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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(下)
来源:武汉理工大学复材结构课题组  2016-04-22 17:04:32
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2969
 
 
6 海军舰艇的复合材料二级结构、机械和装置

6.1 背景
复合材料在海军舰艇的二级结构、装置和设备上的使用与日俱增。具体来说包括烟囱、舰舱壁、甲板、方向舵、舱门、引擎底座、管道和通风系统。也包括柴油机的机械部件、泵和热交换器。下面将一一介绍。

6.2 烟囱
增加复合材料在大型军舰排气烟囱上的应用,可以降低水上重量,也可能降低成本。复合材料已在MCMV的烟囱上成功应用多年。近年来,Visby级轻巡洋舰和La Fayette级护卫舰的烟囱采用的都是夹层复合材料。目前的工作目标是在大型军舰上使用夹层复合材料,美国海军正考虑在Arleigh Burke(DDG51)级驱逐舰上安装复合材料烟囱。与钢烟囱相比,复合材料烟囱能够削弱雷达信号从而改进舰船的隐身性,同时,由于其具有优良的热绝缘性能,也能够削弱红外(热)信号。 采用复合材料军制造军舰烟囱可减轻的重量和节约的成本比例,目前还未有公开信息。据Horsman报道,在两艘意大利巡洋客轮上安装复合材料烟囱,代替铝和不锈钢烟囱,可以减轻50%的重量,并节约20%的成本。
 
6.3 舰舱壁、甲板、门、舱门
正在研究在海军钢舰艇上安装复合材料的舰舱壁、甲板、水密门和舱门的可能性。图8展示的是Vosper Thornycroft(英国)采用SCRIMP制造的一个复合材料舰舱壁。与钢舱壁相比,它的重量轻20-40%,具有更低的磁特性,发生火灾时对临近隔间的热传导低,并且具有更好的阻声性能。缺点是制造和安装的成本比钢舱壁的高20-90%。据预测,复合材料甲板也要比钢甲板贵30-45%。增加的成本主要是用于复合材料舱壁和周围钢结构的联结,以提供足够的抗力抵抗内部冲击损坏。除非这些费用能够降低,否则复合材料的舱壁和甲板很难在大型海军舰艇上广泛采用。
 
6.4 附件和遮护板
许多海军正考虑将复合材料应用在武器外罩和干燥甲板掩体,以及导弹冲击防护,以免受高速射弹和榴散弹的冲击。美国海军已经在其Kidd级导弹驱逐舰上使用凯芙拉复合材料盔甲,以保护船员免受小型武器炮火的袭击。

6.5 方向舵
复合材料舰艇用方向舵正处于研发之中,预计其比现有的金属舵轻50%,便宜20%。美国海军的Avenger级反水雷舰艇上正在使用复合材料方向舵。
 
6.6 机械装置和引擎部件
美国海军首次考察了复合材料在舰艇引擎中的 应用,即评估GRP的齿轮罩外壳。与传统的钢外罩相比,复合材料外罩更耐腐蚀,而且轻90%,但是由于其噪音辐射更高,复合材料外罩再未使用。目前,美国海军正在评价轮机舱的机械部件上使用复合材料的可能性,如图9所示。玻璃纤维增强酚醛复合材料已经应用在柴油机的滑轮组、油盘、凸轮罩、水泵、油泵、滑轮、惰轮和调速链轮齿中。因此,重量可以减轻40-70%,引擎的购置成本可节省10-40%。另据预测,还可以降低结构和空气噪声5-20dB,降低电磁特性,提高耐腐蚀/侵蚀、耐磨和耐疲劳性能。虽然有这些优越性能,但目前复合材料引擎部件还未投入实际应用,在可以预见的将来这一情形仍将持续下去。
 
  20世纪80年代,美国海军在两栖货轮USS Charleston上安装了100个复合材料球阀。这些阀性能很好,事实上近10年都无需维修,而这已是USS Charleston的退役年限了。然而,1991到1996年间,美国海军花了约1亿6千3百万美元用于舰上的铜阀维护和修理。商用的复合材料阀不能同时满足军舰用阀的抗震、抗弯和耐火性能。美国海军正在设计满足严格的海事性能要求的复合材料球阀。与铜球阀相比,复合材料球阀更耐腐蚀、更容易维护、质量比铜阀轻70-80%,而且制造成本低50-75%。他们的球阀样件有许多复合材料部件,如阀套、球、球座和柄轴密封圈(如图10)。类似的球阀将应用于San Antonio级两栖船坞运输舰(LPD-17)上。
 
