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1、玻璃钢材料在船舶结构设计中应注意的问题摘 要：本文主要针对玻璃钢材料在船舶结构设计中容易出现的问题进行了分析，并根据笔者的实际经验提出了一些合理的建议，希望能够引起设计部门的注意和重视。关键词：玻璃钢材料 船舶 结构设计 问题 近几年，玻璃钢产业在我国的迅速发展，玻璃钢产品也在我们周围逐渐普及，目前世界各国开发的玻璃钢产品的种类已达4万种左右，主要应用在建筑行业、化学化工行业、汽车及铁路交通运输行业、船艇及水上运输行业、电气工业及通讯工程等领域。珠海作为玻璃钢船艇制造业的基地，每年生产和制造的船艇上百艘，通过对这些船艇设计和制造过程的检验，我们对玻璃钢材料的特性有了一定的认识和了解，同时，通过
2、对船艇结构设计的审查，对于容易出现的问题，提出了本人的一些见解。 一、玻璃钢材料的特性 玻璃纤维增强材料GFRP（Glass fiber reinforced plastics），国内在习惯上称为玻璃钢，主要成分是以合成树脂为基体材料，玻璃纤维及其制品为增强材料组成的复合材料. 玻璃纤维的原理就是将融熔态的玻璃以极快的速度拉制成纤维，拉制的纤维具有一定的柔韧性，可用于纺织成纱或各种形式的玻璃布。玻璃纤维具有的特点是： 抗拉强度很高，强度与纤维的粗细成反比； 耐热性低，250C以上就开始软化； 化学稳定性高，除氢氟酸和浓碱等少数介质外，对绝大多数化学介质都有较好的稳定性； 脆性较大，伸长率只有3
3、%左右，表面光滑，不易与基体结合，需经表面处理来提高与基体的结合力。 玻璃钢材料因为不是特定物质的概念，而是材料使用方法的概念，所以它不受特定材料性能的限制，可以通过选择不同组合、自由的设计，其产品具有以下优点：（1）质轻、高强；（2）耐腐蚀、抗海生物附着；（3）绝缘；（4）介电性和微波穿透性好；（5）能吸收高能量，冲击韧性好；（6）导热系数低、隔热性好；（7）船体表面光滑、可着色彩；（8）整体性好，船体无接缝和缝隙；（9）成型简便，适宜批量生产；维修保养方便、经济。 二、结构设计中应注意的问题1应力集中问题 根据玻璃纤维材料的拉伸试验的结果，我们知道玻璃钢材料直到破坏都没有明显的屈服点，这说
4、明了玻璃钢的塑性小，没有金属的缓和应力作用，所以它在切口、开孔和构件间断附近的应力集中现象更为严重。 玻璃钢构件连接的常用两种方法有机械连接和胶接连接。对于机械连接，主要在安装设备、机器等局部地方使用，其优点是装拆方便，检查容易，缺点是减少了受力面积，产生应力集中，降低接点疲劳强度。根据实际检验中发现，玻璃钢层压板和普通金属板一样，当外力作用时将在板材的装配孔、螺钉槽和阶梯周围产生很高的应力集中。为消除应力集中，在检验中应注意切口、开孔和装配孔周围要求保证光滑，以及尽量糊制成规则的几何形状。 胶接连接主要应用在船体结构连接（如层合板对接、骨材和外壳板和甲板的连接、甲板和舷侧板连接、骨材交叉连接
5、以及舱壁与船壳板的连接等），在设计中对纵横构件的连接应分清谁间断谁连续，对间断的构件应保持良好的连接，同时考虑如何提高接缝强度，使其达到原结构的强度，同时避免出现应力集中现象。2弹性模量低 根据试验，我们知道玻璃钢的弹性模量大约为钢的弹性模量1/101/20，如此低的弹性模量造成了玻璃钢船舶向大型化发展的一个严重障碍，同样导致常规钢船的设计和校核方法不完全适用。 玻璃钢主要分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢两类：热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热固性树脂为基体的复合材料。这种材料具有成形工艺简单、强度高、密度低、耐腐蚀、介电性高等特点，与热塑性玻璃钢相比，耐热性较高。这类玻璃钢的主要缺点是弹
