边文凤-复合材料在船舶中的应用现状及存在的问题

复合材料
玻纤/聚酯 高强碳/环氧 高模碳/环氧
芳纶/环氧 硼／环氧
拉伸强度 (MPa) 1245 1471 1049 1373 1520
拉伸模量 (GPa) 48.2 137.3 235.0 78.4 215
比强度 MPa/(g/cm3)
623.0 1014 656.0 981.0 771
比刚度 GPa/(g/cm3)
24.1 94.7 146.9 56.0 109
密度 (g/cm3)
2.0 1.45 1.60 1.40 1.97
复合材料的材料性能
具有可设计性
纤维体积含量越高越好吗？ 55-65% 最佳吗？为什么？
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从设计、建造讲
真空导入成型工艺——优良的、先进的、低成本的复合材 料液态成形技术，投资少，上马快，很适于建造复合材料船舶。
复合材料不敢再用。
四、 FRP 用于船舶的展望
有需求：
1、海洋资源的开发，海疆的保护； 2、能源紧张、油价上涨，节约燃料； 3、船舶能效设计指数严格要求节能减排； 4、特殊舰艇，需要复合材料的特殊功能。
船舶及其部 件需要使用 复合材料。
有可能：
1、高性能纤维与基体迅速发展，复合材料船艇将功能更好、 造价更低；
2、高性能渔船与特殊舰艇必须发展，已引起各级领导和专家 的重视；
3、我国的复合材料基础研究及其在航空领域的应用研究国际 领先，诸多成果可以借鉴；
4、缩小与造船先进国家的差距，也需要加强复合材料船舶的 相关研究。
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复合材料在船舶中的应用现状及存在的问题
观点不妥之处，请指正
边文凤 哈尔滨工业大学（威海）
（1）节能、减排、环保
Leabharlann Baidu
（2）提高效率、降低成本
航速快、有效载荷大
维修成本低、使用寿命长
（3）建造工序少、效率高
连接少
一次成型件多
（4）运营安全
整船起浮性好、稳性好、隐身
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从设计、建造讲
结构轻量化的实现途径：
1、设计科学的构造形式 2、采用更轻、强度更高的材料 3、使用先进的制造技术
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从航行性能讲
船舶航行性能 综合性能
静力学
动力学
浮 性 稳 性 抗 沉 性 快速性 运 动 性
环经 保济 性性
操纵性 耐波性
均与重量及重量的分布 密切相关
复合材料
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从综合性能讲
船壳重量轻 保护森林资源、无锈蚀污染、低噪音
FRP船舶设计：材料、结构、功能与制造一体化设计。 船舶是综合工业之冠， FRP船舶则是冠顶（缨）。
存在与面临的主要问题：
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
从决定性因素讲
• 1：上层的认识、理念和重视程度的问题。
想在已经意识到了，相信能达到航空航天的状态。
• 2：人才缺乏问题。
在船舶领域，能够进行“选材、选型、设计、制造” 一体化的人才严重缺乏
复合材料
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从设计、建造讲
1、复合材料具有丰富的结构构造形式
单板
单板纵向加筋
单板横向加筋
船壳结构基本形式
单板双向加筋
夹层
夹层结构
硬壳式结构
波形结构
硬壳
复合（组合）结构形式
波形
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2013-10-20
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从设计、建造讲
2、复合材料具有良好的材料力学性能
日本的“江之岛”
二、FRP 在船舶上的应用现状
FRP船舶配件
上层建筑、甲板室、 桅杆、螺旋桨、烟囱、 推进轴系、舰舱壁、 甲板、舱门等
美国海军隐形战舰
多任务“朱姆沃尔特”级驱逐舰
碳纤维龙骨
斯普鲁恩斯级驱逐舰的“先进封闭桅杆/传感器系统”
我国的 应用还很少
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
目前，我国虽然是造船第一国，这只是从吨位上讲，如 果从修正总吨位讲，我国还落后于日、韩，高技术含量 船和高附加值船的研究、轻量化技术研究与应用等，与 造船先进国家均有较大差距。
制品性能 质量均匀性 强度 方向性增强 表面质量 模具寿命 环境污染情况 苯乙烯挥发量 材料浪费量 废品率/％
真空导入 很好 极好 好 很好 长
