1.1 目的

复合材料因具有良好的耐腐蚀性能、轻质高强、可设计及透波性好、无磁性且抗风能力强，是理想的造船材料。复合材料自问世以来就一直在造船工业中发挥着重要的作用，国内外始终把对复合材料在船舶中的应用视为焦点，因此，我选择了复合材料的船体结构设计作为我的毕设课题。

1.2 意义

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料 [1]。目前，船用复合材料，尤其是应用于船体结构的复合材料，以聚合物基复合材料为主，按结构可分为层合板（纤维增强复合材料）和夹层结构复合材料两大类型，其中包含三个方面的重要复合物：增强材料、树脂（即基体）和芯层材料[2]。船用复合材料性能的优越性主要体现在[3]：轻质高强，能有效提高船体的储备浮力；结构功能一体化，在满足结构承载的情况下性能可设计，通常具有声学、雷达、减振、防护、低磁等其他性能，一般的材料成型过程同样是结构成型过程；耐腐蚀，可满足高盐、高湿、紫外等苛刻海洋环境要求；耐老化，可满足船舶的长寿命要求。以上特性有别于其他船舶结构材料，也是其优势所在，研究复合材料的船舶有着一定的意义。

在强度计算方面，本研究拟采取有限元建模计算该船体强度，但是船用玻璃钢的力学性能还没有相应的规范,船用玻璃钢的各项力学性能指标也没有形成统一完善的标准，因此,有必要探寻有效而简便的方法,对玻璃钢船舶船体结构进行直接计算同样有较大意义。

1.3 国内外研究现状

国外复合材料船舰发展概况[4-11]：鉴于复合材料优异的性能，国外先进国家对复合材料船舰的发展十分重视。美国是军事、经济超级大国，是复合材料科学技术发展最先进，复合材料应用最广、用量最大的国家，在船舶复合材料的应用方面，其规模和技术都走在世界前列。早在1846年，美国海军就建造了长8.53m的聚酯玻璃钢交通艇，开创了复合材料船舶制造的先河。接着为了加快玻璃钢船艇的发展，美国海军在上世纪 50 年代中期就规定16m以下的舰艇必须用复合材料制造。上世纪80年代末与90年代初建成的玻璃钢沿海扫/猎雷艇，艇体均采用高级间苯聚酯树脂，并以半自动浸胶作业制造。同时期建造的巡逻艇，采用了凯芙拉增强的聚酯树脂单壳结构。1996年建造的深潜探海艇，采用了石墨纤维增强环氧树脂的单壳结构，艇的下潜深度可达6096m 。自上世纪 90 年代以来，美国的船舰已大量采用先进复合材料来制造。进入 21世纪后，美国进一步加强了复合材料在船舶建造的应用，采用新型高强碳纤维/乙烯基树脂的夹心层结构，取代传统玻璃纤维等低强度纤维，建成的新型船舶稳定性高、航速快，并具有隐身、反潜、反水雷能力。

欧洲的复合材料船舰工业也十分发达。上世纪 50 年代初期，英、法、瑞典和意大利等国也开始发展复合材料造船业，自上世纪 60 年代中期，美、英两国同时研制玻璃钢扫雷艇后英国先后建成大型玻璃钢扫雷艇和猎雷艇后，在欧洲掀起了用玻璃钢制造猎/扫雷艇的热潮。上世90年代，英国在船舰中采用了更多的先进复合材料，刚度有所提高，且减轻了重量。意大利玻璃钢游艇虽起步较晚，但技术非常先进，并采用先进复合材料来提高游艇的性能。瑞典在 1974 年建成了第一艘以 PVC 泡沫塑料为芯材的玻璃钢夹层结构扫雷艇，在1991年研制成功了世界上第一艘复合材料隐形试验艇，该艇采用碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料技术和 PVC 泡沫夹心结构建造，集先进复合材料技术、夹层结构技术、隐身技术及双体气垫技术于一身，堪称当代世界高科技舰船。

日本是亚洲复合材料船舰制造大国。1953 年日本开始建造玻璃钢船，上世纪 60 年代中期开始建造高性能船、赛艇和豪华游艇，上世纪 70 年代日本玻璃钢渔船进入大发展时期。进入 21 世纪，日本开始研究制造高性能复合材料军用船舶，目前已成功建成第一艘玻璃钢复合材料扫雷艇并投入使用。

我国复合材料船艇的发展概况[12-18]：我国的复合材料工业从它一开始起就与船舶工业结下不解之缘。1958 年上海研制成功聚酯玻璃钢工作艇，次年环氧玻璃钢汽艇在北京北海公园试航成功。这两条艇的研制成功揭开了我国复合材料船艇工业的序幕，经过四十多年的研制开发，迄今已建造了一百多种型号的复合材料舰艇。此外，我国还生产了大量的复合材料工作艇和全封闭式耐火救生艇。除复合材料船艇外，我国也同时研制开发了许多复合材料船艇构件。60年代末研制成功了复合材料声纳导流罩并应用于潜艇，由于其综合性能超过金属导流罩，因此很快推广到其他舰艇上应用。80年代后期研制开发了复合材料雷达天线罩、水雷壳体并投入使用。90年代又研制成大型水面舰的复合材料桅杆、舱口盖、舵门、炮塔和上层建筑等。我国复合材料船艇工业的飞速发展对船艇入级和产品的标准化、规范化提出了要求，自70年代以来我国已制订了一系列的复合材料船艇的技术、工艺标准，我国复合材料船舰制造技术与标准正在逐步与国际接轨。

