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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(中)
来源:武汉理工大学复材结构课题组  2016-04-21 14:22:22
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2961

 
3     复合材料上部结构
       海军船体的水上结构采用复合材料已有很多年了。自20世纪60年代中期以来,巡逻炮艇上的炮艇舱面船室就开始采用复合材料,70年代早期,猎雷艇的上部结构也开始使用复合材料。最近,芬兰皇家海军安装了一艘快速巡逻艇Rauma,上部结构采用复合材料夹芯结构,船体采用铝合金。复合材料舱面舰体要克服两个主要问题,即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大问题。那么,对于小型海军舰艇(小于20米长)来说,采用复合材料代替钢材可以减轻约65%的重量。
       比较而言,以前降低大型军舰水上部分重量的方式是采用铝合金来制造上部结构。但是,战场经验,尤其是Falklans战争,突显了铝合金上部结构极差的耐火性,热传导率高,软化和熔融温度相对较低。此外,铝合金上部结构在和钢的焊接处,很可能产生严重的疲劳断裂,而且,在船体梁弯曲引起的应变最大处,疲劳断裂的可能性也很高。   
        在许多军舰中裂纹是如此的顽固和普遍,以致昂贵的定期维修必不可少。尽管昂贵,但在可能产生裂纹的区域采用复合材料加强能够抑制裂纹。 有些情况下,某些舰船永远不能服役了。由此,许多海军开始评价使用复合材料来制造大型舰船上部结构的可行性。GRP的屈服应变大约是钢的10倍,因此,钢制船体上的复合材料上部结构发生疲劳裂纹的几率应该低得多。
        20世纪80年代中期,首次进行了大型军舰的钢制船体上安装复合材料上部结构的可行性研究。发现制造上部结构的最佳选择是采用钢架增强的单层复合材料面板,或钟罩式增强的复合材料夹芯结构;研究同时表明,复合材料的上部结构比同样尺寸钢制的轻15-70%。由于所能减轻的重量取决于复合材料的类型和钢架的数量,变化范围很大。挪威皇家海军预测,下一代使用复合材料代替钢来制造上部结构的护卫舰大约可以减轻180吨重量。
        在上部结构中,用复合材料来代替钢也能大幅降低水上重量。例如皇家海军估计,在23号护卫舰上,用复合材料面板/钢架混合结构代替全钢的直升机架大约能够把重量减轻31%(或9吨)。Dodkins和Williams在报告中提到,在制造中等护卫舰的上部结构时,用钢架增强复合材料代替钢节省的重量有限,而制造成本却会大幅增加。
        Dodkins和Williams提出,全复合材料的上部结构,并采用复合材料夹芯结构面板增强的情况下,减轻的重量达到最大值,大约40%,而且制造成本不会大幅增加。降低水上重量可以增加武器的有效载荷和提高适航性。与钢比较不管能够减轻多少重量,复合材料上部结构都比同样铝结构的重30%左右。
        与钢和铝相比,复合材料的舰体上部结构存在很多缺点。由于复合材料上部结构和钢制甲板连接处花费昂贵,复合材料的制造成本高于金属。例如,Høyning和Taby估计,对于中型护卫舰来说,在上部结构采用复合材料代替钢,根据不同的材料、定位系统和需要的雷达特性的降低水平,建造成本将增加40-140%。
        另外,Kodkins和Williams预测,复合材料上部结构比钢制的仅贵9-47%。Arleigh Burke级(DDG-51)驱逐舰和Type 23护卫舰中,采用复合材料上部结构分别比钢结构的贵18%和35%。尽管成本高,许多舰船制造者和海军已开始接受高的制造成本,因为采用复合材料可以节省舰艇使用寿命中检修和维护的成本,并且,产生裂纹疲劳的可能性降低,可以保证更高的出勤率,从而降低了总成本。但是新的问题是,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部结构。
        法国海军首航了采用复合材料制造上部结构的大型军舰,即La Fayette护卫舰,时间是1992年。现役共有6艘。这类护卫舰船尾的上部结构采用的是GRP复合材料夹层面板(如图6)。包括直升机架,船尾部分共有38米长,15米宽,从主甲板算起有6.5-8.5米高,重达85吨,是军舰上部结构中最大的。护卫舰上的烟囱材料也是采用的复合材料。上部结构的前部,包括轮库,战斗信息中心和电信控制中心都是钢制的。台湾海军有六艘La Fayatte护卫舰(Kang Dang级),到2005年,沙特阿拉伯将拥有三艘改进的La Fayatte级护卫舰。
 