 
 
  美国海军正在研究开发复合材料泵体和叶轮。几年前,他们的舰艇上有130,000多个泵。泵送海水和盐水的离心泵经常因为腐蚀和侵蚀而损坏。正在开发的复合材料离心泵比同样的金属泵轻、更耐腐蚀、磁特性更低、无火花、更安静、而且成本至少便宜30%。此外,测试表明,复合材料泵的水力性能高于,或者说至少等于同样尺寸和容量的铜泵。可以采用复合材料的泵部件包括:外壳、后板、叶轮、轴套、耐磨环和节流阀套管。复合材料泵已经在三艘Spruance级(DD-963)驱逐舰上测试成功,美国海军正考虑将其用在阿利•伯克(Arleigh Burke)级(DDG-51)驱逐舰和一艘Nimitz级航空母舰(CVN-76)上。
 
6.7 引擎和设备底座
一艘大型海军舰艇共需要1500多个、总重为700-800吨的钢底座来支撑机械和设备。一些机构研究了采用复合材料底座来减重的可能性。据Kelly和Rockwell报道,一个玻璃纤维增强聚酯复合材料底座(1.2mx0.97m)就比同尺寸的钢底座轻58%。另据报道,1/2比例的复合材料淡水泵底座模型比同样尺寸的钢模轻40%、安装成本低50%。虽然质量轻,但是复合材料底座可以提供足够的保护,使机械和设备免受水下冲击载荷,抵抗冲击损坏。而且由于它的阻尼性和无磁性,复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。
 
6.8 热交换器
海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀/侵蚀,因此维护费用高,而且降低了舰艇的使用寿命。美国海军正在评估碳纤维复合材料的热交换器。

6.9 管道系统
复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951年,美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道,期望比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀。但是,这些复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏,导致失败。20世纪60年代,在改进了复合材料管道的质量和耐久性后,皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期,美国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计,复合材料管道的生产和安装成本将比黄铜或不锈钢管低15-50%。但是现代军舰上几乎不用复合材料管道。美国和英国皇家海军还在继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。
 
6.10 通风管
美国海军正考虑在大型军舰上使用复合材料通风管,以抵抗腐蚀、降低重量、提高绝热性能、降低噪声和使用寿命成本。可以将复合材料管道改进后安装在Oliver Hazard Perry级(FFG-7)护卫舰、Arleigh Burke级(DDG-51)驱逐舰、Ticonderoga级(CG-47)巡洋舰、Enterprise级(CVN65)航空母舰和其它舰艇上。而且,美国海军打算对Nimitz级(CV)航空母舰上的复合材料气孔炉蓖进行测试。

6.11 甲板格栅
美国海军正在评估复合材料的甲板格栅。参与评估的是包括USS Nimitz和USS Carl Vinson在内的四艘航空母舰。评估的目的是为了确定:与传统的钢格栅相比,复合材料甲板格栅在军舰的整个使用寿命中都能不受腐蚀而大幅节省成本。 
 
7 复合材料潜艇结构

7.1 背景
近50年来,多国海军在大量潜艇结构上应用复合材料取得了巨大成功。最早的应用就是潜艇的流线装置,即一些流线型结构,用来覆盖主体钢耐压壳体的孔洞或覆盖突出的物体以利于水力流动。1953年,美国海军首先给Guppy级潜艇的指挥塔安装了一个全玻璃钢流线装置,以确定其性能是否优于传统的铝合金流线装置。铝流线装置在使用中会遭受严重腐蚀、需要经常维护和维修。复合材料流线装置则更持久耐用,而且几乎不需要维护。因此,在20世纪50年代到60年代早期,至少有25艘Guppy级潜艇安装了复合材料流线装置。

与此同时,英国和法国海军则在潜艇耐压壳体外安装了很多复合材料结构。包括上部结构、鳍、桅杆套耐压壳体上部的外罩和弓形声纳罩。此外,60年代期间他们评估了潜艇的方向舵和桅杆采用复合材料的可能性。
 
