游艇的材料设计.doc

游艇材料的研发1简介在奥运会和众多赛事中，赛艇是开展最早的运动项目之一。以1%秒为计时单位的赛艇比赛对船品技术含量要求严格。赛艇在水中前进，必须克服水的巨大阻力。而外形与材质起到至关重要的作用。经过数百年的发展，赛艇的外形已经越来越趋于流线化，座舱设计除了能容纳运动员外，几乎没有多余的空间。在材质方面，也由木质发展到后来的玻璃钢，再发展到今天的航空复合材料，这种复合材料制成的艇身，既轻便又坚固，是目前造艇科技的最高水平。先进复合材料性能优异，既可大幅度减重结构材料，又兼有高耐腐蚀的特点，因此在顶级赛艇上有广泛的应用前景。应用的部位包括：船体、甲板、座舱结构、船舵等。制造过程中会大量采用RTM技术，特别是SCRIMP，即西曼复合材料树脂熔塑成形法，大规模整体成形，并多用夹层结构，芯材可用蜂窝或闭孔泡沫材料。当今，优秀的顶级赛艇制造商已经通过不断的创新提升材料质量和耐久性，和先进的流水线生产确保了高效的生产效率和成本的降低。他们的成就包括： 将先进复合材料引入船舶结构应用中； 将复合材料引入整体承载结构生产赛艇船体外壳； 引进高性能预浸料，用以保护船厂环境。船用复合材料种类繁多，且被广泛运用于各种船艇的制造上。随着亚洲及中国造船业的发展，船用复合材料发展将会十分迅速，国内企业应开展科技创新工作，积极研发新产品、新技术，以增强自身竞争力。尽管受到金融危机的影响，亚洲造船业发展仍然十分迅速，这将给亚洲船用复合材料行业的增长带来强大的动力。日前，致力推动复合材料行业发展的法国JEC集团总裁兼首席执行官弗德瑞克米泰尔表示，虽然目前船用复合材料产量只占亚洲复合材料总产量的1%，约为2.7万吨，但随着亚洲尤其是中国造船业的发展，船用复合材料市场将有着巨大的发展潜力，船用复合材料产量的增长速度也将会十分迅速。JEC集团最新统计数据显示，复合材料行业的重心已经从北美洲和欧洲向亚洲转移，目前亚洲复合材料年产量为270万吨，年产值已经超过了180亿欧元；到2013年，亚洲将会占据世界复合材料市场51的份额，中国将占据世界复合资料市场43的份额；2015年，亚洲复合材料的产量有望达到1000万吨，船用复合材料的产量也将随之上升。据弗德瑞克米泰尔介绍，船用复合材料目前种类繁多，而且被广泛应用于各种船艇的建造上，比如船体制造中所用的复合板，船舶内饰中用到的玻璃纤维及木质复合材料，渔船、游艇、双体船等一般采用玻璃纤维增强材料制造，船内厨房、卫生间等设施采用一体化复合板，一些高科技的复合材料被应用在海岸巡逻艇建造上。此外，越来越多的船用复合材料被应用在海港设备、码头、桩柱、格栏以及海上工厂等海岸线装备制造中。国家玻璃钢制品质量监督检验中心副主任张林文也强调，船用复合材料的使用范围很广。与铁、铝等材料相比，船用复合材料具有重量轻、强度高的优点，这可以大大减少船舶在航行中使用的燃料，从而减少二氧化碳的排放量。比如，将凯夫拉纤维与玻璃纤维制成混合增强材料用在对强度要求较高的高速船船体上，能使船体重量减少12%，而且完全可以满足其强度要求。此外，船用复合材料在耐腐蚀性、耐候性、抗疲劳性、压缩度和弯曲度方面也有良好的表现。虽然亚洲船用复合材料市场的应用潜力巨大，但业界一致认为，亚洲制造商在生产技术上仍需要继续改进。比如，亚洲较多采用人工操作的方式生产复合材料，据统计，亚洲目前约有31的复合材料是通过手工糊制工艺完成的，这可能会对工人造成伤害。针对这些问题，弗德瑞克米泰尔表示，JEC集团将采用多种形式推广轻型树脂传递模塑成型工艺、纤维缠绕成型工艺等最新工艺技术，这些工艺技术在提高产品质量的同时，也有助于改善生产环境。此外，在2010年JEC国际复合材料亚洲展等各类复合材料展会上，JEC集团还会举办技术会议，介绍复合材料最新、最尖端的技术及应用情况，并组织商务会议，为亚洲复合材料设备供应商和制造商提供交流平台。