1复合材料挡水板方案设计
1．1复合材料挡水板材料选型研究
在设计纤维增强树脂基复合材料挡水板时，对树脂基体与增强纤维的选择与研究十分重要。树脂基体的作用是赋予复合材料的整体性，起着传递载荷和均衡的作用，而增强纤维为主承载材料，承受大部分的载荷作用［3］。树脂选材时，要求黏度合适，固化时间适宜，物理性能较好;增强材料选材时，要求布浸润性好，机械强度高，铺覆性好，质量均匀性好。考虑到挡水板位于上甲板的四周，处于温度波动、阳光暴晒、盐雾腐蚀［4］、海水浸泡等恶劣复杂环境中。因此，复合材料挡水板材料应满足适用温度为－30～65℃，具有阻燃性，耐腐蚀和老化的使用环境要求［5］。综合分析各类树脂的基本性能，首先应考虑选用具有能室温固化、常压成型的不饱和聚酯树脂，以满足成型工艺要求。在以上要求的基础上，作者分别针对MFE－2、3200、3201、430LV、905－2等树脂体系展开性能比较研究。研究结果表明:905－2树脂具有较高的机械强度，适中的弹性模量和较大的延伸率，作为复合材料树脂基体十分有利。同时，905－2型改性乙烯基酯树脂，可以常温固化成型，对增强纤维有较好的浸润性，并具有阻燃性，而且国产价格较为便宜，所以采用905－2树脂作为混杂复合材料的树脂基体。为保证纤维织物对树脂基体的良好浸润性，确保产品的工艺性能和质量，对于所选择的纤维织物在常温下应该能被905－2树脂体系浸润，且力学强度满足设计要求，SW220高强玻纤布或无碱多轴向玻纤布能较好地满足以上要求。经过从材料性能、使用寿命、经济性和维修性等方面综合论证比较，最终选定905－2树脂/无碱多轴向玻纤布作为复合材料挡水板的主要材料。
1．2复合材料挡水板结构形式和连接方法研究
复合材料矩形挡水板结构采用全新结构与连接形式，其主要结构如图4所示，从外到内依次由高强度纤维增强复合材料罩壳、PVC硬质泡沫芯材、纤维增强复合材料套管、不锈钢连接块和沉头螺钉组成。复合材料罩壳将PVC芯材全包覆，二者作为整体在中间开圆孔，用于嵌入纤维增强复合材料套管，纤维增强复合材料套管与纤维增强复合材料罩壳形成一个全封闭式的整体，不仅可以保证开孔处的强度，还能有效防止水渗入其内部。复合材料套管下端孔径大，可套住圆柱形连接块，上端孔径小，用于套住沉头螺钉，连接块上开有与螺钉大小相应的盲孔并攻丝，以便沉头螺钉可以拧紧并压实纤维增强复合材料罩壳。复合材料矩形挡水板在确保原挡水板强度、刚度，且有效控制结构重量的前提下，可有效克服原矩形挡水板渗水腐蚀的难题，并提供比原挡水板更优异的综合性能。复合材料挡水板的长度可根据需求确定，能预制成1m和2m长的规格件或根据舰船的实际需求确定规格，以便批量生产。
2复合材料挡水板强度和刚度计算分析
复合材料挡水板安装在上甲板边缘，在舰艇航行时可能会受到波浪的冲击，靠码头时可能会受到舰员的踩踏或重物的压力，针对这2种情况，设计了2种载荷工况，采用有限元方法对挡水板的静强度进行了计算分析。
2．1有限元模型
复合材料挡水板结构各部分均采用三维实体单元建模，建模时采用mm－kg－kPa单位制，其材料参数见表1和表2。有限元模型的边界条件:底面施加简支约束，底面螺钉连接处施加固支约束。计算载荷工况取以下2种。工况一(正压):模拟舰员单脚正踏在挡水板上的情形。假设舰员的体重为120kg，脚掌宽度为10cm，脚掌方向与挡水板长度方向垂直，通过计算，其作用于挡水板上的压力为392kPa。工况二(侧压):模拟波浪侧向冲击挡水板的情形。在复合材料挡水板一侧施加50kPa均匀分布的压力，其方向沿着作用面的法线方向向内。
2．2计算结果分析
2．2．1变形分析复合材料挡水板在工况一载荷作用下的位移场分布如图6(a)所示，在工况二载荷作用下的位移场分布如图6(b)所示。由图6可知，复合材料挡水板在工况一载荷下的最大变形量为0．025mm，在工况二载荷下的最大变形量为0．037mm，这表明在舰员踩踏或者波浪冲击载荷作用下复合材料挡水板的变形很小可以忽略，复合材料挡水板的刚度满足要求。2．2．2应力分析复合材料挡水板在工况一载荷作用下的应力分布如图7(a)所示，在工况二载荷作用下的应力分布如图7(b)所示。由图7可知，复合材料挡水板在工况一载荷下的最大应力为5．51MPa，在工况二载荷下的最大应力为3．30MPa。应力水平远远低于材料的许用应力，表明在这两种工况载荷作用下，复合材料挡水板强度满足要求。
3挡水板安装工艺研究
由于采用了新的连接形式，为了保证复合材料挡水板精确安装并达到挡水要求，需要制定合适的安装工艺，经研究可采用如下安装顺序和工艺。1)预装玻璃钢套管(上螺钉用)。复合材料挡水板制作完成后，对各挡水板上沉头螺钉处钻孔，孔径应比预制好的玻璃钢套管大2～3mm，然后将玻璃钢套管胶粘接好，缝隙处用高强环氧腻子胶填实。2)清洁安装部位。对安装或粘接复合材料挡水板部位，包括与其连接的扁钢表层处进行表层打磨和丙酮清洗，确保其无明显水、油、锈等脏物。3)定位与预安装。将各复合材料挡水板于对应位置试装、定位，确定好各钢质连接块的位置，再将钢质连接块点焊，初步固定后，再将复合材料挡水板试装，确保无误后，再将钢质连接块焊牢。4)安装。钢质连接块焊牢后，用环氧柔性强力腻子胶均匀涂敷于安装挡水板甲板处，再将挡水板置于粘接处，并采用M12×90的沉头螺钉带环氧柔性强力腻子胶与钢质连接块固定压紧，挤出粘接面处多余胶液。同时对于复合材料挡水板与扁钢等处的缝隙用环氧柔性强力腻子胶填充满(较小缝隙直接用腻子胶填充，较大缝隙填充玻璃钢块，并用腻子胶粘接好)。5)表面修整。复合材料挡水板安装完成后，应对其表面打磨修整光顺并涂好油漆。按上述安装工艺对复合材料挡水板进行模拟安装，并进行了水密性试验，如图8所示，结果表明上述安装工艺合理可行，安装牢固，水密性好。
4结束语
为彻底解决钢质矩形挡水板渗水腐蚀的问题，提出了一种新型复合材料挡水板结构，并对其材料选型、结构设计、强度刚度计算分析、安装工艺进行了研究，主要结论如下:①采用无碱玻璃钢包覆PVC硬质泡沫的结构型式，技术成熟、性能稳定，环境适应性好;②所设计的复合材料挡水板能承受人员的踩踏和0．05MPa的静水压力，强度和环境艺术论文刚度满足使用要求;③所制定的复合材料挡水板安装工艺简单易行，安装牢固，水密性较好。
作者：宋金明 张晓东 吴梵 单位：海军舟山监修室 海军工程大学