6、性模量低，刚性差。热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热塑性树脂为基体的复合材料。热塑性玻璃钢与热固性玻璃钢相比，强度和疲劳性能可提高23倍以上，冲击韧度提高24倍，抗蠕变能力提高25倍。 由于玻璃钢的强度比大、刚性比小。因此，一般玻璃钢船舶的总长设计尽可能不超过40米，超出以后对船舶的总体刚度、扭转强度、局部强度以及横向强度都是一种考验，由于船舶在营运中，除了承受静水压力、货物和油水等静载荷作用以外，还受到机器运转不平衡力、波浪冲击和螺旋桨的激振力等动载荷作用，加上玻璃钢材料的力学性能存在不稳定的因素，都可能会造成强度的下降。所以，对大尺度船舶设计时应考虑增强船舶的强度，设法防止变形，通过
7、整体成型、增加剖面模数、增加加强筋和夹层结构等方法弥补刚性低的缺点。3材料性能的不稳定性 一般的材料如：陶瓷材料、高分子材料、铁、铜、金等等。它们都是根据材料的物质成分来分类和定义的。但是，玻璃钢作为一种复合材料，定义是两种或两种以上的物质，以物理结合的方式（各自保持其原有属性）组成的物质，显然，复合材料没有什么材料物质成分的概念。因此，影响结构设计的一个重要因素就是玻璃钢力学性能的不稳定性（主要表现为强度和弹性性能的下降），这也是我们在现场检验应密切注意的。主要表现有： （1）玻璃钢船长期浸泡在水中，表层的胶衣由于破损或老化等原因，使海水沿各种途径进入玻璃钢内部，导致其力学强度和弹性性能下降
8、（大约20%左右）。 （2）玻璃钢船长期暴露在大气中，经受日晒雨淋，出现自然老化现象，也会导致其力学强度和弹性性能下降（大约10%左右）。 （3）玻璃钢制品有许多成型方法，如：手工糊制、机械压制、机械卷制、用缠绕法制做、用拉挤法制做、直接浇注成型、喷（射）注成型、加热塑制成型等等。但玻璃钢船建造至今采用最多的仍然是手工糊制工艺成型法，因此玻璃钢制品的质量取决于施工工艺规程、施工环境条件和施工工人的技术水平，安全系数的确定应考虑工艺因素。虽然依据我国现行的规范基本能满足对现在玻璃钢船舶的设计和制造过程的检验，但对于一些工艺规程的制定标准并不明确，造成检验出现一些困难。为此，我们在检验中应详细审核
9、工厂的施工工艺规程、施工环境和工人的持证情况，确保满足安全的要求。同时建议船厂加大对玻璃钢船舶制造工艺的研究，或者引进国外一些先进国家的制造工艺，结合自身的特点，形成自己的工艺规程，提高手工湖制的工艺质量。三、结论 综上所述，我们可以知道，玻璃纤维作为一种新型的工程材料，在进行玻璃钢船舶的结构设计时，除了考虑船舶的总体性能（如航速、阻力及强度等方面）和舒适安全等性能外，还应充分考虑上述的因素造成的影响，应根据材料的特点，合理的利用材料的优点，通过设计不同的细观结构，它被赋予各种各样的力学性能。正如我们说玻璃钢的材料性能如同“一张白纸”，可以由你自己去画出“最新最美的性能图案”。由于玻璃钢材料具有如此突出的优良性能，因此在船舶制造领域拥有广阔的应用前景，而且随着生产技术发展，玻璃钢的应将越来越广泛相信在不久的将来，玻璃钢工业在我国将会形成一种新兴的支柱产业。A10轮机2班王超军学号：100204219