就中国船用复合材料市场的发展状况而言，专家认为，随着中国造船业尤其是游艇产业的发展，中国船用复合材料行业发展将会十分迅速，但与欧美等国家相比还有较大差距。因此，目前，国内船用复合材料生产企业应重视技术创新，大力研发低成本纤维技术、低成本树脂技术、低成本预浸料技术、自动纤维铺放技术，使复合材料向低成本化方向发展，增强自身的竞争力；企业在生产方面应多采取设计制造一体化技术，采用全新的设计理念和手段，提高制造过程的信息化水平，将设计和制造进一步融为一体，加快产品研制进度，提高质量，降低成本。此外，目前许多国家已经针对复合材料制定了严格的环保标准，对此，企业应该开展对复合材料制造和使用过程中产生废弃物的回收处理和综合利用的研究工作，如开发新型低排放、易回收或可降解的原料，复合材料的回收利用技术等，顺应当前低碳经济的发展潮流，实现该行业的可持续发展。2国外游艇情况2.1日本日本复合材料船艇发展很快，用玻璃钢制作的船艇可用作多种用途，造型更是各显所能，可谓千姿百态。“浮城路”高速艇，用于濑户内海的高稳定性巡航船，1985年10月由日本三菱重工业公司研制成功。该船船体总长12.7米，宽5.4米，高1.8米，总吨位17吨，载客定员12名。“浮城号”即使在海浪中，船舱也不会摇晃。这种优点来自其独特的船体结构客舱与主船体分离，客舱位于装有缓冲装置和油压控制装置的主船体上。缓冲装置可以吸收高速航行产生的冲击加速度，由计算机控制的油压气缸伸缩能吸收航行中的船体摇动(包括纵向、横向及上下摇动)，客舱从而可以保持平稳。这种般体设计构思，在世界上尚属于首创。“新开6500”深潜考察船，1989年1月由日本海洋科学技术中心和三菱重工业公司神户造船厂共同研制而成。该船船体总长9.5米，宽2.7米，高3.2米，地面重量为25吨。船体外壳采用T级玻璃纤维增强塑料，由24块外层涂有胶衣、内有加强筋厚度为4毫米的镶板组成。船内的压舱水箱，采用碳纤维增强塑料制品总重约630公斤。高强度浮力材料采用特殊玻璃纤维与环氧树脂制成，比重为0.536的复合泡沫塑料，重量约为7.4吨(13.8m3)。船体外壳的成型和加工，由昭和高分子公司承担。“音乐2号”高速滑翔艇，是供2人乘坐的海上娱乐用冲压翼型滑翔艇。1990年2月由日本三菱重工业公司研制而成。船体总长5.95米，宽4.32米,高2.65米，功率为64匹马力，重2660米。它由一个大翼形成艇体和船翼，船翼由特殊织物粘结在铝管骨架上构成，翼下部和船舱都用玻璃钢制成，最高时速可达85公里。当时速超过50公里，翼内充气产生的空气压，将艇体推出水面约50公分时就可以开始滑翔。这种新型艇具有可以低速离水，以及离水面高度较高等优点。“水.海豚”号气垫船，1990年3月由日本长崎县壳新材料应用技术开发协会研制，分单体型和双体型两种。前者长4.95米，宽2.36米，重400公斤；后者长6.5米，宽2.21米，重400公斤。其时速均可达到20海里。单体型船体采用芳纶纤维增强塑料，双体型船体为以聚氨酯泡沫塑料为芯材的碳纤维增强塑料夹层结构。“水.海豚”号具有以下特点：船体尾部装有螺旋浆；航行与水深无关；不受水草、海藻等植物的影响；航行平稳性超群；上岸不必使用拖车；短距离内可以无水航行。“第三金丸”号客船，由新日本海运公司建造，自1990年7月起投入濑户内海旅游航线。该船船体全长32米，宽7米，高2.5米，总吨位152吨，载客定量303人，航速为16海里/小时。“第三金丸”号为纵向全加强盘结构，其筋骨及隔板加强筋采用箱型结构，以聚氨酯泡沫塑料为芯材；甲板梁亦采用箱型结构，以聚氨酯及柳安木为芯材。船体外板、壁板、上甲板，则均采用了玻璃钢单板。2、美国目前，Zyvex Performance Materials公司（ZPM）推出了一种用于船艇建造的新型复合材料碳纳米管增强预浸料(Arovex)，用这种材料制作的新船（540SE），目的是作为一个技术展示，表明未来的船只时，有能力用新的纳米材料来建造。