闭模系统 <5×106
<2％ 0.1~0.5
手糊 一般 良好
好 一般
短 开模系统 5％～10％
>5％ 1~2
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势
从总体讲
实现船舶轻量化
复合材料是船体结构材料
最好的选择
二、FRP 在船舶上的应用现状
由于FRP具有优良性能，近20年，在英、美、法、意、日等造船 强国在FRP（主要是玻璃钢），船舶上取得了长足进展，船舶 结构和很多部件都开始使用FRP。如：上层建筑、桅杆、推进 系统（螺旋桨和推进轴系）、烟囱、舰舱壁、甲板、舱门、设 备底座、管道系统等等，业已成为独具特色的船舶材料。
2、国内没有针对FRP船艇的设计单位、而且至今仍未摆脱 金属船舶的设计理念。
3、设计与建造规范和检验法规也不甚完善。 4、没有适用于FRP军用舰船的设计建造规范。
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三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
从设计规范讲
中国 FRP船设计建造规范
对于各项同性均质 材料，是实用的。但是， 对于复合材料，……。
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
法国 FRP船设计建造规范
2013-10-20
从设计 规范讲
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
从建造工艺上讲
1、大多数船厂仍采用传统的手糊成型工艺； 2、真空辅助成型工艺参数优化掌握不好； 3、在线控制、在线监测、在线检测，均有待研究； 4、复杂构件的一次成型技术； 5、极端环境及极端载荷下的连接工艺研究欠缺。
2013-10-20
第二届国际交通运输装备轻量化峰 ——2013船舶轻量化国际论坛
复合材料在船舶中的应用现状
及存在的问题
边文凤
• 哈尔滨工业大学（威海）
2013-10-20
• 内容目录
• 一、纤维增强复合材料（FRP)用于造船的优势 • 二、FRP 在船舶上的应用现状 • 三、目前 FRP 用于船舶的存在的问题 • 四、 FRP 用于船舶的展望
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
从旧船利用讲
废船回收再利用问题，目前还没有更令人满意的方式。
欧美日等均已积极行动起来，进行研究解决，并已建 起专门的企业，着手解决。
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
总体上讲
做不到科学选材、科学设计。
导致材料使用不利，承载能力上不去，结构重量不下来。
结论：复合材料不好用。
二、FRP 在船舶上的应用现状
渔船
（1）、美国近海渔船全为玻璃钢制造； （2）、日、俄、英、法、德等国，玻璃钢渔船占渔船总数90%； （3）、我国台湾，40米以下渔船90%采用复合材料建造； （4）、我国大陆，玻璃钢渔船占渔船总量1%。
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2013-10-20
二、FRP 在游船艇舶上的全应球用现每状年交付的大型游艇有100多艘， 24米以上的游艇450艘以上；
• 3：研究基础及经验缺乏。 与船舶相关的研究基础、经验和数据也严重匮乏。
• 4：产 、学、研结合不够紧密
没有明确定位与合理分工，基础研究和技术开发研究 的缺乏有机衔接。
三、 FRP 用于船舶面临的主要问题
FRP船体结构设计
从设计方面讲
设计方法：基本采用规范设计法和母型船设计法。
1、国外的设计已逐渐考虑到“材料、结构、建造一体化， 结构优化”等问题。
近年来随着FRP船舶材料、设计和制造技术的迅速发展，FRP在 军民用舰船中的应用将日益广泛。目前从数量上来看，最多是 游艇、渔船、救生艇、高速艇、工作艇以及反水雷舰艇等。
我国在FRP舰船领域的基础技术研究投入甚少，FRP舰船之材料、 结构及设计人员极其缺少，研究设计能力差。这与航空航天领 域相比明显落后，与国外海军强国的差距就更大了，与作为世 界第三造船大国的地位极不相称。
全国有320多家高档船艇生产企业， 出口近百万艘游艇到126个国家和地区。
二、FRP 在船舶上的应用现状
军船：巡逻艇、反水雷舰（除我国，其他沿海国家都有）、护卫舰等
复合材料舰艇：轻、快、稳，有效载荷大；隐身——无磁、降噪、 消波、透波；抗冲击、耐腐蚀，寿命周期内成本低。
瑞典 (Visby Class Corvette),72.5m全复合材料 美国海军(M80 Stiletto)，18m，碳纤维
2013-10-20
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