        目前,La Fayatte级护卫舰是唯一拥有复合材料上部结构的大型护卫舰,美国海军正考察打算在Arleigh Burke级(DDG-1)驱逐舰的钢上部结构里采用复合材料夹芯结构。采用复合材料制造的部分包括内部武器系统场地(CIWS)、前面的指挥室、直升机架、架子大门和烟囱。美国海军正在考虑采用复合材料修建Grasp级打捞艇的舱面船室。英国皇家海军也正考察为Type23和下一代护卫舰修建复合材料的直升机架。
        Vosper Thorneycroft正在为钢舰体的轻巡洋舰和巡逻艇设计夹层式复合材料上部结构。挪威皇家海军也正评估在下一代护卫舰上使用复合材料上部结构的可行性。复合材料在La Fayatte护卫舰和中等军舰的上部结构中的成功应用,促使未来驱逐舰和航空母舰的大部分或所有水上部分很可能采用复合材料。
4      复合材料桅杆
       20年代60年代复合材料首次在桅杆上使用,当时钢桅杆已经登上了美国海军通讯艇,美国的莱特和塞班岛军舰上置换了高达10-25米的GRP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,同时增强了雷达特性,易于腐蚀。
        20世纪90年代早期,采用复合材料制造军舰桅杆的兴趣重新被燃起。Critchafield等人的研究表明,复合材料桅杆可以克服钢桅杆产生的许多问题。11米高的原型桅杆(1:2)采用的是混杂复合材料,即S2-玻璃纤维和碳纤维,分别为了获得最大的弹道性能和高刚度。而且复合材料桅杆比同样尺寸的铝桅杆轻20-50%。复合材料桅杆应该具有更能耐疲劳、耐腐蚀,同时相比同样尺寸的钢桅杆而言,减低了电气障碍而能改进桅杆传感器的性能。复合材料桅杆能同时满足美国海军的耐振动、耐气流冲击和耐弹道损坏要求。可行性研究发现,复合材料桅杆比铝合金的制造费用至少高50%。
       1995年美国海军着手先进全封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S)的研究,以开发下一代的舰船桅杆。AEM/S项目是一项先进技术,意旨证明可以在能承担的成本范围内, 在大型军舰上安装复合材料桅杆。同时还证明了,复合材料更好的耐腐蚀性和传感性能,以及更少的雷达穿透区域。1997年五月,AEM/S项目开始实施,并装备在Spruance级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上,取代原来钢桅杆的主要部分(即船尾)。USS Arthur W.Radford 和复合材料桅杆的近视图如图7。前面的钢桅杆和后面的复合材料桅杆有很大差别。此图展示了AEM/S系统与传统的桅杆系统的显著差别。
 


图7 USS Arthur W. Radford及AEM/S系统
 
 
       AEM/S系统中的结构高28米,直径达10.7米,将成为美国海军舰艇上最大的复合材料水上结构。桅杆由装配成六角形的选频混合复合材料组成。这种独特的设计允许舰艇本身的传感器频率通过而且损耗很小,其它的频率则一律反射。从而改进了天线和其它传感器的性能,而降低了桅杆雷达的有效截面。另外,桅杆结构将所有主要天线和其它灵敏度高的电子设备封入在内,使其免受天气的侵蚀,从而降低了维护费用。
       经设置后AEM/S系统的性能可以满足USS Arthur W. Radford的所有需求。AEM/S系统的成功极大地促进了先进复合材料桅杆技术与下一代美国海军表面作战的水上设计部分的结合。目前,美国海军正考虑将AEM/S系统安装在未来的驱逐舰(SC21)、航空母舰(CVX)、海洋起重船(LH(X))、圣·安东尼奥(San Antonio)级两栖船坞运输舰—USS San Antonio(LPD-17)及作为现有军舰的主要改良桅杆。
       1996年,皇家海军和Vosper Thornycroft开始开发复合材料桅杆一体化技术(ITM)。此项目与AEM/S项目的目标近似,因为ITM的目的是克服传统钢架桅杆的问题。ITM采用的是复合材料夹芯结构,并装配有雷达吸收材料,包含通讯雷达、监视雷达和内埋的传感器。 据估计,这种复合材料桅杆的优点包括改进了隐身性、更好的环境保护,以及降低了对传感器的电磁干扰。而且比同尺寸的传统钢桅杆轻10%-30%。ITM正在进行改良以用于Sea Wraith stealth轻巡洋舰、皇家海军的2012号未来表面战士和未来的航空母舰。复合材料桅杆系统还曾应用于加拿大海军装备的一些Halifax级巡逻护卫舰上。
5 复合材料推进系统
5.1 螺旋桨
        由于镍铝铜合金材料(NAB)具有优良的耐腐蚀性和屈服强度,一直以来都是制造海军舰艇和潜艇上的螺旋桨的材料。但是,使用NAB也存在很多问题:复杂的NAB螺旋桨叶片的加工成型费用很高、NAB螺旋桨叶片易产生疲劳裂纹、声学阻尼性相对较差、振动噪音等等,诸如此类问题使得海军设计师们不得不开始考虑采用其它材料制造螺旋桨叶片的可行性。最受关注的材料是不锈钢、钛合金及其复合材料。
        复合材料螺旋桨系统的设计和性能是高度机密的,因此近年来的研究进展不可能公开发表。但是,众所周知,复合材料叶片中的纤维可以承受大部分的水动力和向心力。复合材料叶片的好处是,承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此,通过设计纤维排列和铺敷方式,可以优化叶片的性能。Lin指出纤维排列的方向会影响叶片的推力、有效颠簸比和翘曲。因此,叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。复合材料叶片一般做成包括玻璃纤维和碳纤维的固体薄片,或夹芯结构。聚氨酯或NAB或不锈钢的薄层可以用来保护叶片梢部免受强烈的冲击损坏。复合材料叶片通常用粘合剂或螺栓固定在金属的毂上,也有用复合材料制造毂的。
        Ashkenazi等描述了早期复合材料叶片的发展和性能测试方法。复合材料螺旋桨最早于20世纪60年代应用在苏联的渔船上,直径超过2米,在70年代早期,曾有直径超过6米的螺旋桨应用在大型商船上。同期开始了研制气垫船的复合材料螺旋桨样模。俄罗斯USSR进行了大量的试验研究,以比较相同形状的复合材料螺旋桨和金属螺旋浆的性能。所采用的螺旋桨直径是0.26-3米,试验用商船的排水量是2-5000吨,航速是5-35节。结果表明:在航速、油耗、引擎负荷、吸收功率和使用寿命等方面,两者大致相同。
        然而,复合材料螺旋桨可以把引擎和浆轴的振动效应降低25%,从而进一步降低舰体的振动和噪声。使用复合材料螺旋桨的优点列于表3,其中的某些项还未经证实。与NAB相比,复合材料螺旋桨的不足在于制造费用高、叶片梢部变形大、耐冲击损坏能力低。

