原文來自雜志《Reinforced Plastics（增強塑料）》，由上海船舶工藝研究所劉子茗翻譯并刪改
在造船方面，尤其在軍艦上，復(fù)合材料相比金屬有明顯的優(yōu)勢。然而，世界各國海軍還沒有大規(guī)模地轉(zhuǎn)向復(fù)合材料。不過，尤其是在荷蘭和斯堪的納維亞的造船商，有一種現(xiàn)在是時候?qū)崿F(xiàn)這種改變的緊迫感。我們與來自荷蘭弗利辛根達(dá)門舍爾德海軍造船公司（以下簡稱達(dá)門）的專家進行了交談，了解了復(fù)合材料的優(yōu)勢，以及必須克服的挑戰(zhàn)。
達(dá)門集團從20世紀(jì)60年代開始就開始生產(chǎn)復(fù)合材料船?！暗髞礓X使生產(chǎn)成本更低，所以達(dá)門完全轉(zhuǎn)向鋁，”達(dá)門公司的研發(fā)總監(jiān)Joep Broekhuijsen說。
圖1：達(dá)門生產(chǎn)的攔截艇，因使用復(fù)合材料的原因又輕又快
21世紀(jì)以來，達(dá)門集團再次大舉投資復(fù)合材料。幾年之后，他們在土耳其建立了一家復(fù)合材料造船廠，生產(chǎn)長度可達(dá)25米的船舶。
達(dá)門公司的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)專家Laurent Morel說:“這些大多是攜帶在母船上進行追擊的攔截艇。我們正在以大約每周一艘的速度生產(chǎn)一系列共70艘船。我們還在那里生產(chǎn)了兩輛用于客運的雙體船。我們所有的船員供給船和海上供應(yīng)船的上層建筑都是由復(fù)合材料制成的?！?br />
達(dá)門制造了各種各樣的船，他們有雄心將復(fù)合材料船做得更大?！拔覀冊趫D紙上有一個45米船的設(shè)計，我們希望在5年內(nèi)達(dá)到75米，”Morel說。
圖2：復(fù)合材料船體的成型
達(dá)門公司使用熱固性樹脂，并盡可能多地使用玻璃纖維。大多數(shù)復(fù)合材料船不是為了強度而設(shè)計的，而是為了頻率。根據(jù)船的類型，有時必須使用不同的材料來達(dá)到需求的頻率以避開螺旋槳的激勵。
軍用復(fù)合材料的額外優(yōu)勢
當(dāng)然，從鋼到纖維增強塑料最明顯的優(yōu)勢是減重，這可以用來減少燃料消耗或攜帶更多的有效載荷。復(fù)合材料上層結(jié)構(gòu)的重量更輕，也可以降低船舶的重心，增加其穩(wěn)定性。但根據(jù)Morel的說法，這些長度低于25米的船之所以重新使用復(fù)合材料，主要原因是它們現(xiàn)在的生產(chǎn)成本比鋁制船要低。
在軍事應(yīng)用中，由復(fù)合材料制成的船舶或上層建筑具有一些額外優(yōu)勢，比如與輕金屬結(jié)構(gòu)相比較低的雷達(dá)散射截面。由復(fù)合材料制造的船舶水下磁性特征較低，這對獵掃雷艇(MCMV)尤其有價值。MCMV長度大于25m，荷蘭海軍應(yīng)該很快就會更換他們的MCMV?！斑@是我們目前的主要關(guān)注點，”Broekhuijsen說。
圖三：阿爾克馬爾級的MCMV，從1983年開始在荷蘭海軍服役，它的52米長的玻璃纖維增強聚酯船體在當(dāng)時是相當(dāng)革命性的。
反水雷艦艇
達(dá)門正在考慮建造75米長的下一代復(fù)合材料MCMV?！斑@是一個相當(dāng)大的復(fù)合平臺，”Broekhuijsen說。但國防組織因為在處理水雷問題上有兩種不同的策略，還沒有確定一個明確的偏好，因此還沒有訂購新的MCMV。
第一種策略是使用一艘具有低磁特征的MCMV，能夠在水雷被發(fā)現(xiàn)之前探測到它。此外，船上的儀器必須由非磁性材料制成，或者配備消磁系統(tǒng)。另一種策略是使用普通的鋼鐵母艦，始終停留在雷區(qū)之外，并派出小型無人船追蹤水雷。這些無人船計劃長10-20米，由復(fù)合材料制成。
Morel表示：“國防界正在等著看這些無人系統(tǒng)的發(fā)展會有多快，因此，目前很難進行性價比比較，我們努力對兩種策略都做好準(zhǔn)備。但對我來說，挑戰(zhàn)很明顯:復(fù)合材料船的購買成本必須至少低于鋼船體版本?！?br />
海軍艦艇所能承受的載荷與商業(yè)艦艇不同。以MCMV為例，它必須能夠承受地雷的意外爆炸。荷蘭甚至要求他們的MCMV在回到港口之前能經(jīng)受住多次爆炸。Broekhuijsen表示：“撕裂對船體有害，訣竅是防止形成真正的撕裂，造成防水完整性失效。使用復(fù)合材料，會看到分層形式的損傷，也會吸收大量的能量。但你也希望一艘船能夠承受多次爆炸，而不會受到傷害。因此，你必須能夠在不分層的情況下承受幾次沖擊載荷，并保持鋼和復(fù)合材料的彈性參數(shù)?！?