在强度计算方面，由于材料、空间结构和载荷等多方面的复杂性,玻璃钢船体结构直接计算方面的研究文献较少，其中Domnisom[19]建立了复合材料巡逻艇结构的三维有限元模型,探讨了用有限元法对复合材料巡逻艇结构进行强度分析的方法。刘雪松[20]在ANSYS软件中建立了玻璃钢游艇整船模型,采用软件中的复合材料壳单元来处理玻璃钢层合板和夹层板结构,对玻璃钢客船全船结构有限元模型的建立有一定的参考价值。李宜宇[21]在其硕士论文中,建立了玻璃钢快艇的有限元模型,并对快艇模型的约束条件进行了初步研究,对玻璃钢船舶的直接计算有一定意义。

依据《纤维增强塑料船建造规范》（2015）、《船舶与海上设施法定检验规则》和船舶行业标准，与同组人员共同开展总布置设计，并在总布置基础上确定玻璃钢材料骨架型式，完成基本结构图、典型横剖面图绘制和船体层合板结构构件规范计算。完成舱段有限元强度计算。系统完成30m玻璃钢客船结构规范设计，完成主要结构图纸，掌握船舶结构设计的主要方法。其中，主要是进行有限元的建模与相应计算，在进行船体有限元的计算过程中，一般将船体结构根据实际的工作工况以及计算的要求，可采用板、梁、杆不同的单元类型，并进行必要的简化，建立起相关结构的有限元力学计算模型，再根据实际情况设定其材料的属性、施加载荷以及边界条件，准备好全部所需的数据和信息，运用简化力学计算模型计算近进行求解，得到相关结构的应力以及变形等结果，最后使用后处理程序直观的观测计算结果[22], 检查计算结果的合理性。

对于该课题，我采取的是全船有限元的建模计算，而且如今全船有限元结构计算在各设计单位运用的越来越广泛。与舱段计算和规范计算的方法相比，全船有限元结构计算方法的精度更高，结构更可靠。建立全船的三维有限元模型，可以更加全面的描述船体内的很多主要构件以及构件与构件之间的相互作用关系，同时在船舶航行中所受到的各种载荷能更加直接的施加上去。这样建立的有限元模型与实际情况根据符合，最后经计算得到的结果也相应的更加合理和可靠。目前国外著名船级社对大型船舶就采用全船有限元模型直接计算方法来进行强度设计和检验。

[1]益小苏,杜善义,张立同.复合材料手册[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[2]ASSOCIATES E G.舰船复合材料[M].上海:上海交通大学出版社,2013.

[3]DAVIES P, RAJAPAKSE Y.船舶与海洋工程复合材料耐久性[M].北京:化学工业出版社,2015.

[4]王晓强,虢忠仁,宫平,等.抗弹复合材料在舰船防护上的应用研究[J].工程塑料应用, 2014, (11): 143—146.

[5]MARSH G, JACOB A. Trends in Marine Composites[J]. Reinforced Plastics, 2007,51(2): 22—23.

[6]FIOREV, BELLA G D,VALENZA A.Glass–basalt/ epoxyHybrid Composites for Marine Applications[J]. Materials amp; Design, 2010,32(4): 2091—2099.

[7]SHIVAKUMARK N. Carbon/Vinyl Ester Composites for Enhanced Performance in MarineApplications[J]. Journal of Reinforced Plastics amp; Composites, 2006,25(25): 1101—1116.

[8]唐红艳,王继辉,徐鹏遥.复合材料在海军舰艇上的国内外应用现状及进展[J]. 船舶, 2006(2): 6—11.

[9]朱锡,石勇,梅志远.夹芯复合材料在潜艇声隐身结构中的应用及其相关技术研究[J]. 中国舰船研究, 2007, 2(3): 34—39.

[10]赵俊海,侯德永,马利斌,等.新型复合材料在深海载人潜水器上的应用[J]. 中国造船, 2008, 49(3): 87—97.

[11] LUNDQUISTE H. Composites, Aluminum and Titanium for Ship Construction[J]. NavalForces,2014(4):44—49.

[12]区敏罗,蔡旭红,李家驹.先进混杂复合材料的艇体工艺设计［C］,广东省复合材料学会第九届年会科学技术文集,1994. 66 - 73.

[13]陈博.发展中的我国玻璃钢工业［J.玻璃钢/复合材料， 1997，6：16 -19.

[14]李家驹,曾汉民.先进复合材料四人皮艇及其刚度测定［J］.玻璃钢/复合材料1997：3 - 14.

[15]曹明法，陈军.玻璃钢猎扫雷艇立体舱段试验模型的论证与设计［J］.船舶，1994，（1）：21 - 26.

[16]王子清. 39米玻璃钢试验艇体结构设计［J］.船舶工程，1991，（6）：23 - 27.

[17]张崇杰.我国首对 33m大型 FRP 渔船在威海下水［J］.玻璃钢1999，（3）： 27.

[18]曾竞成.竹片仿形编织物增强不饱和聚酯船体研制［J］ .工程塑料应用，2000，28 （1）： 22 - 24.

[19] Domnisoru L, Dragomir D, Kolev P. Thestrength analysis of a patrol boat with composite material structure based on3D-FEM-hull model approach [J], Annals of "Dunarea de Jos"University Galati. Fascicle XI, ShipbuiIding, 2006, 24:11-20.

[20]刘雪松,周玉龙.夹层结构玻璃钢游艇整船结构强度有限元分析[J].中国舰船研究,2010,5(2):45-48.

[21]李宜宇.玻璃钢快艇结构有限元分析中边界约束条件的初步研究[D].江苏:江苏科技大学,2011.

[22]杨永谦.实用有限元分析技术; ANSYS专题与技巧.北京:机械工业出版社, 2010.