孙九霄基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计.docx

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孙九霄基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计

基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计

孙九霄谢振兴周俊

中国舰船研究设计中心湖北武汉430064

摘要:

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。

关键字:

船舶设计复合材料HyperWorks结构优化

1前言

纤维增强树脂基复合材料是一种理想的结构/功能材料,具有传统材料无法比拟的优良综合性能。

近年来复合材料凭借其优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性在舰船中得到了广泛的应用,已形成独特的纤维增强树脂舰船材料、设计与制造技术。

材料成型一体化是复合材料的区别于传统材料的一大特点,而这也使得复合材料设计及优化变的尤为重要。

复合材料的结构设计及优化是一项基础性和应用性很强的工作,其最终目的是将结构设计的更合理、成本更低、工艺性更好且更安全可靠。

2复合材料在海军舰船中的应用情况

目前复合材料在海军上的应用非常广泛,但是很久以来这些应用仅局限于一些小型船只和一些次要的舰艇结构。

二战以后,复合材料首次在美国海军的一些小型客运舰艇上得到应用。

在实际应用时,发现这些舰艇有很多优点,如强度大、刚度大、持久耐用而且易于维修,因此,在上世纪40年代到60年代,复合材料在美国海军中的应用迅速增加。

在越南战争期间,应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和侦察艇等各种舰船数量达3000艘。

美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。

表1列举了二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用。

表1二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用

扫雷艇（15.5米长登陆侦察艇（15.8米

登陆舰（15.2米内河巡逻艇

客运舰艇（7.9米领航艇

木船罩潜艇流线装置

潜艇声纳罩潜艇无压浇注船体

潜艇尾翼小型舰艇船室

桅杆和桅杆覆盖物天线屏蔽罩

方向舵天线绝缘管道

罐（燃料、润滑油、水管道系统

鱼雷发射管船员掩蔽所

舱口盖绳索防护装置

自上世纪50年代,复合材料开始在其他国家海军的舰艇和潜艇上得到应用。

英国皇家海军和法国海军为了获得更高的声波穿透率,提高潜艇的隐身性能,开始采用复合材料代替钢材应用在潜艇声纳罩上。

同样,应用在海面舰艇的天线罩上可以保护通讯和监视天线。

到上世纪70年代,英国、瑞典、挪威等各国海军开始采用复合材料来制造猎雷艇,荷兰海军也开始把复合材料应用于领航艇和登陆舰上。

这标志着复合材料在大型海事结构上应用的开始。

随着我国经济和科技的进步,近年来复合材料在我国船舶领域得到了迅速的发展。

复合材料在船舶中的用量逐年增加,但主要还局限于一些小型的民用运输船舶和游艇上。

早期复合材料的制造质量和船体刚度相对较差,这限制了舰艇的长度不能超过15米,排水量不超过20吨。

近年来,复合材料的设计能力、制备技术、力学性能都有了较大的提高,再加上成本的降低,复合材料开始在一些大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和轻巡洋舰上得到应用。

随着时间的推移,舰艇的长度逐步的增加,现在已经有80到90米长的全复合材料海军舰艇。

如果依此趋势,同时随着技术的提高,到大约2020年,采用复合材料制备中等尺寸的军舰,如120到160米长的护卫舰完全可能。

3复合材料在船舶结构设计中应注意的问题

复合材料层合板和夹芯复合材料是舰船设计建造中最常用的两种复合材料结构。

复合材料自身的特点决定了它在船舶结构设计中和钢材的设计是不同的。

3.1玻璃纤维增强复合材料的特点

玻璃纤维增强材料是以合成树脂为基体材料,玻璃纤维及其制品为增强材料组成的复合材料。

复合材料因为不是特定的物质,而是材料使用方法的概念,它不受特定材料性能的限

制,可以根据用户的需求通过选择不同的原材料组合进行自主设计。

复合材料产品具有以下优点:

质量轻、比强度高、比模量高;耐腐蚀、抗海生物附着;绝缘;介电性和微波穿透性好;冲击韧性好;导热系数低、隔热性好;可整体成型、船体无接缝和缝隙;成型工艺简便,适宜批量生产;几乎不需要维护保养。

但是复合材料自身有局限性,因此需要根据复合材料的特点来进行船舶的设计,在设计中充分发挥复合材料的优势。

3.2复合材料脆性大,避免出现应力集中

图1玻璃纤维增强复合材料拉伸试验

图1为玻璃纤维增强复合材料拉伸性能测试,从试验结果可以看出,复合材料直到破坏都没有明显的屈服点,这说明了玻璃钢的脆性大,没有金属的缓和应力作用,所以在设计切口、开孔和构件间断时应当充分考虑附近的应力集中现象。

复合材料构件常用的连接方法有两种:

机械紧固件连接和胶接连接。

对于紧固件连接,主要用在设备机器安装等局部区域,其优点是装拆方便,检查容易,缺点是受力面积小,产生应力集中,连接处疲劳性能差。

当外力作用在复合材料层合板上,板材的装配孔、螺钉槽等周围会产生很高的应力集中。

为了消除应力集中,复合材料的开口应保证光滑,尽量设计成光滑的几何形状。

胶接连接主要应用在船体结构连接（如层合板对接、骨材和外壳板和甲板的连接、甲板和舷侧板连接、骨材交叉连接以及舱壁与船壳板的连接等,在设计中对纵横构件的连接应分清谁间断谁连续,对间断的构件应保持良好的连接,同时考虑如何提高接缝弧度,使其达到原结构的强度,避免出现应力集中现象。

3.3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。

3.4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。

4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。

5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。

图2夹芯复合材料模型

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,

优化前位移云图优化后位移云

图

优前后应变云图

Altair2012HyperWorks技术大会论文集优化后应变云图优化后铺层结果图3优化前后模拟结果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）。

6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。

7参考文献[1]泡沫夹芯复合材料界面断裂机理和增韧研究.[D].孙士勇.大连理工大学.2010.[2]玻璃钢材料在船舶设计中应注意的问题.[J].邱建新.中国水运.2007.[3]复合材料在舰船设计建造中的应用.[J].曹明法,杨磊.上海造船.2006.OptimizedDesignofShipCompositeMaterialBasedonOptiStructSunJiuxiaoXieZhenxingZhouJunAbstract:

Compositewhichisappliedinshipdesignandconstructionaroundtheworldisintroducedinthepaper.Problemsofcompositematerialexistinginshipdesignareindicated.HyperWorksisusedinstructureanalysisofsandwichcompositestructure,sizeandplyoptimizationisdone.Performanceoftheoptimizedcompositeisimproved.Keywords:

ShipDesignCompositeHyperWorksStructureoptimization6