7.2 复合材料耐压壳体和控制板面
1966年,Alfers报道了采用纤维缠绕复合材料制造潜艇耐压壳体的可行性。虽然制造全复合材料潜艇壳体的进展缓慢,但是,已经出现了大量的小型全复合材料潜艇和遥控型水下船只。最近的研究表明,复合材料耐压壳体比钢壳体具有更多的优点,如重量更轻、耐腐蚀性更好、静水强度更高、电和磁特性更弱。此外,对比例为1/22的复合材料耐压壳体进行测试,结果表明其运行水深是钢壳体的3-4倍。但是,复合材料耐压壳体也存在很多问题,如制造成本极高、层间剪切强度低、容易产生压缩疲劳失效、耐火性差等。因此,复合材料很难应用在大型潜艇壳体上。
 
  英国国防评估和研究部考察了在钢壳体外围安装一种夹层复合材料的可能性。以期这样做可以增加壳体的总体屈曲强度、降低疲劳应变、降低腐蚀、减弱声、磁和电特性。另外,还可将一些有效载荷项和传感器埋设于复合材料中。Smith等人对这种设计理念的可行性作了初步研究。在将这项技术在潜艇上进行测试以前,还需要做大量的研究工作。复合材料同时也可以应用在小型潜艇的内部壳体结构中。例如,美国海军制造了一种长20米,宽2.5米的新型隐身潜艇,潜艇的耐压壳体采用钢制造,但是采用了一个外部结构来封装,其中头部整流罩和尾翼等由复合材料制成。
 
  某些公司正在考察复合材料在潜艇控制板面上的应用,比如弧面、鳍和方向舵。预计采用复合材料的最大优点是可以减轻重量、降低制造成本和腐蚀。因为控制板面在成型时,可以按照所需的水力形状模塑而不需要再加工,所以可以降低成本。Koudela等人用混合的碳纤维和玻璃纤维制作了一个复合材料的小鳍,比同等尺寸的铝鳍轻50%、便宜23%,而水力和声学性能不低于铝鳍。但是,复合材料控制很少应用于大型潜艇的控制板面上。几年前,核潜艇上安装过石墨-环氧俯冲面,但是几乎没有公开的相关性能的信息。国防评估和研究处正考虑制造玻璃钢/消声橡胶夹层复合材料引鳍和方向舵,以获得更高的消声性能和抗冲击性能。
 
7.3 桅杆
近年来复合材料逐渐应用在潜艇的通讯桅杆、光电监视桅杆和非壳体穿透桅杆中。相对于钢桅杆来说,复合材料桅杆具有很多优点,如轻质、无腐蚀,允许制造复杂形状的产品却无须再加工,而且能在整个桅杆上涂敷雷达吸波材料。英国皇家海军在Upholder级潜艇上安装了复合材料通讯桅杆。澳大利亚皇家海军也在其Collins级潜艇上安装了类似桅杆。Tpye209型潜艇可以安装这样的桅杆。
 
7.4 内部结构、装备和配件
复合材料在潜艇耐压壳内部的广泛应用正处于研究中。与水面舰艇类似,这些应用包括舱壁、甲板、舱门、主推进轴、沉浮箱、储油罐、机械、泵、阀和管道系统。对于一艘现代化的核潜艇来说,在这些部件上采用复合材料,可减轻的总重大约为400吨。 这些应用的看法和测试工作几乎未见报道。普遍认为,美国海军在其研究和开发潜艇,USS Memphsis 上对复合材料主推进轴、各种机械底座和一些气瓶进行了评价。首先对这些部件进行测试,因为其风险相对较低,一旦可行可以大幅减重。Evans等人提出,一旦对复合材料的接受和信心达到令人满意的水平,就要对其它风险高一些和减重更多的部件进行测试,如舱壁、泵和阀。除非复合材料在海军舰艇上的应用获得充分的认可,否则其在潜艇上的广泛应用将遥遥无期。
 
