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科技前沿

应用于海军舰艇和潜艇的先进复合材料结构综述(上)
来源:武汉理工大学复材结构课题组  2016-04-20 09:41:37
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2951

 


《复合材料结构》第 53期 (2001) 21-41

           应用于海军舰艇和潜艇的先进
                    复合材料结构综述

              A.P. Mouritz(a), E. Gellert(b)
              P. Burchill(b),K. Challis(b)

     a.澳大利亚,VIC3001,墨尔本2476V#
          信箱,RMIT大学,航空工程系,
          Sir Lavrence Wackett 航空设计技术中心
     b. 澳大利亚,VIC3001,墨尔本4331#
         信箱,航空与海事研究实验室,DSTO
摘要:  本文对近年来纤维增强聚合物基复合材料在海军舰艇和潜艇上的应用进行了综述。自20世纪80年代中期以来,军方一直致力于降低舰艇的购置和维护成本和提高其结构和操作性能,复合材料在该领域的应用日益增加。本文介绍了复合材料在海军舰艇上的大量新型应用,涵盖已有的和潜在的应用,如上部结构、甲板、船舱壁、先进的桅杆系统、螺旋桨、推进轴、方向舵、管道、泵、阀等,以及其在大型军舰如护卫舰、驱逐舰和航空母舰上的机械装备和其它装备应用。本文还阐述了复合材料在潜艇上的潜在应用,如在螺旋桨、控制面板、机械和配件上的应用;还讨论了复合材料在快速巡逻艇、猎雷艇和轻巡洋舰的整体制造上的应用。对于每种应用,指明了采用复合材料代替了传统造船材料如钢和铝合金的主要优势;最后对复合材料在海军舰艇上应用的主要缺点进行了概述。

1   前言
        本文综述了复合材料结构在未来海军舰艇和潜水艇中的应用的最新进展。目前,纤维增强聚合物基复合材料在海事结构件上的应用非常广泛。这些都源于提高运行性能(如提高运行范围、隐身性、稳定性和有效载荷),同时降低军舰和潜艇拥有者成本(如降低维护成本和油耗)的需要。本文考察的应用包括大型巡逻舰、气垫船、猎雷艇和整体采用复合材料的轻巡洋舰。复合材料的其它新型或潜在用途如大型战舰(护卫舰、驱逐舰)的上部结构、先进的天线系统、舰舱壁、甲板、螺旋桨、推进轴和方向舵。在将来,复合材料还会应用于潜艇上的控制板面、螺旋桨和桅杆系统。海军也正着手研究复合材料在内部装备和配件上应用的可行性,如机械装置、热交换器、设备底座、阀、泵、以及管道系统。
        虽然目前复合材料在海军上的应用多种多样,但是多年来这些应用仅限于一些不太重要的舰艇结构和小型船只上。二战后,复合材料首次应用在美国海军的一些小型客运舰艇上。实际应用时,发现这些舰艇刚度大、强度大、持久耐用而且易于维修。
        因此,在20世纪40年代中叶到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、登陆舰和一些在役侦察艇数量达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列举了自越南战争以来,复合材料在海军方面的应用。大量文献综述了复合材料在美国海军舰艇上的早期应用。
 


  在20世纪50年代,其他海军开始在他们的舰艇和潜艇上应用复合材料结构。英国皇家海军和法国海军开始在潜艇声纳罩上采用复合材料代替钢材,以获得更高的声波穿透率,同样,在海面舰艇的天线罩上应用复合材料可保护通讯和监视天线。到20世纪70年代,英国皇家海军、瑞典皇家海军和挪威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。这个时期标志着复合材料在大型海事结构上应用的开始。
        关于复合材料在海军舰艇上应用的综述很多,大部分都是八年以前的,有些甚至是30多年前的。本文旨在综述先进复合材料海事结构件在近年来的进展,重点阐述自80年代中期以来的进展;同时介绍了采用复合材料代替传统造船材料如钢和铝合金的优缺点;探讨新型复合材料结构件在现阶段的发展,介绍应用这些结构件的海军舰艇类型。因为许多的复合材料结构件还处于在研发阶段,所以每仅对每种应用进行简短介绍。具体的信息可以参考本文的参考文献。本文根据的是已公开发表的文献。由于保密的原因,本文没有对国防部列为密件的应用进行阐述。
2    复合材料海军舰艇的新发展
      早期复合材料都是应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制舰艇的长度不能超过15米,排水量不超过20吨。近年来,随着低成本复合材料的设计、制备和力学性能的提高,复合材料开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和轻巡洋舰上。图1是1945年到2000年间全复合材料海军舰艇的长度调查。随着时间的推移,舰艇的长度呈稳定的增加趋势,现在已有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,可开始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,但是,这是不可能的,除非采用复合材料造船的成本能够低于采用钢的成本。这部分综述了全复合材料海军巡逻艇、反水雷舰艇和轻巡洋舰的最新进展,并简短介绍了复合材料在海军水翼艇上的应用。
 


