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复合材料在海军舰艇中的应用
发布时间:2012/6/9 点击次数: 3101
核心提示:用于民用船只的钢铁,是制造海军舰艇的传统材料,这是由于钢铁成本低、强度高,而且钢铁结构在海军和海军造船厂中众所周知的缘故。然而,有时复合材料也用来制造军舰,因为它们可以提供特别吸引某一领域的优良性能。


巴基斯坦“巴德尔”号导弹驱逐舰

  用于民用船只的钢铁,是制造海军舰艇的传统材料,这是由于钢铁成本低、强度高,而且钢铁结构在海军和海军造船厂中众所周知的缘故。然而,有时复合材料也用来制造军舰,因为它们可以提供特别吸引某一领域的优良性能。例如,复合材料的非磁性性能使它用于反雷舰艇;另外,由于有着低的比重,并且复合材料结构有助于隐身,复合材料被用于制造大型军舰的上层建筑和快速巡逻艇。现在复合材料已经可用于美国海军驱逐舰和巡洋舰的上层建筑中。因此,复合材料被采用,是因为它与钢铁不同,当合理使用时,这种材料有着很大的优势。

  复合材料在海军舰艇中的正确使用,要求所有的不同之处都要充分考虑到。这意味着,对复合材料结构的详细技术要求,应该与对相应的钢铁结构的要求不同,否则将得到一个不平衡的复合材料设计,甚至想利用复合材料的性能优势都是不可能的。因此,一种成本效益评估法被开发出来,这种方法允许产生一套针对复合材料结构的平衡要求。随后,传统复合材料结构的潜在性能才被开发出来。

  复合材料与传统材料有很大的不同,其中一些不同之处代表它的优势,而另外一些则代表造船商需要克服的挑战。它们的主要区别在表1中作了总结。

  许多法规规定的要求,反映了钢铁结构可以达到的终效果。这些要求随着时间的推移已经演变,以至于只要遵守有关规定,就可以获得一个平衡的钢铁设计。一个民用船只的例子是,《国际海上人命安全公约》要求结构材料在许多领域都是不可燃的。当然使用钢铁材料时,也要遵守这则公约。然而,它地禁止了复合材料的使用,尽管人们可能开发出与普遍认可的钢铁设计有着相似或更好消防安全性的复合材料结构。新的法定规定已经调整了这一点,允许使用通过风险评估被证明与传统认可方法等效的解决方案。

表1,复合材料结构和钢结构的区别

 

 

特性
钢铁结构
复合材料结构
重量
重量大
可显著减轻船艇的重量
抗腐蚀
在海洋环境中会生锈,维修成本高
在海洋环境中不会腐蚀,维修成本低
可燃性
不可燃,不助燃,不会产生有毒烟雾
可燃,在火灾危险区对表面进行保护
导热性
导热系数高,隔热,阻止火势蔓延
导热系数低,固有的绝缘性已够用
导电性
导电系数高,本身具有电磁屏蔽作用
导电系数低,如果需要电磁屏蔽,嵌入导电层

 

  类似地,人们有时认为,用于军舰的复合材料结构,为了与传统钢铁结构达到相同的效果,应该达到对钢铁结构的要求,从而幸免于武器导致的负荷(如内部和外部的爆炸)。这种希望将会符合钢铁结构所能达到的所有要求,而且同时可以获得复合材料结构具有的所有优势,比如重量的减轻、以及有助于隐身的特征。然而,那是不切实际的。目前钢铁结构的要求直接应用于复材结构,就复材结构符合这些要求而言,将会产生一个比钢结构“更好”的设计。然而,为达到这些要求,重量和成本可能不得不添加到复合材料不再有竞争力的范围中了。

  此外,复合材料结构也将是不平衡的。“钢铁”要求是在对钢铁结构的潜能及局限性有深度了解的基础上逐渐演变来的。因此,如果有可行的设计方案,并且进行好的工程实践,钢结构就可以达到所有要求。由于复合材料的不同行为,一些要求只有通过很大的努力才能达到,而另外一些则很难实现。因此,如果复合材料的制造按照一套更好的要求,那么人们就可以更经济地得到一个好的结构设计。这些要求也将表明一个复合材料结构可以达到的真正效果。

  对一个平衡的复合材料结构和一个平衡的钢结构设计进行比较时,非常有必要权衡一些方面,如制造成本、重量、隐身性能、速度、机动性、维护和修理费用等。哪个是好的取决于特定舰艇需要具备的性能。对于小型快艇而言,完全由复合材料制成也许是好的。对较大舰艇而言,完全采用钢铁结构也许是好的,但一个钢制船身加上一个复合材料制成的上层建筑可能会更好,因为复材结构有助于隐身,而且采用复材结构,可以将传感器定位在较高的位置而不影响稳定性。

  上述讨论强调了合理选择结构设计的重要性: 1) 建立平衡的复合材料结构;2)将复合材料结构与刚铁结构进行比较,然后做出明智的选择。

  舰艇结构的成本效益评估

  成本效益评估的目的,是为了提供一种选择经济实惠设计方案的方法,从而提高结构性能。出发点是找到一个基本设计,既体现目前先进的水平,又符合现有的安全要求。设计改进方案的评估考虑两个方面:耐久性和成本。对每个设计方案的结构性能进行测定,是为了选择表现好的一个。


 
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