1. 背景及意义

船体结构工作在恶劣的环境条件下，承受腐蚀、复杂载荷，要求防火、隔热、具有良好的电磁特性，加之近年来人们对实现船舶高速化、低排放、延长寿命以及使用舒适性能的要求日渐提高，复合材料作为一种具有综合优势的结构材料得到人们极大的重视。

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理性质、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的新型材料。其质量轻、强度高、刚度大，并且具有抗疲劳、抗冲击、耐腐蚀、耐高温、减振、透电磁波、可设计等一系列优点，近几十年来，在航空航天、交通、建筑、机械、能源、信息、生物、医学等工程领域得到越老越广泛的应用。

尽管复合材料优点诸多，但其目前在工程领域上应用还存在如下几个问题：材料各向异性严重；材料性能分散性较大，质量控制和质量检测会比较困难；原材料成本较高；有些韧性较差，机械连接较困难等。但除了各向异性为固有之外，其他缺点均可设法改进，因此得以广泛地使用并且具有广阔的发展前景。

20世纪40年代，由于航空工业和其他行业的需要，复合材料在工业生产中的应用有了很大的发展。美国最早将玻璃钢应用于军用飞机雷达天线罩，其能够承受飞机飞行时的空气动力载荷，在气候变化时能保证制品稳定，并且能够透过雷达波，其优势明显，开始取代传统的铝材和陶瓷在飞机制造领域广泛使用。1981年，美国研制出第一架全复合材料飞机，实现燃料消耗降低80%；1986年，voyager公司研制的全复合材料飞机在全程不着陆飞行中成功经受了多次暴风雷雨。目前，复合材料已广泛应用于飞机机身、机翼、螺旋桨、雷达罩、整流装置及机舱等位置。

航天工业中，为增强火箭推动力，采用复合材料来减轻飞行器结构的重量。由于其耐高温、热稳定性好优点，航天领域中也应用先进复合材料全面解决了战略导弹热防护的问题。

在船舶工程领域，美国在1942年采用聚酯玻璃钢建成了世界上首艘复合材料舰艇，首次将复合材料应用于船体建造，自此拉开了船舶建造领域的新篇章。至1972年，美国复合材料船舶总数已达50多万艘，复合材料潜水艇潜水深度可达4500m。英国则在复合材料扫雷艇和军舰方面表现出色，近年来还成功利用废弃塑料再加工材料建造军舰，不仅降低了成本，还实现了材料降解和循环利用的可持续发展理念。日本在高速舰艇领域遥遥领先，其自主研发的夹芯结构高速舰艇在受到巨大波浪冲击的时候可以产生较大的变形以吸收冲击能量，当外力消失后又可复原。

除了在船体建造方面的应用，复合材料还广泛应用于船舶上层建筑、各轴系、桅杆、雷达以及各承载结构等。不仅可以有效地降低船舶质量，在提高推进效率、船舶抗腐蚀抗老化、船舶隐身以及结构减重方面发挥着巨大的作用。

我国则是在20世纪50年代开始发展复合材料工业。早期由于技术和工艺的限制，复合材料的应用主要集中在军事领域。随着科技的发展和需求的增大，复合材料逐渐应用于各个方面，同时复合材料研发工艺也日渐成熟，虽然起步较晚，但也取得了瞩目的成绩，尤其在航天工业更是达到了世界领先水平。但是与发达国家相比，我国在产品技术水平、品种、规格、质量等方面仍有较大差距：原材料方面，尚未形成成熟的复合材料生产线，许多材料仍然依靠进口，成本高昂；生产工艺方面，设计制造缺乏完整的规范体系，产品质量和检测难以保障，精密加工仪器仍依靠进口。总之，我国在复合材料领域取得了一定的成绩，但与发达国家相比仍较为落后，我国的复合材料发展仍有很大的空间有待相关工作者不断开发拓展。

复合材料自诞生以来，一直是围绕解决传统材料无法适应的工程技术难题和尖端科学技术而提出的新材料需求发展的。进入21世纪，由于其突出的可设计性的优点，因此被广泛地应用于国民经济的各个领域，在航空航天、通讯、医疗等领域大放异彩，顺利解决了尖端科学中宇航材料、复合装甲、隐形技术、新能源材料、生物医用材料、信息技术材料以及智能材料等一系列科学技术难题。但是在船舶建造方面，其成果还是微乎其微。现阶段，复合材料还主要应用于小型舰艇或者大型舰艇非结构、非关键部位，实现复合材料船体梁结构或是大型全复合材料船舶的构想还有诸多困难。不仅如此，与各向同性材料结构的力学特性分析方法相比，复合材料因其各向异性给结构分析带来了很多的困难。因此，研究复合材料船体力学特性分析是必要的。