游艇船壳材料结构设计解读

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1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y复合材料结构课程设计 游艇船壳复合材料夹层结构设计学院名称：专业班级：姓名、学号： 指导教师： 二一二年六月 目录摘要11 游艇简介11.1 概述及简单分类11.2 游艇的主要参数21.2.1 尺寸21.2.2 船型31.2.3 纵稳性31.2.4 快速性41.2.5 游艇材料52.游艇受力分析及性能要求62.1作用在船体上的力62.1.1 船体的总纵弯曲62.1.2 作用在船体上的横向载荷72.1.3 其它局部受力情况82.2 船壳性能要求83 玻璃钢船壳结构设计83.1 玻璃钢的特点83.2 玻璃钢复合材料的泡沫夹层结构9

2、3.3 玻璃钢夹层结构的设计113.3.1玻璃钢夹层结构弯剪强度设计113.3.2夹层结构骨材的弯曲强度设计123.3.3夹层结构纵桁的剪切强度设计133.3.4 结构设计图及尺寸134.泡沫芯材的选择154.1 泡沫芯材的发展历程154.2 常见泡沫芯材的性能和应用165 泡沫芯材的加工使用方法175.1泡沫芯材的加工175.2泡沫芯材的使用186 玻璃钢游艇模型船壳的制作196.1 阳模法制作模型船壳206.2 阴模法制作模型船壳22结论22参考文献22 游艇船壳复合材料夹层结构设计摘要：游艇作为一种高级高级水上娱乐工具，谁到越来越多的私人或团体组织的青睐。近年来，为提高游艇性能，越来越多

3、的高科技专利、新型材料被应用到游艇上，其中作为船身主体的船壳材料自然首当其冲的成为重点研究对象。本文主要从受力分析、材料选用等方面来分析设计玻璃钢夹层结构。关键词：游艇 玻璃钢 夹层结构 泡沫芯材 制备1 游艇简介 1.1 概述及简单分类 游艇，是一种水上娱乐用高级耐用消费品。它集航海、运动、娱乐、休闲等功能于一体，满足个人及家庭享受生活的需要。在发达国家，游艇像轿车一样多为私人拥有，而在发展中国家，游艇多作为公园、旅游景点的经营项目供人们消费，少量也作为港监、公安、边防的工作手段。游艇是一种娱乐工具这一本质特征，使它区别于作为运输工具的高速船和旅游客船。 游艇可以有多种分类标准，如尺寸、功能

4、、动力类型、品质、船壳材料等。 按游艇尺寸大小来分，在国际标准中游艇的规格是以英尺计算的，从尺寸大小上分为三种：36英尺以下为小型游艇、36-60英尺为中型游艇、60英尺以上为大型豪华游艇，细分下来可以有小型艇（6米以下）、小型游艇（610.5米之间）、中型游艇（10.518米之间）、大型游艇（18米以上）。大型豪华游艇在尺度上分3540米、4144米、45游艇49米、5054米和5560米五个等级。 按功能分有休闲艇、商务交际艇、赛艇、钓鱼艇、辑私艇、公安巡逻艇、港监艇等；按动力类型分有无动力艇、帆艇、机动艇。帆艇又分为无辅助动力帆艇和辅助动力帆艇。机动艇又分为舷外挂机艇、艇内装机艇。艇内装

5、机艇还可分为小汽艇和豪华艇两个档次；而按照品质又可以分为高档豪华游艇、家庭型豪华游艇、中档普通游艇及廉价游艇。 若按照游艇的船壳材料可分为有木质艇、玻璃钢艇、凯芙拉纤维增强的复合材料艇、铝质艇和钢质艇。目前，玻璃钢艇占绝大比例，赛艇、帆艇、豪华艇使用凯芙拉增强材料的较多；铝质艇在舷外挂机艇和大型豪华游艇中占一定比例。 1.2 游艇的主要参数 1.2.1 尺寸 欧美FRP游艇的尺度范围较大，艇长Loa=5m-44m，佛汝德数，体积佛汝德数()。属于一种尺度相对较小、航速较高、受力复杂、布置难度大、使用要求高的过渡型快艇或滑行快艇。 一般情况下，艇长在12m以下属于小型快艇。佛汝德数FN3.0时，

6、艇体重量几乎全部由作用在艇底的流体动力所支持，即为滑行艇。与排水型船考虑的因素不同，快艇主要参数的选择应在满足定员舱布置要求的基础上，着重考虑耐波性、操纵性及航行中的稳性等航海性能。图1所示为游艇的L与B的关系曲线；图2为L与L/B的关系曲线。 其回归方程为：B=0.2022*Lw+1.8 或 Lw/B=0.0633*Lw+2.1 (1) 图1 L与B的关系曲线 图2 L与L/B的关系曲线 据统计L/B=2.5-4.1,远小于FN在0.3左右的中速普通排水型船。其目的在于增加艇体展弦比，以提高水动力性能。从图中可以看出，在艇长较小时，对应的L/B较小，随着长度的增加，L/B呈增加趋势。 对B/

7、d随艇长的变化统计值为：在艇长为14m以下时的B/d=4.0-5.5；艇长大于14m时，B/d值较平缓，在5.2-5.7之间，其值比中速普通排水型船高很多（如 FN在0.3左右的渔船，其B/d3.0）。这是由于快速游艇在航行状态受力复杂，对稳性要求较高的缘故。 另外，这些游艇的干舷值亦比普通排水型船的大，这一点与普通客船类似，因为大的干舷对大倾角稳性有利。 1.2.2 船型 如上所述，FRP游艇属于过渡型快艇或滑行快艇范围，型线以折角型为主，尾部采用方尾。一般常见的有单折角形（即在平板龙骨与舭部折角之间的艇底板有1道纵向折角线）和双折角形（即在平板龙骨与舭部折角之间的艇底板有2道纵向折角线）。

