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玻璃钢船体结构设计的一般原则

时间:2022-11-02 百科知识 版权反馈
【摘要】:通常,艇壳板的结构应通过纵向与横向的扶强材予以加强,但对夹层结构或艇长LH为8m以下的小型游艇,且其艇壳板厚度已超出其强度要求以及艇体的形状已提供了加强作用者除外。玻璃钢对于小艇而言是一种优秀的结构材料,采用这种材料的游艇尺寸在逐渐增大。根据玻璃钢的这一特点,设计人员在设计间断构件和开孔形式时必须满足某些严格的要求。

依据我国《游艇入级与建造规范》(2012)中的规定:

(1)艇体结构的设计应使船舶能够承受整个正常航行期间可能遭遇的最大外力。

(2)允许釆用直接计算法设计艇体结构,但结构计算书应经中国船级社(CCS)审查。

(3)通常,艇壳板的结构应通过纵向与横向的扶强材予以加强,但对夹层结构或艇长LH为8m以下的小型游艇,且其艇壳板厚度已超出其强度要求以及艇体的形状已提供了加强作用者除外。

(4)对于无扶强材的艇壳板,凡艇体横剖面线型上呈小于130°角的硬点处(如艇底中心线处、甲板与舷侧板相交处、舷侧折角处以及舷侧设置的连续小平台等)均可作为该处设有扶强材处理。在计算该处板厚度时,短边长度S若针对曲面板则应取其曲面的弦长。

(5)只要具有足够的强度与刚度,且与艇体联成一体的双底结构、固定液柜、隔板、内部构件等可作为扶强材。

(6)艇体纵向构件应尽可能在全艇范围内保持连续。

(7)板的厚度应为不计胶衣及修整复合物或其他非增强材料时的厚度。

(8)外窗玻璃应釆用符合有关标准的钢化安全玻璃、聚碳酸酯玻璃或层压玻璃。玻璃厚度要求应满足CCS《沿海小船建造规范》或CCS接受的其他标准的要求[3]

大部分的游艇建造规范,如《沿海小船建造规范》、《游艇设计与建造规范》等,除了第一部分的通则之外,紧接着第二部分便是对材料的要求,由此可见,设计、建造游艇时,材料的选择至关重要。同时,我国船级社也发布了类似《材料与焊接规范》之类的规范资料,以辅助并实现规范化船舶建造过程。

玻璃钢对于小艇而言是一种优秀的结构材料,采用这种材料的游艇尺寸在逐渐增大。材料的性能以及工艺技术正在不断改进更新,使用的复合材料品种也在不断增加,这些改进使游艇的强度增加、重量比减小。蜂窝夹层材料的应用大大改善了刚度不足的劣势,在高性能小艇的制造中得到了广泛应用。玻璃钢可模塑成任意形状,而且只要有一个好的模子就能产生光滑的表面而不增加艇体重量,因此已成为游艇建造的主要材料。

玻璃钢与金属相比,其物理 机械性能及工艺性能均有独特的特点,这些在设计时必须加以考虑。正确地选择整个船体结构及其各部件可以使玻璃钢的缺点所引起的不良后果减到最少,同时又能最大限度地利用其优点。设计人员适当地选择玻璃填料及增强方式可以保证所设计的玻璃钢结构元件具有必要的强度和弹性性能,以便满足它们的工作条件。

玻璃钢的相对伸长很小,它在受拉破坏时具有脆性特征。因此,玻璃钢较容易因应力集中而被破坏。根据玻璃钢的这一特点,设计人员在设计间断构件和开孔形式时必须满足某些严格的要求。构件在间断处几何尺度光顺地变化,在开口处其材料以适当方式增强及加厚,或采取其他结构的加强措施,这在设计承载结构时必须仔细考虑,以免结构过早破坏。

玻璃钢一个很大的缺点是剪切弹性模量值太低,因此很难保证结构的横向刚度、稳定性以及受剪时的工作能力。在许多情况下,结构设计的依据准则不是法向应力和切向应力的高低,而是受剪切力时的挠度的大小以及临界欧拉应力大小。玻璃钢船体的一个特点便是外板、甲板以及构架型材的尺度都较大。参照不少专家的意见,限制玻璃钢在大船上应用的主要原因之一是其变形大。

玻璃钢的另一特点是其连接的强度不等于基本材料的强度,接头制造工作量很大,因此结构设计中接头应尽可能少,并避免布置在最大弯矩、最大剪力及最大振动的作用区。根据这种观点,即便是较大的游艇外板,最好也采用整体成型的玻璃钢板建造。其中隔壁、甲板和外板宜采用槽形板,因为槽与板一起成型可将构架的数量最大限度地减少,同时也减少了成型工作量,而这部分的工作量在整个船体建造工作量中占很大比例。

由于玻璃钢胶接的剥离强度很低,故不应该在已制好的结构(龙骨板、舷顶列板、舱口附近等)上用安装腹板的方法进行加厚处理,而应该在结构成型过程中,在各基本层之间交替地敷设附加增强材料,从而实现结构加厚。

玻璃钢结构元件的物理 机械性能还取决于其建造方法和所遵循的工艺条件,特别是增强材料的密度影响很大。所以,在结构图上,除了注明材料厚度以外,还要标出增强材料的层数,这样也便于控制玻璃填料的含量。

实践证明,增强材料的敷设密度与在各种模具上接触成型的方便性有关,如果能保证玻璃填料的含量处于下列范围内时,则认为其密度是正常的:

玻璃毡 20%~25%(对于外板);

玻璃毡 ≤25%(对于甲板);

玻璃绳织布 40%~45%(对于外板);

玻璃绳织布 ≤50%(对于甲板)。

构架梁的腹板和面板(当其在专用模具上制造时)应该有较大的密度:

玻璃毡 30%;

玻璃绳织布 55%;

缎纹布 约52%。

经验证明,采用组合增强材料制成的玻璃钢是适宜的,正确地配合各种类型的玻璃填料可以得到最佳方案的玻璃钢,它能满足对于船体结构提出的各种相互矛盾的技术和经济要求。同时,建造完成后,必须注意,玻璃钢在受潮、太阳光的辐射、温度等外界因素的作用下,其强度及弹性性能将随时间增长而改变[3]

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