复材应用｜复合材料在船舶上的应用（第三部分）

（接第二部分）

二，主要用途（军用和民用混合）

复合材料自问世以来就一直在舰艇工业中发挥着重要作用。国内外对其在海军舰艇上的应用非常重视。复合材料在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀，水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好，无磁性，介电性能优良）；优良的设计、施工性能，容易维护，维护费用远低于钢制艇和木制艇。

纤维增强型复合材料以高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀以及良好的可设计性而受到工程界的青睐。在造船业，还因其具有成型方便，建造工艺简单，建造周期短，无磁性，能透过雷达波和红外线，以及船体易保养、不污染等优点而获得广泛应用，如上层建筑、桅杆、舱壁、甲板、推进器轴、螺旋桨、舵、管路系统等都有采用复合材料的。

复合材料在快艇、游艇、赛艇以及诸如拖网渔船等小型商业渔船上的使用逐渐得到了普遍认可。由于成本原因，早期复合材料在大型船舶上的应用主要是建造军事扫雷舰。近年来，复合材料在较大船只上的使用不断增加，在船只的各个领域包括船壳、地板、墙壁板、甲板和舱壁以及管道系统、油箱、废水箱、声呐罩、管道、泵、阀门、桅杆和上层建筑中应用越来越普遍。

2.1 船体结构

船体结构大概分为单板加筋结构、加强筋硬壳式结构、FRP 夹层结构、波纹形结构和混杂结构等几种形式。最常采用的舰船结构形式是单板骨架结构，具体类型可以分为三种：纵骨架、横骨架以及混合骨架结构。

我国复合材料舰船经过多年的发展，在船体结构的设计和制造上，已开始关注硬壳式结构、夹层式结构等船体结构形式。

图14 复合材料船体结构

2.2 上层建筑

以往都是采用铝合金来降低大型舰船上层建筑的重量，然而战场经验表明，特别是马岛海战，铝合金上层建筑因它的热传导高、熔点低而易软化或熔化，一旦起火难以阻隔火灾的蔓延。此外，铝合金上层建筑与钢结构连接处易产生疲劳断裂，已是十分普遍的现象。近年来，许多海军国家对采用复合材料建造大型舰船上层建筑的可行性进行了评估。由于GRP的屈服应变约为钢的10倍，因此在钢结构与复合材料上层建筑连接处产生疲劳断裂的可能性大大减小。同时复合材料上层建筑代替钢质上层建筑还可减轻重量。

与钢和铝相比，CFRP上层建筑制造成本高，因为其和钢甲板的连接处花费昂贵，对于中型护卫舰来说，上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%，尽管如此，许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本，因为可以节省使用周期成本，从而降低总体成本。不过，许多造船场所既没有设备，也没有技术制造复杂的复合材料上层建筑。

据英国海军估计，在23型护卫舰上，整个直升机库采用复合材料与钢肋骨的混合结构可减轻重量达31％（或9t），减轻的重量可用于增加武器装备数量并提高适航性。法国海军于1992年开始在舰船上层建筑采用复合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”级舰的上层建筑均采用复合材料GRP夹层板建造，其采用复合材料制造的部分包括：内部武器系统外罩（CIWS）、前面的指挥室、直升机架、架子大门和烟囱。台湾海军的6艘“拉斐特”级护卫舰及沙特阿拉伯改装的3艘“拉斐特”级护卫舰的上层建筑均为复合材料建造。芬兰海军护卫舰的上层建筑也采用了复合材料，但上层建筑前部的驾驶室、作战情报中心和信息控制中心为钢结构。美国海军“阿利·伯克”级驱逐舰的上层建筑是由夹层复合材料与钢结构组合而成，包括武器系统外罩（CTWS）、前指挥室、直升机库、烟囱等。

图15 船舶上层建筑构成

图16 复合材料武器系统外罩（CTWS）

图17 美国MEKO系列濒海战斗舰上层建筑几乎都为复合材料

2.3 桅杆

传统的钢桅杆采用开放式结构，突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。

桅杆通常位于舰船的最高处，最容易被探测到，其隐身性能差，因此是舰船雷达波隐身的重要改进对象，桅杆通常配备重要的雷达及通讯设备，可以确保舰船的战术技术性能，对于舰船的探测和信息传递有重要作用，通常也是被打击的重要对象。鉴于桅杆的重要作用，同时为更好的适应现代海战的需求，封闭式复合材料桅杆逐渐替代了传统的桁架式桅杆结构，成为现代舰船的主要发展对象。

舰船复合材料桅杆是复合材料舰船应用的一大标志：

图18 舰艇用复合材料全封闭式桅杆

法国“拉斐特”级护卫舰（1992）是世界上第一艘采用综合隐身设计的大型护舰，其桅杆采用了隐身外形设计，其材料采用了雷达吸波较好的复合材料，并且在雷达波隐身、红外隐身、声隐身、磁隐身方面都具备优越的性能。新加坡的“威武”号护卫舰是是法国“拉斐特”级护卫舰的衍生品，同样进行了隐身设计。“威武”级的隐身技术更加成熟，尤其是雷达隐技术。

图19 采用先进复合材料桅杆的舰船示意图（图片来自互联网）

图20 夹层复合材料桅杆结构形式

图21 北玻院为054护卫舰生产的复合材料桅杆

2.4 推进器

因复合材料重量轻、。美国海军计划在动力舱中采用玻璃增强酚醛复合材料，包括船用柴油机的气缸、缸盖、油底壳、凸轮罩、支承滚轴、调速链轮以及水泵、油泵、滑车等。

水面舰艇的一些机械元件也可采用复合材料制造，在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；耐腐蚀、低磁信号、电信号、抗磨损，可降低结构和空气中的噪声达5-20dB。

图22 船用碳纤维推进轴

（未完待续）

来源：用户72764005553