2.1   巡逻艇
        复合材料在海军巡逻艇上的应用已经有近四十年的历史。第一艘全玻璃纤维增强聚合物(以下简称GRP)的巡逻艇诞生于20世纪60年代早期,由美国海军制造,在越南战争期间在内河上应用。在20世纪70年代到80年代期间,复合材料在小型巡逻艇上的应用日渐增长,目前正在服役的已经超过300艘。大部分GRP巡逻艇的长度都在10米以下,排水量不超过10吨,很少有超过20米长的,因为船体梁的刚度太低。大于25米的巡逻艇船体通常采用铝合金或钢材。因为尺寸小,复合材料巡逻艇一般在内陆和沿海航行,不可能到远海区。
      不过,很多国家对制造长度小于50米、满载排水量为300吨、在远海区行使的全复合材料巡逻艇充满兴趣。通过对采用钢、铝、夹芯结构的复合材料制造大型巡逻艇在成本、重量和结构性能的比较,发现同等尺寸的巡逻艇,采用GRP夹芯结构的重量比铝制的轻10%,比钢制的轻36%。采用最新的制备技术如SCRIMP或采用碳纤维作增强体可以进一步减轻船体的重量。设计者们希望减轻船体重量的同时增加军用有效负荷,提高行使距离和/或降低油耗。
       Goubalt和Mayes预测,随着维护成本和油耗的降低,复合材料舰艇的操作成本将会低于钢结构。舰艇尺寸相同时,复合材料舰艇的使用周期成本略小于7%钢舰艇的。使用复合材料制造舰艇的主要问题是船体梁的刚度太低。Makinen等估计,对于50米长、采用夹层复合材料制造的巡逻艇,其船体梁的挠度比钢艇的要高出300%。Alm计算得到,对于50米长的海军舰艇,用复合材料制造的船体梁的挠度比钢制的高出240%。船体梁挠度增加会带来很多问题,如铰接处和连结处的疲劳裂缝,并进一步导致螺旋桨轴线的错位。
      最大的全复合材料海军巡逻艇由挪威皇家海军操作的Skjøld级舰(如图2)。Skjøld级有着飞机的表面效果。这个双体船46.8米,宽13. 5米,满载排水量是270吨。它采用喷水推进,升力风扇把吃水深度降到2.6米,所以可以达到静水中57节和三级海浪下44节的速度。Skjøld级完全由夹层复合材料制造,即玻璃纤维和碳纤维薄板表面和聚氯乙烯泡沫芯层。第一艘巡逻艇——KNM Skjøld 于1999年开始服役,现在仍在接受大海的考验。如果成功的话,挪威皇家海军考虑再购买六艘巡逻艇。
 