8、其特点是增加艇底板的褶皱，产生数个小滑行平面，在增加滑行效率的同时，增加艇底板的刚性。舭部折角线还可以起到舭龙骨的减摇作用。 尾部采用方尾，方尾的相对宽度 fB=BT/BX (BT：方尾宽度；BX：艇的最大宽度)表征尾部的收缩程度。对于高速快艇，适当增加fB可以增加尾部水压力作用不使艇体的航行纵倾过大，同时还可使尾部水流收缩不致太快，从而增加了“虚长度”，因而对阻力性能有利。另外，方尾还具有有利于尾部上甲板、舵机舱和推进器等布置以及增加稳性，便于施工等优点。 对于FN3.0的高速游艇，一般采用深V型，底升角在首部较大，最大可达60，由舯向尾升角逐渐减小，到尾板处升角接近0。以减轻高速航行中的首

9、部拍击现象，有利于耐波性。尾部采用较平坦的纵剖线，可以减小高速水流的能量损失，也可以使纵中剖面面积不至于过小，有利于满足操纵性的要求。 1.2.3 纵稳性 与普通排水型船不同，因为小型快艇的L/B相对较小，导致纵稳心半径小，据统计艇长在10m以下的游艇，其H/LW=1.1-1.6（H-纵向初稳性高；LW水线长），因此保证纵向稳性是小型快艇设计中的一个重要问题。 应适当减小FRP游艇的进水角，并使浮心位置后移，这对减小剩余阻力是有利的。为了减少高速艇的“海豚”现象，建议适当地把重心往前移向艇舯，浮心位置应位于重心之后附近，使游艇在静水中处于轻微首倾，在航行中随着速度的提高，浸水线不断向后缩短，浮

10、心逐渐后移与水动力所产生的升力作用线合成使游艇首部抬起，这时不至于因升力作用点沿纵向变化而远离重心发生过大的纵向摇摆，即有利于纵向稳性。笔者对艇长在10m以下的小型游艇的浮心纵向位置LCB进行了统计，其取值范围在舯后（7%-10%）L。 对于深V型滑行艇，建议使用文献6提供的计算方法。克莱门特将62系列模型的稳定性试验资料整理为 对FNV关系曲线，如图3所示。不发生海豚运动的限界曲线可以用如下方程式表示： (2) 式中：-压力中心，即重心在艇尾板前面的距离，m； b重心纵向位置处的艇体宽度（包括防溅条在内），m； FNV排水体积佛汝德数，CL-动载荷系数， （3）式中：-艇的排水量，kg； -

11、水的密度，kgfs2/m4； -艇的航速，m/s； B平均艇宽，m； BX艇中部折角线处宽度，m；BT-艇尾板折角线处宽度，m。使用图3曲线的方法是，先用（3）式计算系数CL；再计算和FNV ，然后判断点（FNV ，）是否在稳定区内。 1.2.4 快速性 过渡型快艇的棱形系数Cp值的选取与设计航速有关。一般按略小于“理论最佳棱形系数”的原则选定。这是因为这种艇的经常使用速度往往低于设计速度。取略小于最佳的棱形系数，对阻力性能是有利的，相反的如果取“最佳值”，使艇经常处于不利状态下。 航速粗估在设计工作和营运工作中都是比较重要的，根据统计并回归，游艇航速与主机功率存在如下关系： （4） 式中：V

12、游艇航速，kn； MHP主机总功率，kw； -游艇排水量，t； L水线长度，m。 若将估算航速的（4）式与游艇资料绘制成图4，能很好地反映游艇与的关系。质艇在35米以上远洋大型豪华游艇中占比例较多。MHP/ 图3系列62海豚运动界限图 图4 （3）式与实船资料比较 1.2.5 游艇材料 随着科技的发展，船艇设计的性能不断提高，人们对快艇速度的要求也在不断提高。快速游艇受到更高的强度负荷，这就要求其必须具备较高的强度和刚度。而具有刚性不足、强度有余特点的传统玻璃钢结构已不能满足现代高速艇的发展要求。 近几年对玻璃钢材料的改进主要体现在夹层结构、增强材料及树脂系统。对于夹层结构，目前采用夹心结构代

13、替过去的单板结构。实践证明，夹心结构在刚性方面明显地优于单板结构。目前国外出现了聚丙烯蜂窝状夹心材，这种夹心材的抗弯、抗冲击强度都优于其它夹心材，而且还能达到阻燃效果，单位重量也低于其它夹心材，施工方法也比其它夹心材简单。 对增强材料和树脂系统的改进。近年来复合毡合成纤维与玻璃毡组成的混合材料已得到应用。这种材料可提供更优的性能，更低的树脂含量，能更好地控制船体重量。例：将Kevlar纤维与玻璃纤维组成混合增强材料，用于对强度负荷要求较高的高速船体上，仍能使船体重量减少12%，而且完全可以满足它的强度要求。 对表面胶衣系统的改进。现在世界上制造豪华玻璃钢游艇的厂家已开始使用一种称作Barrier coat的树脂。这种Barrier coat树脂用在胶衣层后面，湖制层前面。起到了一个胶衣层和湖制层之间压力传递和缓解的作用。有很好的防渗透能力。Barrier coat树脂与胶衣层和湖制层有着非常好的化学共溶性，非常强的粘接强度。在玻璃钢船艇上使用结果表明，Barrier coat树脂层还能减少胶衣层的破裂现象。 2.游艇受力分析及性能要求 2.1作用在船体上的力 船舶从建造、下水、停泊、航行及进坞修理