新型复合材料模块化上层建筑的应用

李艳臣　李任戈　熊伟　胡哲　彭绍源

摘 要：复合材料因其轻质高强、耐腐蚀及抗冲击性能好等优点，在造船领域已经广泛应用。本文从复合材料国内外技术发展现状和应用进行综合论述，研究复合材料在海洋工程领域上层建筑模块方面的使用

关键词：复合材料；海洋工程；上层建筑；应用

中图分类号：U668.7 文献标识码：A

Abstract： Composite materials have been widely used in the field of shipbuilding because of their excellent properties such as light weight， high strength， corrosion resistance and impact resistance. In this paper， the current situation and application of composite materials both at home and abroad are comprehensively discussed， and the application of composite materials in the upper module of marine engineering is studied.

Key words： Composite materials； Marine engineering； Superstructure； Application

1 引言

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或者化学的方法组成具有新的性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，具有轻质高强、耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀）和抗冲击性能好等综合性优点，尤其是在海水环境中表现出来的优异性能，以及较低的维护保养费用，使得复合材料在海洋船舶领域得到了广泛的应用。

2 国内外发展现状

20世纪40年代，因航空工业的需要发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名词。相关资料显示，美国海军1946年就开始尝试使用复合材料建造交通艇，虽然直到1950年才基本取得成功，但是从此掀开了复合材料船舶建造的新篇章，世界各地相继开始研制复合材料船舶。

2.1 国外复合材料在舰艇上的应用

（1）巡逻艇

第一艘全玻璃钢纤维增强聚合物（GRP）的巡逻艇于20世纪60年代早期，由美国海军建造，并在越战期间在越南内河上应用。

（2）猎雷舰

树脂基复合材料没有磁性，加上其优异的综合性能，成为了扫雷艇、猎雷舰的最佳结构材料。1973年，英国研制了第一艘46.6 m长的全玻璃钢反水雷舰艇。该艇的巨大成功带来了复合材料应用的迅速扩张，80年代早期就制造了200多艘全复合材料反水雷舰艇。

（3）护卫舰

随着复合材料工艺性能的研究和發展，其逐渐应用于大型舰船上。瑞典皇家海军通过YS-2000项目，于1996年开始建造第一艘全隐形Visby护卫舰，也是世界上第一艘实用型隐身军舰，如图1。

（4）上层建筑

20世纪60年代中期以来，复合材料上层建筑逐渐出现在海军舰艇上。70年代早期，猎雷艇的上层建筑开始采用复合材料。1992年法国海军首航了采用复合材料上层建筑的大型军舰—La Fayette护卫舰，如图2。

到目前为止，复合材料在舰艇上层建筑中的应用已涉及到可探测性烟囱、综合性桅杆直到集成上层建筑，实现了减重、雷达红外线隐身等，如表2。

（5）其它

除了上述应用之外，复合材料还应用在水翼艇、气垫船以及舰艇的二级结构、机械或者装置上，如：螺旋桨、推进轴系、遮护板、方向舵、机械部件、设备底座、热交换器、管道系统、通风管、甲板格栅等。

2.2 国内复合材料在舰艇上的应用

我国的复合材料始于1958年，首先应用于军工产品，后随着技术进步逐渐扩展到民用领域。

历经近60年的发展，我国已建造了100多种型号的复合材料舰船，包括：渔船、游艇、帆船、赛艇、巡逻艇、渔政船、救生艇、缉私快艇、冲锋舟等。

3 复合材料模块化上层建筑的应用前景

如上所述，20世纪60年代以来，复合材料上层建筑已经出现在海军舰艇上，表1列举了当前国际上上层建筑采用复合材料的典型案例。由此可以看出，复合材料是可以作为上层建筑制作的原材料，且复合材料作为上层建筑材料有其自身优势，比如减重、隐身、无信号遮蔽等。

复合材料模块化上层建筑，就是结合复合材料的特性以及模块化施工这一现代先进的施工理念，两者融合形成的适用于海洋工程应用的新型装备。

3.1 复合材料选择

复合材料模块化上层建筑的应用，首先要确保复合材料性能满足相关规范的防火安全需要，安全是首位的；，其次复合材料的选择要有一定的强度和刚度要求；再次就是复合材料要具有一定的经济性，能满足工程开发使用的经济性需求。

3.1.1复合材料的防火性能

船舶与海洋工程装备是一个相对封闭的场所，一旦发生火灾通常会对人的生命和财产安全及生存环境构成重大威胁。为此相关规范对船舶和海洋工程装备制定了具体消防安全目标和功能要求，复合材料的选择应能满足规范不同分隔区域的具体要求以及耐火试验程序规则要求。

由于一般用于制造复合材料的热固性树脂遇火后易燃烧，因此用于船舶与海洋工程的复合材料需要提高材料的氧指数，使其具有阻燃性或自熄性，或者采用完全不燃烧的无机复合物。

3.1.2 复合材料的强度和刚度

船舶与海洋工程装备在其生命周期内，可能会遭遇恶劣天气和自然灾害，因此复合材料要有足够的强度和刚度，能够抵抗遇到的恶劣自然环境。

复合材料制品轻质高强，具有突出的比强度和比模量，可以通过不同角度的纤维布置设计使复合材料强度达到设计需要。此外，复合材料的弹性模量较低，可以通过结构形式上的合理设计来弥补材料刚性不足的问题，如采用夹层结构、折板结构、拱形结构或加肋结构等，通过合理的结构设计提高结构的刚度和稳定性，使复合材料板满足设计需求。

3.1.3复合材料的经济性 （下转第页）（上接第页）

复合材料费用偏高，目前一般的玻璃纤维增强树脂基复合材料的成本为15 000元/ t，如果采用碳纤维等高性能的增强材料或环氧树脂等高性能基体材料，成本还会增加。因此为了减少复合材料上层建筑结构的造价，需要根据构件的不同用途选用不同的材料、不同的受力特点采用不同的复合结构形式，通过合理的材料设计和结构设计，使结构满足使用要求，又降低成本，达到最高的性价比。

4 结语

复合材料虽然因为其成本较高，在船舶与海洋工程中的应用没有传统钢材广泛。但是其优越性能和较低的全生命周期维护保养费用，以及复合材料技术和工艺的不断创新和发展，使复合材料的应用得到了快速发展，并具有广阔的前景。复合材料模块化上层建筑也会在船舶与海洋工程领域占据越来越重要角色。

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