鉚釘、螺栓還是膠粘劑?
對于連接部位，達(dá)門更喜歡使用膠粘劑，Broekhuijsen解釋道:“焊接是不可能連接復(fù)合材料與鋼的，鉚釘是一種過時的技術(shù)，我們很少使用螺栓。在復(fù)合材料的上層結(jié)構(gòu)中使用螺栓不利于減重。螺栓的重量約為復(fù)合材料上部結(jié)構(gòu)重量的20%。”
美國最近嘗試加固了一種復(fù)合材料的上層建筑:美國軍艦朱姆沃爾特DDG-1000是一艘外觀前衛(wèi)、180米長的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，專為擁有超低雷達(dá)散射截面而設(shè)計。但將螺栓用于上層建筑增加了重量和成本。32艘朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦的建造計劃擱淺，生產(chǎn)計劃限制在3艘。
Morel指出:“對于操作荷載，如波浪荷載，一個連接節(jié)點是足夠強的。然而，軍事負(fù)載則是另一回事，尤其是內(nèi)部爆炸場景。這可能就是為什么美國人使用螺栓而不是膠粘劑的原因:他們的設(shè)計要求中可能有武器爆炸載荷。在爆炸中，我們討論的應(yīng)變率是實際載荷的一千倍。這需要一種不同的方法:你必須把結(jié)構(gòu)置于膜態(tài)，而不是彎曲態(tài)。將其與肥皂泡相比較：肥皂泡在張力中均勻地加載，使輕量級結(jié)構(gòu)能夠承受較重的負(fù)載。我們已經(jīng)做了一個可以應(yīng)對反艦導(dǎo)彈的復(fù)合材料防爆艙壁。從幾何上看，它只是一個扁平的夾層板，但你必須修補纖維的方向和接頭，以推動荷載進入正確的方向。爆炸后，你可以看到里面有肥皂泡的形狀?！?br />
圖4：達(dá)門在卡雷爾·多門號的上層建筑上制造了用于空調(diào)和供暖的GFRP空氣導(dǎo)管，卡雷爾·多門號是荷蘭海軍的一艘205米長的支援船。
金屬和塑料粘合
達(dá)門在25米長的船上使用膠粘劑將上層建筑連接到船體底部。但在像MCMV這樣的大型船只上是一個巨大的挑戰(zhàn)。定義要求的船級社必須仔細(xì)檢查整個結(jié)構(gòu)。對于小型船，我們可以在沒有船級社批準(zhǔn)的情況下連接上層建筑。但對于大型船，我們必須讓機構(gòu)相信這種粘合是持久的，必須在火災(zāi)時證明它的安全。我們必須對可能發(fā)生的情況以及減少這些風(fēng)險的選項進行評估并研究應(yīng)對方案。
Broekhuijsen說:“對于粘接在海洋環(huán)境中的老化行為，我們還不太清楚。在航空航天領(lǐng)域，粘接也同樣適用，但我們在使用和處理膠粘劑時面臨完全不同的情況。在粘接過程中，我們的環(huán)境不能像在航空航天生產(chǎn)中那樣得到很好的控制。車間通常不供暖，且遍布世界各地。印尼的濕度比荷蘭高。環(huán)境每一季都在變化，所以它們更難控制；更重要的是，出于成本的考慮，我們不想過多地控制。所以我們在尋找耐受性更強的膠粘劑并研究如何監(jiān)控膠粘劑的使用情況，為了在粘合失效前發(fā)現(xiàn)異常情況并進行干預(yù)?！?br />
他們曾為此與一家膠粘劑制造商密切合作，但Broekhuijsen解釋說，他們發(fā)現(xiàn)這太嚴(yán)格了:“它過多地限制了我們對膠粘劑的選擇。市場上有許多類型的膠粘劑。其中許多已經(jīng)獲得了海事申請的批準(zhǔn)。我們希望有從所有可能的選擇中作出選擇的自由。所以現(xiàn)在我們采取了一個不同的策略:我們在特定的應(yīng)用中定義膠粘劑的基本參數(shù)。我們也在確定所需的測試，得到一個測試矩陣，可以提供給不同的供應(yīng)商，他們的任務(wù)是用結(jié)果填充測試矩陣并報價，然后我們就可以選擇最適合我們的應(yīng)用。我們剛剛開始了與代爾夫特理工大學(xué)的耐久性研究項目，預(yù)計需要三到四年時間才能完成整個矩陣?！?br />