这艘用Arovex建造的船长54英尺（16.47米），重量却不到8000磅（3632kg），船上设备齐全。这相对玻璃纤维复合材料的船艇重量减轻了75%，相对碳纤维复合材料船艇重量减轻了33%。大幅度减轻船体重量使船仅需要75的马力，大大减少排放量，并扩大它的航行范围。由于它极轻的重量，使这条船有非高的效率，并提供前所未有的燃油经济性和低、中等巡航速度。3游艇的GRP材料日前从中国工业防腐蚀技术协会了解到，在海洋产业“十二五”规划中，我国有关部门将对海洋工程结构腐蚀的控制技术做进一步的深化研发和扩展，新型防腐技术和新型复合材料将成为海洋工程结构的安全卫士。中国工业防腐蚀技术协会的调查数据显示，因海洋环境腐蚀条件苛刻，我国部分地区水工、港工工程腐蚀情况较为严重，如华南地区18座海岸码头、引桥使用725年，腐蚀破坏占89%；国内22座使用年限在715年的混凝土水闸，腐蚀破坏占56%；使用年限在23年的61座混凝土水闸，腐蚀破坏占87%。中国不饱和聚酯树脂行业协会副秘书长赵鸿汉表示，玻璃钢材料作为轻质高强耐腐蚀材料，早在数十年前就进入海洋防腐工程，如环氧乙烯基树脂基玻璃钢防腐内衬、罐管、格栅、飞溅区FRP(玻璃纤维增强塑料即玻璃钢材料)包覆阴极保护、拉缠FRP筋条等，早已进入港口码台，海洋平台及一系列海洋防腐工程。但按当前国家海洋工程建设的要求，国内FRP海洋防腐材料整体进入工程远远不够。目前，靠近我国沿海的珠三角、长三角、环渤海湾城市群的玻璃钢企业要积极抓住海工防腐工程大发展的契机，努力查询欧美市场的经典案例和标准规范，主动与有关科研院所加强合作，推进国内防腐蚀玻璃钢材料和制品的深入应用。玻璃钢的学名为玻璃纤维增强塑料，英文缩写GRP，既Glass Reinforced Plastic。1.优点：质轻高强，对减轻结构重量有较大潜力，特别适用于限制重量的高性能船舶和赛艇。耐腐蚀、抗海生物附着，比传统的造船材料更适合在海洋环境中使用。 介电性和微波穿透性好，适用于军用舰艇。能吸收高能量，冲击韧性好，船舶不易因一般的碰撞、挤压而损坏。导热系数低，隔热性好。船体表面能达到镜面光滑，色彩多样，特别是建造结构复杂、款式多样、外形美观的游艇。可设计性好，能按船舶结构各部位的不同要求，通过选材、铺层研究和结构选型实现优化设计。整体性好，可以做到整个船体无接缝和缝隙。船体成型简便，比钢质、木质船省工，且批量生产性特别好，降低造价的潜力很大。维修保养方便，维修费比钢质、铝质和木质船少的多，全寿命期的经济性能好。2.缺点：受刚性模量低和受成型技术等的限制，尚不能建造太大的舰船，加之原料价格较贵，在整个造船材料中的用量仍较少。3.特性：玻璃钢固化后具有收缩的特性。4.要求：温度15至30；湿度40%至60%，不超过65%；考虑通风、集尘、避光直射等。玻璃钢/复合材料的力学性能具有明显的方向性,玻璃钢等人造的复合材料还可以人为地变化纤维方向和数量来达到某种特定的强度要求。例如，我们采用“1:1 ”玻璃布（指经向纤维和纬向纤维量为“1:1”）制造的玻璃钢，其经向和纬向强度几乎是相等的。但在其它方向上强度则较低，如在45方向上强度比经、纬向强度1/2还要低。值得注意的是人们常常有一种误解，认为资料中所列举的强度数据就是实际构件的强度数据。其实这两者截然不同，差异较大。例如手糊聚酯玻璃钢板，小试件抗伸强度可达200-250MPa，而在同样原材料的3m*9m的大型构件上取下一块试样，它的抗伸强度只有100MPa。这是因为两者的制造操作条件不同，大块板工艺条件不如小试件那样理想。因此，在采用各类资料、书籍所给出的强度数据时，一定要注意你所设计的构件工艺制造条件和一般小试件之间的差异，否则将会出现问题。此外，还要注意玻璃钢/复合材料层间强度和弹性模量低的特点。层间是薄弱环节，因为层间没有增强纤维，所以它的层间剪切和层间抗伸强度都较低，充其量也只是树脂本身的强度。这个特点告诫人们在设计和制造玻璃钢制品时，除工艺制造时尽量使布层间粘牢外，设计上应使层间应力降到最低，防止层间破坏情况出现。