玻璃钢栏杆设计与计算分析.pdf

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1、第42卷第2期2013年04月船海工程SHIP＆0CEANENGINEERINGV01．42No．2Apr．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．02．006玻璃钢栏杆设计与计算分析钟玉湘，陆浩华(中国舰船研究设计中心，武汉430064)摘要：针对钢质栏杆易受海水、日照、风浪等的自然侵蚀，容易出现严重腐蚀的情况，采用玻璃钢复合材料对栏杆进行改进设计，并按等代设计法进行结构设计及模拟计算，在保证栏杆安全使用的前提下，实现栏杆重量减轻、耐腐蚀性能提高和隐身能力增强的改进目标。关键词：栏杆；玻璃钢；等代设计法；结构设计中图分类号：U671．7

2、3文献标志码：A文章编号：1671—7953(2013)02-0019-03钢质栏杆易受海水、日照、风浪等的自然侵蚀，容易出现严重腐蚀情况，并且隐身舰船对栏杆等露天设备有一定的隐身要求，因而有必要考虑采用复合材料对栏杆进行改进设计研究，以提高栏杆的隐身、抗腐蚀能力。由于舰船上栏杆等露天设备存在使用环境恶劣，受到风、浪等多种载荷作用，以及人员安全性的问题，要求所用的材料不但要满足轻质的要求，更应具有优良的机械性能，以承受各种载荷。玻璃钢复合材料重量轻、强度大、可设计性强，在雷达波方面具有良好的隐身性能，还具备无磁、抗冲击、抗腐蚀等优良特性，已广泛应用于舰船、航空航天、化工、能

3、源等领域，因而是一种理想的代替材料¨引。1固定式钢质栏杆结构分析固定式钢质栏杆主要由栏杆柱、扶手和横档组成‘5引，具体参数见表1，总体结构见图1。表1固定式钢质栏杆组成和参数2玻璃钢复合材料性能分析对于栏杆这种露天舾装件来说，重量并不是收稿日期：2012—04—12修回日期：2012—04—28第一作者简介I钟玉湘(1978一)，女，硕士，工程师研究方向：船舶装置设计与研究E-mail：zhong__zyx@126．eom≮芦35钢符巧—42—x3．5图1固定式钢管栏杆的总体结构示意影响其使用的主要因素，其改进主要着眼于提高舰船的隐身性和耐腐蚀能力。由于玻璃钢在雷达波隐身方

4、面具有良好的效果，且对栏杆来说，其对强度、刚度的要求也较低，采用玻璃钢是理想的选择。复合材料与钢材的性能参数对比见表2。表2复合材料与钢材材料性能对比表纵观已有的树脂基体性能及适应性，选用不饱和聚酯树脂作为固定式栏杆用复合材料的树脂基体。拟选用E玻璃纤维作为本项目的增强材料。采用E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料拉挤成型试板，性能测试结果见表3。表3拉挤成型玻璃钢复合材料和冷20钢力学性能比较通过上述选材分析和材料性能试验，选用E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制作固定式栏杆，可满足固定式栏杆耐海洋环境、适中模量和低成本的要求。19第2期船海工程第42卷3栏杆的结构设计

5、与计算3．1等代设计法一般说来，玻璃钢复合材料强度优势明显而刚度优势相对较弱，因而在刚度满足要求时，强度也会满足要求。因此，在设计复合材料结构时，可采用等代设计法进行等刚度设计。等代设计法是工程上复合材料结构设计较常使用的另一种方法。相对于一般设计法，利用等代法设计时有其它材料的相同零部件作为参照对比。采用等代法设计时，保持原设计约束不变，在考虑复合材料的特点的基础上，采用复合材料构件替换原其它材料构件，允许改变部分构件的形状和厚度，甚至增加或者减少构件。这种方法特别适用于采用复合材料对原结构进行改进、改型和轻量化设计等情形。采用这种方法设计复合材料结构时，通常按等刚度原则

6、进行设计，再作强度校核。3．2固定式栏杆的结构设计采用挤拉成型工艺成型玻璃钢栏杆的栏杆柱、扶手和横档，并采用粘接工艺制作船用固定式复合材料栏杆，以实现以下功能。1)树脂基复合材料在波段80—500MHz，透波率I>97％，通过采用树脂基复合材料可显著降低栏杆的信号反射率，提高舰船的隐身陛能。2)树脂基复合材料强度优于冷20钢，密度为冷20钢的1／4，采用树脂基复合材料制作栏杆可有效降低舰船舾装件的总体重量。3)树脂基复合材料耐腐蚀，维护方便，通过采用树脂基复合材料制作栏杆可大幅度降低其全寿命成本费用。采用玻璃钢替代钢质栏杆首先要满足等强度替代(兼顾刚度)，其次要解决可靠连接

7、的问题。由表3可见，拉挤成型玻璃钢复合材料的强度远大于20号钢，替代冷20号钢不存在问题。但拉挤成型玻璃钢复合材料模量低于20号钢，因此需要对其增厚补强。玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算见表4。依据栏杆较细外径、较轻重量和适中模量的使用工况和边界条件，并结合模拟计算，最终确定栏杆的玻璃钢管尺寸，见表5。依据玻璃钢栏杆的使用工况和边界条件，并结合仿真计算，最终确定玻璃钢栏杆的结构尺寸。20表4玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算表名称夕卜径／mm壁厚／mm64长度／mm90020002000重量／kg1．413．