  Skjøld艇的制造者们采用夹层复合材料代替钢或铝合金来简化船体和上部结构,而且复合材料可以提供高的强度/重量比、好的冲击性能和低的红外、磁和雷达特性。如果仅仅采用GRP,则需要引入导电材料(如铜网)来提供电磁防护,从而保持舰艇上的电子设备精确运转,当然这会增加舰艇的制造成本。碳薄板的大量应用保证了结构(如梁框、桅杆和枪的支撑底座)所需的高刚度。在上部结构中应用碳纤维同样可以提供电磁防护。Skjøld级上装备了一列光纤光栅传感器,从而确保海上实验时所产生的应变水平下能够实时信息。
       瑞典皇家海军也把复合材料应用在大型巡逻艇上。20世纪80年代末期,瑞典海军制造了一艘30米长的地面效应舰艇,即Symyge MPC2000,采用的是夹层复合材料,包括碳纤维、玻璃纤维和Kevlar 纤维增强乙烯基酯表层和聚氯乙烯泡沫芯层,具有轻质、良好的抗腐蚀性、良好的抵抗水下冲击载荷损害的能力和许多隐身的性能(包括低的热、磁特性和良好的阻声性能)。但是,大多数大型巡逻艇仍然采用低成本的钢和铝合金来制造。
2.2   反水雷舰艇
         舰艇中用来定位和摧毁鱼雷的是我们熟知的反水雷舰艇(MCMV)。传统上,MCMV采用木材制造,这是因为木材没有磁性,所以舰艇在水中运行时不会被磁性水雷探测到。二战后,制造MCMV所需的高级木材越来越稀少,此时仍采用木材来制造MCMV就不再经济。此外,木材MCMV在整个使用过程中都需要维护,因此它的全程使用成本太高。为了解决这个问题,1951年美国海军尝试制造了一艘15.5米长的复合材料蜂窝夹芯结构扫雷艇,即XMSB-23。但是,该复合材料艇的制作质量、力学性能和防水性能都很差。结果,海水渗入到了XMSB-23的船体,因此它也就不可能用在扫雷行动中。
 


  20世纪60年代到70年代期间,美国和英国继续着猎雷艇的设计和开发。成功采用复合材料制造的第一艘MCMV——HMS Wilton诞生于1973年。它全长46.6米,满载排水量达450吨,是当时最大的全GRP舰艇。HMS Wilton的巨大成功带来复合材料的应用的迅速扩张, 20世纪80年代早期200多艘全复合材料MCMV制造成功。表2 列出了当前不同类型的正在服役或在建的MCMV,其中大部分的长度都在50米以上,满载排水量超过600吨。
       复合材料在MCMV上的应用,激发了舰体的设计创新,使得舰体能够抵抗局部翘曲、具有大的支架刚度以及优异的水下抗冲击性。舰艇操作者在选择舰体类型时,也考虑了其他标准,包括购买和维护成本、磁特性、声音阻尼性和耐火性。常见舰体结构是框架支撑的单壳结构、无框单层结构和GRP夹芯结构。采用这些设计制造的舰的实例如图3所示。
 

 

 

 


  最常见的舰体结构类型是框架支撑的单壳结构。英国皇家海军的Hunt级和Sandown级MCMV采用的就是这种结构。同样,法国、荷兰和比利时海军的Tripartite级舰艇也采用了这种结构。整个设计包括横向的框架和纵向的复合材料梁,纵横胶结形成GRP预成型的层压结构。这种框架结构能够提供舰体梁所需的刚度,示意图见图4。

 

 



  单层结构的舰体没有框架。代之以非常厚(达到0.15-0.20米)的GRP外壳来提供舰体所需的刚度和水下抗冲击性能。甲板和主要的舰舱壁都能为舰体提供刚度。例如意大利的Lerici和Gatea级猎雷艇。澳大利亚的Huon级和美国的Osprey级采用的也是与意大利类似的设计。通过在Landsort级和Flyvefisken级MCMV上的应用,GRP夹芯结构获得了广泛的认同。舰体和上部结构采用复合材料夹芯结构,即由薄GRP表皮包覆聚氯乙烯泡沫芯层。薄的表皮提供刚度和强度,而夹芯层则提供抗剪能力和低的密度。
        除了上述介绍的复合材料舰体结构外,还有一些其它结构应用复合材料,但目前应用还不是很广泛。例如,Gass等评价了一种应用在MCMV上的波纹形复合材料舰体结构原型。其外表面的纵向波纹用来提高梁的刚度和强度,而制备成本比传统的框架单层结构少25%。虽然如此,目前没有一艘MCMV采用这种波纹形的舰体结构。
        20世纪80年代期间,美国海军考察了制造具有气垫表面效应舰体MCMV的可行性。他们期望舰艇具有低的磁特征和声特征、对水下冲击较小的敏感性,这样舰艇运行时就更加安全。可惜并没有制造一艘舰艇,此计划就搁浅了。但是,挪威皇家海军目前正在使用具有气垫表面效应的Oksøy级和Alta级MCMV。这些舰艇都是GRP夹层复合材料的双体船。其中的一艘Oksøy级——KNM Hinnøy作为 MCMV是独一无二的。它是唯一安装了光纤传感器来监测舰体和甲板的应变。传感器可以确保舰体的结构行为与设计所预测的一致,因为它可以监测舰体结构,在其超载时发出报警。同时,也安装了其它传感器监测引擎、喷水式螺旋桨和其它机械产生的结构振动。