例如， 306#聚酯玻璃钢的层间剪切强度只有8.9-26MPa层间抗伸强度还要低些。玻璃钢的弹性模量比木材大2倍，但比一般结构钢小10倍。因此，在玻璃钢结构中，常感刚性不足，会出现较大的变形。为了改善这一缺点，可采用夹层结构，亦可通过应用高模量纤维或中空纤维等来解决。可以看成： FRP刚性优质木材竹材。比强度（材料的抗拉强度与材料的比重之比）：即单位密度下的拉伸强度，也就是材料的抗拉强度与密度之比，用以说明其轻质高强的程度。玻璃钢密度介于1.52.0之间，只有普通碳钢的1/41/5比轻金属铝还要轻1/3左右，而机械强度却很高，某些方面甚至能接近普通碳钢的水平。例如某些环氧玻璃钢，其拉伸、弯曲和压缩强复均达到400MPa以上。按比强度计算，玻璃钢不仅大大超过普通碳钢，而且可达到和超过某些特殊合金钢的水平。4各国GFRP（玻璃纤维增强塑料，即玻璃钢）使用情况简述由于 GFRP 具有传统造船材料所无法比拟的优点，故倍受造船界的重视。经多年的开发应用，已成为一种重要的船用材料。但因其弹性模量低和受成型技术等的限制，尚不能建造太大的舰船，加之价格较贵，故在整个造船工业中的用量比钢材少。自40 年代中期第一艘 GFRP 船问世以来，世界各国相继开始研制各种 GFRP 船舶， 25 年间 CM 船舶开发的业绩超过了钢质船舶近一个世纪的发展历程，尤其是美、英、日、意等国迄 今仍保持强劲的势头。美国的 GFRP 造船量居世界首位；日本 1993 年 GFRP 渔船的数量已超过32 万艘， GFRP 游艇则超过了20 万艘；据统计英国 20 米以下的船有 80 是采用 GFRP 制 造，而且还批量建造了世界上最大的 GFRP 反水雷舰；意大利和瑞典也分别建成了各具特色的新颖硬壳式和夹层结构的大型 GFRP 猎扫雷舰。中国从 1958 年开始试制 GFRP 船，迄今 也已制造了数以万计的各种GFRP 船艇。下面对一些主要国家GFRP 船艇产品的研制和开发情况作一概述。1.美国美国是使用CM 最早和最多的国家，40年代初就宣告GFRP 研制成功。1946年美国海军建成了长 8.53 米的世界第一艘聚酯 GFRP 艇，拉开了CM造船的序幕。1954年前后，美国的手糊成型工艺日趋成熟，即开始开发 GFRP 游艇，次年就大量生产游艇、帆船等船艇。1956 年美国建造了2艘不同结构形式的小型扫雷艇，开始了GFRP 在扫雷艇中的应用研究，美国迄今最大的 CM 舰船是于 1991 年建成的 Osprey 号。美国还造了许多GFRP 游艇，最大的长达 44 米。 1966 年美国开始批量生产大型渔船，1979 年就建造了390 艘。2. 英国英国它的造船工业是最早使用 GFRP 的部门，1962 年英国船舶登记局颁布了劳氏船级社关于 6 36 米长 GFRP 船的技术规范。英国不仅是大型 GFRP 反水雷舰艇的先驱国家，它在CM 高速艇的研制技术方面也属世界一流水平，建造了不少军用高速艇 , 它还研制了航速 很高的轻型气垫船和横渡英吉利海峡的HM-2 型气垫渡船。3. 意大利意大利意大利的GFRP 游艇工业不仅发展较早，而且技术非常先进。它是欧洲制造35 米以上大型豪华游艇的中心之一，除了采用玻璃纤维外，还使用芳纶纤维和碳纤维增强，以提高游艇的性能。4. 瑞典瑞典也很注重GFRP 在船艇中的应用。应该指出的是，瑞典的夹层结构CM 技术堪称世界 一流，80 年代中期澳大利亚的艘 Bay 级双体猎雷艇就是引进瑞典夹层结构技术建成的。瑞典的夹层结构技术还用于建造了不少高速军用艇和巡逻艇，如TV171 、TV172 和 CG27 型海岸巡逻艇。值得一提的是，瑞典在1991 年研制成世界第一艘CM 隐形试验艇 “斯迈杰”号，该艇集先进CM 技术、夹层结构技术、隐身技术及双体气垫技术于一体，实属舰船中的高科技产品。5. 