满足要求。

2.2.2 应力分析

复合材料挡水板在工况一载荷作用下的应力分布如图7(a)所示，在工况二载荷作用下的应力分布如图7(b)所示。

由图7可知，复合材料挡水板在工况一载荷下的最大应力为5.51 MPa，在工况二载荷下的最大应力为3.30 MPa。应力水平远远低于材料的许用应力，表明在这两种工况载荷作用下，复合材料挡水板强度满足要求。

图7 挡水板应力分布图

3 挡水板安装工艺研究

由于采用了新的连接形式，为了保证复合材料挡水板精确安装并达到挡水要求，需要制定合适的安装工艺，经研究可采用如下安装顺序和工艺。

2)清洁安装部位。对安装或粘接复合材料挡水板部位，包括与其连接的扁钢表层处进行表层打磨和丙酮清洗，确保其无明显水、油、锈等脏物。

3)定位与预安装。将各复合材料挡水板于对应位置试装、定位，确定好各钢质连接块的位置，再将钢质连接块点焊，初步固定后，再将复合材料挡水板试装，确保无误后，再将钢质连接块焊牢。

4)安装。钢质连接块焊牢后，用环氧柔性强力腻子胶均匀涂敷于安装挡水板甲板处，再将挡水板置于粘接处，并采用M12×90的沉头螺钉带环氧柔性强力腻子胶与钢质连接块固定压紧，挤出粘接面处多余胶液。同时对于复合材料挡水板与扁钢等处的缝隙用环氧柔性强力腻子胶填充满 (较小缝隙直接用腻子胶填充，较大缝隙填充玻璃钢块，并用腻子胶粘接好)。

5)表面修整。复合材料挡水板安装完成后，应对其表面打磨修整光顺并涂好油漆。

按上述安装工艺对复合材料挡水板进行模拟安装，并进行了水密性试验，如图8所示，结果表明上述安装工艺合理可行，安装牢固，水密性好。

图8 模拟安装图

4 结束语

为彻底解决钢质矩形挡水板渗水腐蚀的问题，提出了一种新型复合材料挡水板结构，并对其材料选型、结构设计、强度刚度计算分析、安装工艺进行了研究，主要结论如下:①采用无碱玻璃钢包覆PVC硬质泡沫的结构型式，技术成熟、性能稳定，环境适应性好;②所设计的复合材料挡水板能承受人员的踩踏和0.05 MPa的静水压力，强度和刚度满足使用要求;③所制定的复合材料挡水板安装工艺简单易行，安装牢固，水密性较好。

［1］沈观林，胡更开.复合材料力学 ［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［2］Mouritz A P，Gellert E，Burchill P，et al.Review of Advanced Composite Structures for Naval Ships and Submarines ［J］.Composite Structrues，2001，53(1):21-42.

［3］刘雄亚，谢怀勤.复合材料工艺及设备 ［M］.武汉:武汉理工大学出版社，1994.

［4］刘建华，赵亮，李松梅.盐雾环境对玻璃纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响［J］.复合材料学报，2007，24(3):18-22.

［5］胡安妮.载荷和恶劣环境下FRP增强结构耐久性研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

Based on original steel water baffle，a new composite water baffle structure is presented to solve the seepage and erosion problems completely.In this paper，material selection，structural design，strength and stiffness calculation and installation technique for the composite water baffle were studied.The result shows that the strength and stiffness of the composite water baffle meet the requirements，the installation technique is simple and the water tightness effect is satisfied.

composite material;water baffle;structural design;installation technique

U668

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.011

宋金明 (1965-)，男，山东胶南人，高级工程师，学士，主要从事船舶修理工作。

2015-04-20