复合材料在护卫舰上层建筑中的应用潜力

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1、复合材料在护卫舰上层建筑中的应用潜力2004年第11期国外舰船工程总第309期.H卜卜_{÷-{船体结构:}'—÷卜—壬卜—{?卜—*—复合材料在护卫舰上层建筑中的应用潜力杨海燕译华煜群校摘要现代军舰设计要经过各种矛盾的无数次综合平衡,这比民船设计更加明显,这些矛盾包括武器装备,航速和稳性.单体船的横稳性主要取决于重心和水线面宽度,而船在水中的阻力与水线面宽度成反比.也就是说,高航速与低燃油消耗要求有细长的船体,细长的船体又要求有低的重心.采用轻型上层建筑可以满足上述要求,而应用复合材料是其中的一个选择方案.对有同样功能的现代护卫舰分别采

2、用钢结构上层建筑和复合材料上层建筑的性能进行了比较,其中包括承受波浪载荷,武器载荷和爆炸冲击波载荷的结构性能,防火性能,雷达反射特征,电磁屏蔽,红外辐射特征和热绝缘.同时还比较了护卫舰采用这两种材料的重量舜口费用.关键词复合材料上层建筑船体结构护卫舰1引言1.1背景目前,挪威皇家海军正在设计和采办新型护卫舰.在研制阶段,挪威海军材料部指定新型护卫舰上层建筑选用替代材料.选用替代材料的目标是新型护卫舰应满足同样的战术技术任务书要求:1)结构性能:包括结构强度和武器系统的稳定性;2)弹道武器和弹片保护;3)外部冲击波保护,包括近距离和远距离冲

3、击波;4)防火安全;5)红外热辐射(TIR);6)雷达反射截面积(RCS);7)电磁屏蔽(EMS).为了尽可能简单地进行比较,设定护卫舰的总布置保持不变,并在不影响船体线型的情况下,比较节省重量的潜力.这样,就不需要研究减小船宽所引起的推进阻力减小,航速增加和燃油消耗降低等因素.必须指出的是,在护卫舰3O年的全寿期内,节省燃油的影响是主要的,但在本文中暂不研究它的影响.护卫舰的三维模型和护卫舰上层建筑几何形状示于图1.本研究包括含有直升机机库,桅杆和烟囱的艉部岛式上层建筑以及含有桅杆的艏部岛式上层建筑.典型的复合材料(纤维增强塑料夹芯结构

4、)上层建筑草图示于图1的上部.其余的船体结构采用钢材料.1.2结构描述结构设计要求能尽可能减少易损性,重要的舱室和备用舱室尽可能分开布置,这就是为什么要选用2个岛式上层建筑和2个桅杆的主要原因.易损舱室,如操纵室和弹药舱应尽可能布置在结构的深处.1.2.1艉部岛式上层建筑和桅杆艉部上层建筑包括许多敏感舱室,除了电磁屏蔽以外还需要采取防爆和防冲击波措施.上甲板装有近程武器系统(CIWS)基座,2台诱饵发射装置和1个后火控跟踪装置(FCT),这些系统对结构钢度要求很高.直升机机库和其余上层建筑的横向分割需能承受30min和60min的耐火舱壁

5、,某些区域要求达到耐碳氢化合物火焰的等级.——一7——2004年第11期国外舰船工程总第309期:害枣_=—j-=-一图1护卫舰几何形状的计算机模型,上部的复合材料上层建筑用NISAII模拟,全船钢结构用MAESTRO模拟1.2.2艏部岛式上层建筑,桅杆和烟囱艏部上层建筑内同样有许多敏感舱室,除了电磁屏蔽以外也需要采取防爆和防冲击波措施,其中包括驾驶室,无线电设备室以及上甲板的雷达设备室.其结构还应支撑上甲板的2门小型20nlin机枪,1个火控跟踪装置,烟囱和上层建筑之间的双座6单元导弹组.桅杆上装有许多探测设备,在顶部装有1台相当重的雷

6、达.上层建筑的前壁应能承受较高的波浪载荷.1.3材料除了钢质和复合材料上层建筑以外,还估算了铝质上层建筑的性能.根据最近战争冲突的研究文件表明,护卫舰级的舰艇被导弹击中后,因高热传导和低温阻力的联合作用使铝质材料不适于制造上层建筑结构,它不能阻止导弹引起的火灾.现代护卫舰被新型反舰导弹击中后应保持一定的一8一生命力.复合材料采用夹芯型结构,表面由两层薄的纤维增强塑料(FRP)层压板组成,中间有低密度芯状结构与内表面相连接.这种纤维增强塑料夹芯结构有很高的强度,刚度和稳定性,这种结构能明显地减轻重量.通常选用多轴式E级玻璃纤维增强塑料外层和

7、轻型木芯作为上层建筑的主要材料,如图2所示.2～4mm多轴式E级玻璃纤维聚酯层压板(高玻璃含量)40～60mm轻木芯100~150kg/m图2复合材料上层建筑用的工作舱室材料对护卫舰类型的舰船来说,选择上层建筑材料最理想的方法是根据材料的价格/性能比,碳纤2004年第ll期国外舰船工程总第309期维增强塑料局部应用于有高刚度要求的构件.在结构损坏并引起火灾,也就是芯结构直接暴露在大气中着火时,选用轻木芯可减少烟雾的产生.一些典型的夹芯结构已应用锥形量热计进行了检验,其性能符合ISO5660的要求.图3表示各种芯材的最大热释放量和产生的总烟

8、雾量.联图3典型的船用夹芯结构释放的最大热量和总烟雾量,苯酚芯和轻木芯产生同样的烟雾量,而轻木芯有较优良的机械性能2结构性能2.1概述除了北大西洋公约组织的文章中给出了作战时有关的典型载荷以外