日本日本的GFRP 工业始于50 年代，经40 多年的发展，其GFRP 产量已跃居世界第2 位。在船艇方面的CM 主要用于渔船，仅海洋机动渔船的用量就占 76.3 。日本的高性能碳纤 维的研制水平及生产能力均居世界前列，主要用于高性能船舶、赛艇及豪华游艇。日本的第一艘 GFRP 船建于 1953 年，60 年代初 GFRP 游艇得到很大发展，成为美国游艇承包建造 基地，为建造 GFRP 渔船和大型艇奠定了基础。60 年代末开始大量生产 16 18 米高速作业船、装载船、救生艇、渔业监督船及高速客船。整个70 年代是日本GFRP 渔船大发展的时 期，平均每年增加1.8 万艘，且向大型化发展，吨位达到 99 吨。至1993 年GFRP 渔船已有32.77 万艘， 占机动渔船的84.5 。6. 中国中国GFRP 在中国出现后不久，第一艘聚酯GFRP 工作艇于1958 年在上海诞生。次年，北京也研制出环氧 GFRP 汽艇。这 2 条艇分别从南方和北方拉开了中国GFRP 造船的序幕。经过近40 年的研制和开发，业已建造了大小不一的百余种型号GFRP 船艇，其中最大的为总 长近 39 米的扫雷艇；高速滑行艇的代表为 982 型边防巡逻艇，已造了 200 多艘；渔船则以 80 年代中后期批量建造的总长近 20 米的海洋渔船为代表，其多数被派往南太平洋进行远 洋捕捞作业；典型的游艇为 52 英尺（16 米）豪华游艇；自 1992 年中国在蛇口召开第二届 国际高性能船舶会议以来，广东地区掀起研制 CM 高速客船的热潮，先后研制了40 100 客位单体高速船，1995 年还建成160 客和225 客高速双体气垫船，并与法国合作开发了双 体机动帆艇，最近正在研制航速高达80 公里 / 小时的CM 水翼艇。据不完全统计，中国（不包括台湾省） GFRP 的年产量约为 23.5 万吨，已形成数百家 GFRP 造船厂和制品厂， GFRP 船艇的年生产能力约为 7000 8000 艘。值得注意的是，在这众多 的 GFRP 船舶中，近年来已出现一批或正在开发几型尺度较大、技术要求较高的高性能船 舶。特别是国家科委决定将大型 GFRP 渔船的研制及产业化项目列入国家重点科技攻 关计划，这将有力地推动中国船舶中数量最多的渔船之 GFRP 化的进程，从而将促进 GFRP/CM 工业和 GFRP 造船业的发展。中国台湾省的 GFRP 造船业始于 60 年代中， 1966 年年用量仅 360 吨， 1988 年以来平均增长率为 10.9 ，到 1988 年 GFRP 年用量已超过 40000 吨。台湾的船用树脂和玻璃纤维已有多 家厂商获得英国劳氏船级社的证书。自 1965 年从国外引进 GFRP 造船技术，使游艇生产走 向专业化和现代化。经过 10 年努力，至 1975 年 GFRP 游艇已成为重要的出口产品。台湾早 在 1968 年就开始试制渔船，初期主要生产 2 吨以下的小型渔船和 GFRP 包覆木质渔船，以 后逐渐建造较大的渔船。总之，台湾省的 GFRP 游艇和渔船都比大陆的起步早，发展快， 特别是游艇的质量和数量上尤其突出。5复合材料艇体耐用性分析目前大多数现成游艇都是用聚酯树脂作粘接剂，用玻璃纤维增强的复合结构。这种艇使用期长，不易磨损，价格相对而言并不贵，而且维修简单。通常这种现成的艇采用手糊法成型，按大小不同，厚度从3/16英寸到1/2英寸不等。形状也是多种多样的，有泡沫塑料夹芯结构，轻木夹芯的，聚氧乙烯夹芯的和木芯的双层壳艇体。小些的艇体其夹芯部分就有足够的浮力，支撑着游艇而不会沉入海底。但是在较大的艇上就不行了。夹芯减少了实心玻璃纤维艇体所具有的共振传声特性，使较薄的艇壳增加了硬度，并有可能减轻重量。由于这种结构需要大量的人工，因此有夹芯结构的艇体要比一般的实心玻璃纤维艇体的成本高一些。径断面上的轻木夹芯可以和玻璃钢一起用于坚挺的甲板、舱顶等大面积平坦的地方。还有一种夹芯材料就是聚氯乙烯泡沫塑料，它可以是薄片形的，也可