2.3   轻巡洋舰
       目前采用复合材料制造的最大海军舰艇是轻巡洋舰。由瑞典皇家海军主导设计和制造,通过YS-2000项目制造复合材料轻巡洋舰的 。该项目的目的是制造Visby级轻巡洋舰,长72米,10.4米宽,满载排水量是720吨,是最长也几乎是最重的完全复合材料舰艇(如图5)。Visby级具有监督、战斗、布雷、扫雷和反潜作战等多种功能。为了扮演这些角色,它必须具有质轻、强度大、耐水下冲击载荷和低的雷达及磁特性等隐身性。瑞典皇家海军认为,采用复合材料来制造整艘舰艇比采用钢、铝合金或混合材料更容易满足上述要求。
 

 


   Visby级轻巡洋舰采用的是复合材料夹芯结构,即碳纤维和玻璃纤维混合增强聚合物薄板,包敷聚氯乙烯芯层。Visby级是第一艘在舰体结构中有效利用碳纤维复合材料的海军舰艇。碳纤维的价格至少是玻璃纤维的五倍,昂贵的价格限制了它在大型海事结构件上的应用。但是,Visby级的设计表明采用碳纤维可以把舰体重量减轻30%左右,而且制造成本不会大幅增加。重量的减轻可以转化为舰艇性能的提高,即降低油耗来增加运行范围和降低操作成本。
         应用碳纤维增强复合材料更大的好处是碳纤维能为Visby级的上部结构提供足够的电磁防护。但是,利用复合材料也存在很多问题,如耐火性差。第一艘Visby级轻巡洋舰在2000年6月下水投入使用,还将经受大海两年的考验。瑞典皇家海军已经又订购了五艘。
        新加坡皇家海军目前正与瑞士的Kockums AB共同设计新一代的采用复合材料制造的巡逻艇/轻巡洋舰,即NGPV级。计划制造八艘,目前,工作刚刚开始。虽然没有公布相关设计细节,但是已经知道,舰艇采用了隐形设计,由三个船体并列而成,船体将采用复合材料夹芯结构。有些舰体结构采用凯芙拉纤维复合材料,能改进对小型武器火力和榴霰弹的抵抗力。舰体预计长80米,排水量达1016吨,比Visby级舰更长,也更重得多、
        美国海军也在考虑采用复合材料来制造下一代轻巡洋舰。最初的设计着眼于用复合材料代替钢来制造85米长、1200吨排水量军舰的可行性。他们认为,重量降低30%,排水量降低7-21%,可以节约15%的成本。降低舰体重量,就可以增加武器的载荷和舰艇的运行范围,从而可能提高其作战能力。英国的Vosper Thornycroft正在评估制造全复合材料,或舰体采用金属、上部结构和防水壁及天线系统采用复合材料的轻巡洋舰的可行性。预计瑞典海军即将开始设计90-120米长、全部由复合材料夹芯结构构成的军舰。尽管过去十年复合材料轻巡洋舰的设计和制造取得了辉煌的进展,但是可以预计,在未来十年里,大部分的轻巡洋舰仍会采用钢材,因为其制造成本更低。

2.4   水翼艇和气垫船
        自20世纪70年代以来,复合材料应用在少量海军水翼艇和气垫船上。Graner综述了早期复合材料在舰艇非关键结构上、以减重为目的的应用。目前,复合材料在气垫船上的应用已经扩展到包括基础结构,如上部结构和舰体在内的应用。1998年,斯里兰卡海军使用了一艘18.8米长的M10级气垫船,它的上部结构是凯芙拉纤维增强复合材料。
        瑞典正在制造一艘20米长的海军气垫船原型,舰体采用复合材料夹芯结构,可以降低重量,提高损伤容限,同时降低维护成本,而且不含铝合金这种传统舰体材料。但是,Smith和Monks预测,采用复合材料代替铝合金可能会使得舰体的制造成本上升15%。
 

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2951