8 结论
复合材料在军舰和潜艇上的各种新应用见图11。从图中可以看到,现阶段复合材料的应用分为下面几类:概念期 (C)、技术论证期(TD)或技术成熟期(D)。大部分的应用都处于技术论证阶段,尤其是潜艇上的应用。大部分技术已经成熟的应用仅限于相对较小的海军舰艇(巡逻艇,MCMV、轻巡洋舰),或大型舰艇和潜艇上的非结构性、非关键部件。
 
 
 
  在绝大多数情况下,在海事结构、部件和装置上,采用复合材料来代替钢、铝合金或铜都经历了一个艰难而缓慢的过程。金属制品的性能非常好。海军舰艇的设计师、制造师和操作师们对金属充满了信心。只有当复合材料在降低舰艇的购买成本和使用寿命内的维护成本、提高稳定性和性能方面具有强大潜力时,才可能考虑用其来替换金属。
 
  阻碍复合材料广泛应用的其它因素很复杂。重要的一点就是在优化设计大型的复杂承重海事结构时,缺乏设计规范、经验数据和能够直接使用的、可对大型的受载复杂的海事结构进行优化的简单模型。虽然复合材料在海军舰艇上已经应用了50年,设计者们所需要的信息和工具还不是很全面。例如,当复杂海事结构在受到冲击、震动、碰撞和火灾时,目前还没有能够确定其是否失效的分析工具。此外,由于复合材料的各向异性,其缩放规则特别复杂,因此,在设计承重结构时就比金属的复杂得多。为了克服这些困难,普遍的做法就是在进行复合材料舰艇结构设计时,采用比钢材设计高得多的安全系数。大部分复合材料结构采用的安全系数是4-6,当结构承受冲击载荷时安全系数达到10。安全系数高导致结构重,体积庞大,这样就严重抵消了复合材料比强度高的优点。
 
  另一个重要问题就是在设计复合材料结构时,如何利用已有的金属结构设计经验。一些海军设计者们把金属和复合材料同等对待。结果设计的复合材料结构的性能很差。例如,虽然复合材料联接更为困难,但复合材料舰艇的联接几乎与焊接钢的联接类似,结果所得玻璃钢联接的强度和耐疲劳性能较低。
 
  缺乏高性能、低成本的生产方法也是制约复合材料在大型海军舰艇上应用的另一个因素。制造成本是考虑任何船舶设计的基本因素,多年以来,在大部分造船应用中,复合材料与传统材料(除了木材外)相比,在成本上都不具备竞争力。迄今为止,大部分复合材料海事结构都采用树脂浸渍增强材料制造而成,此工艺周期长、劳动密集、费用昂贵、且难以控制产品质量。在进行复合材料结构设计时,为考虑制造缺陷而引入的部分安全系数是2,而在钢结构设计中,由于整个制造过程可以受到很好的控制,采用的安全系数是1.5。采用低成本制造工艺,如SCRIMP和RTM可以解决控制问题,生产高质量的复合材料。但是,这些工艺需要舰船制造商们引进新的制造方法,而这项费用几可让人望而却步。
 
  舰船制造商们缺乏模型和大型的稳定的信息数据库来预测复合材料海事结构的制造成本。本文列举了很多应用复合材料的例子,但是其制造成本很难预测。成本取决于一系列因素,如复合材料的类型、制造工艺、电磁防护和雷达吸波材料。例如,一个复合材料的护卫舰上部结构的制造成本比钢可能高出10-240%。直到近来,舰船设计者和操作者们才意识到使用复合材料可以降低维护和油耗。工作寿命内节约的成本远远超过购买成本上升的幅度。
 
  严格的性能要求阻碍了复合材料在海军舰艇上的应用。复合材料结构需要通过一系列严格的规则,内容涉及抗气流冲击、抗水下振动损坏、和防火性能(可燃性、明火、烟尘、毒性、结构整体性)、碎片/弹道保护,以及雷达/声纳性能。评价复合材料结构能否成功所需要的数据极其有限,而测试确定复合材料在冲击、振动、弹道和明火条件下的性能,是一项旷日持久而且费用按昂贵的的工作。 满足设计要求是水上结构面临的一个主要问题,因为设计能够承受气流冲击载荷的联接花费了大量的精力。
 
致谢

本文作者感谢J. Ritter博士, S. Cannon博士和C.Gardiner博士的建设性的意见。感谢Janes信息集团友好地允许发表图6和图7的照片。
 

 

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=2969