 
 
        大批海军舰艇安装了复合材料螺旋桨以进行测试和评价,如登陆舰和扫雷艇。复合材料螺旋桨也用在Mark 6 鱼雷和小型船只上。虽然复合材料螺旋桨具有很多优点,它也不可能在海军舰艇上广泛应用。瑞典皇家海军的Viksten 扫雷艇安装了三个单叶片的复合材料螺旋桨。
        Lin经计算机模拟研究发现,某些形式的复合材料螺旋桨具有较差的水动力性能。Lin利用有限元分析方法比较了形状同样的模量较低夹芯复合材料螺旋桨和NAB螺旋桨,结果表明,在水动力载荷下,复合材料螺旋桨的最大叶梢挠度要高出一个数量级。Kane和Dow通过计算得到,采用玻璃纤维复合材料螺旋桨时,最大叶梢变形是NAB合金的五倍。复合材料的刚度较低,所以变形较大。Lin同时也指出,夹芯复合材料浆叶的最大平面弯曲和剪切应力比NAB浆叶约高50%,因此,复合材料浆叶达到最大工作压力时的航速比NAB浆叶低得多。上面的研究明显与我们前面阐述的复合材料螺旋桨的试用结果相矛盾。但是,模拟计算采用的是模量较低的复合材料。而商船和海军舰艇的螺旋桨一般采用的是刚度大得多的碳纤维复合材料,叶梢变形会小得多。
5.2  推进器
       与金属推进器相比,复合材料推进器有许多优点。它们可以降低使用成本、减轻重量和磁/电特性、降低辐射噪声、改进抗腐蚀性和抗疲劳性。潜艇的复合材料推进器转子叶片的开发更为保密,但已知的是目前正在研发数米左右的推进器,与设计和性能相关的细节则是保密的。法国海军正考虑在Le Triomphant 级潜艇的直径为2.7米的金属推进器上覆盖一层复合材料以降低辐射噪声。
5.3  螺旋桨和推进轴
        随着近年来复合材料螺旋桨和推进器的发展,出现了军舰和潜艇的复合材料推进轴。大型舰船如护卫舰、驱逐舰上大量的钢推进轴大约占整个船重量的2%(约100-200吨)。碳纤维/环氧和玻璃纤维/环氧复合材料轴比同尺寸的钢轴轻25-80%。舰船设计师们预计,复合材料轴能因其本身的阻尼性能同时抑制机器与轴的噪声传播,因此,会降低舰船的声性能。另外,复合材料无磁性,所以轴的磁特性可以降低。可以预见,复合材料轴可以解决腐蚀、轴承负荷和疲劳问题,而且可以把使用成本至少降低25%。
      复合材料推进轴不如本文介绍的其它海事结构发展那么快速。20世纪80年代,美国海军成功地测试了一个巡逻艇上的碳/环氧轴原型。他们也正考虑用复合材料轴来替换Sacramento级补给舰的重20吨,长10米、直径0.68米的钢轴,可以减重达80%,制造成本降低达50%。挪威已经在其Skjøld和Rauma 2000级快速巡逻艇上装配复合材料推进轴。目前复合材料在海军舰艇和潜艇推进轴已经有所应用,但是,要成为该领域的强有力的竞争材料,还需要解决设计、制造、性能、耐久力和维护等问题。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2961