澳大利亚国防科学与技术机构(DSTO)所属的航空与海洋研究实验室曾发表过一篇很有意义的综述性论文,较为全面地阐述了西方国家舰船复合材料结构物的应用需求、范围以及其研发方向,并较为系统地给出了潜艇复合材料结构物的应用现状与发展规划。
其实,复合材料的应用范围极为广泛,应用对象并不限于潜艇的非耐压壳体、附体结构、装置及其附属设备,甚至已逐渐扩展到主承载的各型装置结构物,例如轴系、螺旋桨、设备基座等。
此外,德国潜艇技术的发展历程也是潜艇复合材料结构物工程应用的经典案例。目前,潜艇复合材料结构技术的发展特点在德国潜艇结构设计中得到了充分体现。
德国潜艇复合材料结构从上世纪60 年代至目前的发展历程,可见,潜艇复合材料结构的应用至少具有以下3 个基本特点:
1) 应用范围逐步扩大。上世纪60 年代,在209-1100 型潜艇上仅指挥室围壳和上层建筑局部使用了复合材料可拆板和导流罩体;上世纪70 年代末,209 型潜艇指挥室围壳的大部分和上层建筑全面应用了复合材料;21 世纪以后,212 型和214 型潜艇使用的复合材料延伸到了舵、翼等附体结构及舷侧非耐压壳体结构,基本实现了舷外非耐压结构的全覆盖。
2) 结构形式不断发展,呈现多样性。早期的复合材料结构形式主要为单壳加筋板架结构,209型潜艇则是单壳加筋和夹层结构的混合应用,以色列海军设计建造的“海豚”级潜艇以后全面采用夹层结构方案。
3) 材料体系不断更新完善,功能性设计特征逐渐显现。主要表现为GRP 向CFRP 体系的转变。CFRP 结构相比GRP 结构重量更轻,刚度特性更优。
根据文献,在全面应用PVC 泡沫夹层上层建筑和指挥室围壳等结构后,德国海军认为潜艇应用复合材料结构对于提高总体设计的裕度和灵活性极为有利。因此,近10 多年来,德国海军开始转向研制复合材料的高压气瓶、螺旋桨等关键装置。目前,发展路线已非常清晰,工程应用也比较成功。
除上述2 个经典案例外,有关西方海军强国潜艇复合材料结构物的系统应用鲜有报道,公开资料也较为缺乏。然而,典型的应用案例却并不少见,主要包括:复合材料耐压壳、操纵控制面(舵和翼)、集成式升降装置、舱内结构及装置系统、深海潜器等。
早期舰船复合材料结构应用的主要目的是解决船体结构腐蚀和猎/扫雷舰艇的低磁化问题,然而随着新材料的不断涌现及其结构功能性的不断发掘(例如,阻尼约束夹层、轻质高刚度泡沫夹层、高透声玻璃钢和超材料夹层等) ,以减轻结构重量为目的的隔声型复合材料轻外壳、综合集成桅杆和复合材料机库等技术得到了工程应用。
近年来,具有隐身功能要求的复合材料声呐导流罩、舵翼、螺旋桨、泵喷导管、烟囱和管路系统等,也逐渐进入先进舰船装备序列。由此可见,舰船复合材料结构的应用需求早已超越传统结构的范畴,而与总体性能、功能性和综合保障性设计融为一体,且彼此密切相关。
在现代舰船复合材料结构应用工程中,“复合材料”一词的内涵已不再局限于传统意义上的玻璃钢层合板,各种高性能纤维(例如,碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维等)和树脂(例如,改性环氧、酚醛等各种适用于海洋环境的低成本树脂体系)不断涌现。(来源:中国舰船研究)
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