Morel補充道:“瑞典造船廠已經(jīng)將其應(yīng)用于海軍艦艇上，因為海軍艦艇不需要等級批準(zhǔn)。但達(dá)門更希望獲得商業(yè)批準(zhǔn)，即使是軍用船只。最大的挑戰(zhàn)是使仿真模型得到認(rèn)可，特別是膠粘劑的有限元模型必須在-65至+80℃的溫度范圍內(nèi)工作。船只必須能夠航行世界各地，從北極到熱帶地區(qū)。我們知道它的效果很好，它已經(jīng)經(jīng)過了嘗試和測試，但我們還不能證明。我們現(xiàn)在和十幾個合作伙伴在一個由TNO領(lǐng)導(dǎo)的項目中進行嘗試，這將花費兩年的時間，應(yīng)該會為我們獲得分類批準(zhǔn)。”
全復(fù)合材料MCMV最大的挑戰(zhàn)
Morel解釋說，開發(fā)大型復(fù)合材料船(如新一代MCMV)面臨的最大挑戰(zhàn)是獲得船旗國對等效防火安全的批準(zhǔn):“法規(guī)將鋼視為不可燃材料，而復(fù)合材料則是可燃材料。盡管在多數(shù)情況下，復(fù)合材料船在火災(zāi)中比鋼船更安全。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱不良，使其在小型火災(zāi)中本質(zhì)上更安全?！?br />
在海上，船只到達(dá)最近的港口需要很長時間。軍艦的情況更糟。商船在危險情況下可以撤離?！霸谲婈犂?，這不是一個選擇，”Morel說，“士兵必須留在船上繼續(xù)戰(zhàn)斗。根據(jù)受損程度，必須保留一定數(shù)量的功能。子彈擊中后，船必須正常運轉(zhuǎn)。在最嚴(yán)重的情況下，仍要保證有足夠的疏散時間。但在某些情況下，一艘船會燃燒數(shù)天，而船員會留在船上繼續(xù)戰(zhàn)斗。而在軍隊中，我們會面對更嚴(yán)重的火災(zāi):碳?xì)浠衔锘馂?zāi)，例如直升機墜毀或未爆炸的導(dǎo)彈。所以海軍艦艇上的溫度會更高?！?br />
實施消防安全的方法中防火絕緣最簡單，但會帶來重量和成本增加。一艘沒有隔熱的鋼船上發(fā)生火災(zāi)，整個鋼結(jié)構(gòu)很快就會變得炙熱，復(fù)合材料沒有這個問題。也可以涂上膨脹漆，當(dāng)它暴露在高溫下會膨脹，在層壓板上形成保護屏障。
達(dá)門應(yīng)用了一種平衡的解決方案，并將消防系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用到風(fēng)險評估中。目前還沒有人能夠通過對復(fù)合材料船的風(fēng)險評估，這種船的防火安全相當(dāng)于鋼鐵船。但達(dá)門已經(jīng)在這些火災(zāi)分析方面與國際合作了六年?！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)完成了風(fēng)險評估，應(yīng)該能夠在今年或明年獲得船旗國的首張批準(zhǔn)印章，”Morel說。
同等采購成本
Morel說:“達(dá)門正在尋找自動化技術(shù)以降低生產(chǎn)成本。我們有信心將大型復(fù)合材料船的成本降至鋼鐵船的水平，同時，還可以利用復(fù)合材料固有的功能集成優(yōu)勢，復(fù)合材料不會被腐蝕，這可以減少油漆數(shù)量。你可以使用更多的隔熱層來減少供暖和通風(fēng)系統(tǒng)。所以，完全有可能以與鋼船相同的價格生產(chǎn)出一艘復(fù)合材料船。我們正在評估復(fù)合材料與鋼材的所有結(jié)構(gòu)性能，這些都是非?；镜牟牧希趯⑵溆糜谙到y(tǒng)設(shè)計之前，必須進行細(xì)致的工作?！?br />
圖5：艦船復(fù)合材料的一個重要突破:玻璃纖維增強聚合物防爆隔板
Morel對復(fù)合材料將在造船領(lǐng)域取得突破充滿信心:“我們現(xiàn)在擁有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以像鋼結(jié)構(gòu)一樣控制反艦導(dǎo)彈的內(nèi)部爆炸。這花了20年的時間發(fā)展，是一個巨大的進步。這是發(fā)展復(fù)合材料的最后機會之一。三十年前，我們都認(rèn)為復(fù)合材料會爆炸。十年前，我們是為數(shù)不多的大量投資于此的造船廠之一。但我們覺得我們快到了，所以我們要繼續(xù)努力?！?br />
