復合材料浮體的結(jié)構(gòu)設計與低成本制造

滑聰 劉建弟 秦澤云 王海東

摘 要 復合材料因其具有比強度高、比模量大、耐腐蝕、抗疲勞和可設計性強等特點，在海洋領域得到廣泛的應用。鑒于傳統(tǒng)浮體材料和先進的固體浮力材料在使用中的局限性，本文結(jié)合復合材料的特性和浮體的技術指標要求，設計一款新型結(jié)構(gòu)的復合材料浮體，根據(jù)浮體的性能要求進行材料的選型，利用有限元仿真軟件MSC/Patran進行結(jié)構(gòu)設計和鋪層設計，采用聚氨酯發(fā)泡工藝和真空灌注工藝等實現(xiàn)復合材料浮體的低成本制造。

關鍵詞 復合材料；浮體；結(jié)構(gòu)設計；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，主要是為水面或水下設備和系統(tǒng)提供正浮力，浮體不僅要保證自身在水下復雜的海洋環(huán)境下正常使用，而且要能夠提高水下設備和系統(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、強度高、耐化學腐蝕、耐老化、尺寸穩(wěn)定、吸水率低、不污染水體環(huán)境等特點[3]。

國內(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、耐壓強度低、耐環(huán)境性差、泄漏污染環(huán)境等問題，使用場所較為局限。隨著海洋資源和海洋探測的不斷開發(fā)和利用，對浮體提出更高的要求，國內(nèi)外不斷開展低密度和高強度的固體浮體材料研究。固體浮力材料是一種具有低密度、高強度、耐靜水外壓、耐海水腐蝕、低吸水率等特性的復合泡沫材料，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格高昂、抗沖擊能力差、連接方式受限以及連接強度不夠等問題，在淺海浮體應用方面受到一定限制。

復合材料因具有比強度高、比模量大、耐腐蝕、抗疲勞和可設計性強等特點，在船舶制造、海洋工程、海洋探測等海洋領域得到廣泛應用[6，7]。鑒于傳統(tǒng)浮體材料和先進的固體浮力材料在使用中的局限性，本文結(jié)合復合材料特性和浮體技術指標要求，設計一款新型結(jié)構(gòu)的復合材料浮體，根據(jù)浮體的性能要求進行材料選型，利用有限元仿真軟件MSC/Patran進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鋪層設計，采用聚氨酯發(fā)泡工藝和真空灌注工藝等實現(xiàn)復合材料浮體的低成本制造。

2 浮體設計

2.1 設計指標

浮體主要設計指標包括：

（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 總體設計

針對某復合材料浮體，根據(jù)其外形及接口要求設計基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能對主體材料進行選型研究，利用力學仿真對結(jié)構(gòu)和鋪層設計進行優(yōu)化，同時與密度指標反復迭代，滿足力學和功能要求。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)浮體主要設計指標要求，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，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

復合材料浮體在滿足剛度和強度要求的同時，對整體密度、防水和耐腐蝕等也有較高的要求，故針對不同的功能進行材料選型，滿足其指標和使用要求。

復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度和減重要求，選用輕質(zhì)高強且成本低廉的玻璃鋼層合板。中間填充在實現(xiàn)減重要求的同時，重點要考慮自身填充和外形修整的工藝性以及對外殼施工的基礎支撐作用，選用聚氨酯泡沫。外殼在兼顧剛度和強度要求的同時，要滿足耐腐蝕、密封防水、耐沖擊等要求，選用高強玻璃纖維布/氈和強心氈與耐腐蝕乙烯基樹脂的組合式復合材料，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。埋件設計為方形臺階的螺紋盲孔結(jié)構(gòu)，采用嵌入玻璃鋼板的方式，通過機械限位和化學膠粘實現(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 浮體鋪層設計

4.1鋪層設計原則

根據(jù)浮體的結(jié)構(gòu)和載荷情況，結(jié)合復合材料可設計性的特點，要進行鋪層材料的選擇，鋪層順序、鋪層角度和鋪層比例的設計。通過細致的鋪層設計和優(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，復合材料浮體外殼部分遵循的鋪層設計準則如下[10]：

（1）均衡對稱鋪設原則

鋪層相對于中面對稱的均衡對稱鋪設可以避免拉-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)應盡量少，以簡化設計和減少鋪覆工作量。對于承受面內(nèi)載荷的層合板一般多選擇0°、90°和±45°等鋪層方向，對于準各向同性鋪層，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度和剛度的特性。

4.2浮體鋪層設計

浮體在實際使用時，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，同時環(huán)向各部位均承受壓縮載荷。根據(jù)復合材料鋪層設計原則，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，并參考復合材料壓力容器的鋪設方法，按照各向同性設計，具體鋪層結(jié)構(gòu)性設計如下：

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

（2）兩端面鋪層設計為平面鋪層，是基于各個方向等強度而設計的，充分發(fā)揮纖維的軸向強度，提高端面的強度和穩(wěn)定性，同時為抵消中心位置鋪層堆積，進行鋪層補強，鋪層示意如圖5所示。

耐壓浮體的使用環(huán)境比較復雜，在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的同時，必須具有防水、防撞及防震等要求，所以在復合材料鋪層設計的過程中，必須充分考慮滿足其功能性需求，主要選用玻璃纖維氈、高強玻璃纖維布、強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計如表2所示。

5 仿真分析

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

根據(jù)浮體結(jié)構(gòu)及其受力特點，將其簡化為實體模型，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)點單元進行網(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[11，12]。

浮體的力學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；最大應力為38.2 MPa，位于預埋件固定位置，該位置玻璃鋼層合版抗拉、抗彎、抗壓強度分別為152 MPa、222 MPa和133 MPa，安全系數(shù)n=3.5。綜上可知，新型復合材料浮體形變和應力安全裕度較大，滿足玻璃鋼復合材料安全系數(shù)1.5～2的要求，表明浮體的結(jié)構(gòu)滿足設計要求。

6 成型制造

復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)境下排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動和滲透，實現(xiàn)對鋪層的浸漬，并在一定條件下固化成型，是一種新型、低成本的復合材料制件成型工藝[13]。復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)浮體指標要求，在總體設計的基礎上，完成浮體結(jié)構(gòu)形式的設計；

（2）針對不同區(qū)域剛強度和功能性的要求，確定各部分的材料選型；

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

（4）利用有限元仿真軟件MSC/Patran進行力學仿真分析，完成浮體的結(jié)構(gòu)和鋪層設計的優(yōu)化。

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

參考文獻

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