摘 要：本文首先對FRP艇艇體現(xiàn)有的兩種主流成型工藝進(jìn)行了分析：手糊成型工藝；真空芯材導(dǎo)流工藝。提出了分段成型工藝的初步構(gòu)思，以充分利用這兩種成型工藝的優(yōu)點。最后，對游艇分段設(shè)計的接縫形式、接縫位置、連接方式進(jìn)行探討，并提出分段連接力學(xué)分析有限元模型的思路，以縮短玻璃鋼游艇的建造周期，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：FRP；手糊工藝；真空芯材導(dǎo)流；分段成型

1 引 言

由于玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastics），具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、隔熱、防蟲蛀、易成型、外觀美、壽命長等優(yōu)點，故從問世以來備受造船界的重視，現(xiàn)已成為世界中、小游艇和高速船艇制造的首選材料。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，玻璃鋼游艇的逐漸普及和生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步提高，建造更大尺度的游艇成為必然趨勢。然而由于玻璃鋼的生產(chǎn)工藝和鋼制船舶的生產(chǎn)工藝有著很大的區(qū)別，鋼制船能夠鉚接和焊接，有著較成熟的分段制造理論和經(jīng)驗。而FRP船艇由于其材質(zhì)的特殊性，常用成型工藝對于大尺度的FRP艇已不太適用，傳統(tǒng)工藝面臨著生產(chǎn)周期長、勞動強(qiáng)度大以及成型精度不易控制等問題。本文對大尺度FRP船艇的分段成型作了一些初步探討，以實現(xiàn)縮短建造周期、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的目的。

2 兩種主流FRP艇艇體成型工藝分析

2.1 手糊成型工藝

手糊法也叫積層或?qū)臃?、鋪糊法，是FRP船艇制造中至今采用最多的成型方法。具體做法是先在已采取脫模措施的模具上噴涂膠衣樹脂，待膠衣樹脂凝固到一定程度后，再涂一層樹脂然后鋪上一層事先按模具尺寸裁剪好的增強(qiáng)材料如玻璃纖維布，用刷帚等工具使增強(qiáng)材料浸透樹脂排除氣泡，并使樹脂均勻分布。一層完成后再進(jìn)行下一層，如此反復(fù)進(jìn)行，直到完成規(guī)定厚度為止。等樹脂固化到較充分的程度后脫模，再經(jīng)過修正打磨即可。

手糊成型簡單易行，是最有靈活性的生產(chǎn)手段。只要有了模具，操作人員具備一定的技術(shù)素質(zhì)，就可建造外型各異的FRP艇體。它的不足是勞動強(qiáng)度大、勞動衛(wèi)生條件差、生產(chǎn)效率較低、產(chǎn)品質(zhì)量不易控制、產(chǎn)品力學(xué)性能較低。對于成型相對尺寸較?。ㄒ话阈∮?5英尺）的產(chǎn)品，手糊成型易于實施并且成本低下，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的艇體，手糊工藝已很難勝任，迫切需要一種新的成型工藝來解決這一問題，于是就有了最近興起的真空芯材導(dǎo)流工藝。

2.2 真空芯材導(dǎo)流工藝

真空芯材導(dǎo)流工藝是將玻璃纖維增強(qiáng)材料和泡沫夾心材料預(yù)鋪設(shè)在密閉的模具內(nèi)，然后安裝引流管道和膠接頭讓樹脂能夠流動擴(kuò)散到模具內(nèi)，通過采用真空薄膜袋的密封和真空泵的抽氣實現(xiàn)整個模具面積上鋪層內(nèi)部的高真空環(huán)境。在系統(tǒng)壓力保持良好的情況下將低粘度的樹脂，經(jīng)過管道在大氣壓壓力下注入模具內(nèi)部，樹脂會按照預(yù)先鋪設(shè)好的管道在模具內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，在預(yù)計的時間內(nèi)浸泡所有鋪設(shè)好的鋪層結(jié)構(gòu)，待膠液樹脂凝固后揭去真空薄膜，便可從模具上得到所需艇體。這里真空薄膜不僅起到了提供真空環(huán)境的作用，更重要的是把苯乙烯等有害氣體的擴(kuò)散降低了90%以上，符合環(huán)保健康的主流宗旨。與手糊工藝相比，在同樣原材料的情況下，真空芯材導(dǎo)流工藝成型后的構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及其他物理特性可提高30%-50%以上。

真空芯材導(dǎo)流工藝具有手糊成型無法比擬的優(yōu)點，故近來被廣泛采用，可是對于尺寸較大的FRP船艇，它卻有自身的一些不足。真空芯材導(dǎo)流工藝在實施初期必須對模具工廠環(huán)境以及施工人員進(jìn)行必要的準(zhǔn)備和培訓(xùn)。尤其是在模具處理方面，模具必須具備足夠的剛度能夠承受真空成型過程中產(chǎn)生的壓力，也要具有足夠的強(qiáng)度保證其在真空壓力下不變形，如果艇體尺寸較大（一般大于90英尺），其模具相應(yīng)的尺寸也大，此時要保證模具的剛度和強(qiáng)度，必然要增加額外的加強(qiáng)構(gòu)件，從而使模具的制造成本提高，故對于尺寸較大的FRP艇真空芯材導(dǎo)流工藝并不具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

下面結(jié)合以上兩種主流的成型工藝，對大尺寸FRP艇艇體的分段成型工藝進(jìn)行初步構(gòu)思。

3 分段成型工藝的初步構(gòu)思

現(xiàn)有的兩種主流成型工藝對大尺寸FRP艇體的成型都有些弊端，為了解決大尺寸FRP艇艇體的成型問題，借鑒鋼制船艇的分段制造方法提出針對FRP艇艇體的分段成型工藝。由于玻璃鋼船的不可焊接性，我們不能像鋼制船艇那樣直接對各分段進(jìn)行焊接連接。船體是縱向受力為主的構(gòu)造物，其分段的連接問題至關(guān)重要。我們可以利用玻璃鋼復(fù)合材料的受力特點，設(shè)計合理的接縫形式和分段接縫的位置，利用手糊工藝對分段進(jìn)行二次成型粘結(jié)，從而達(dá)到總縱強(qiáng)度的要求以及分段連接后的的力學(xué)性能。

分段的接縫設(shè)計成梯形契合狀，為了保證接縫區(qū)的總縱強(qiáng)度，分段接縫區(qū)最好設(shè)計在橫艙壁部位，艇體結(jié)構(gòu)也應(yīng)相應(yīng)考慮，要增加接縫區(qū)厚度，也要加強(qiáng)接縫區(qū)附近的局部構(gòu)件強(qiáng)度。具體的接縫設(shè)計可分為兩種形式：一種是設(shè)置在一塊橫艙壁下；另一種則是設(shè)置在兩塊橫艙壁或者兩強(qiáng)肋骨之間。前者的接縫較窄，主要依靠橫艙壁的局部加強(qiáng)來保證其連接后的總縱強(qiáng)度，需要注意的是連接橫艙壁與艇體的玻璃鋼膠接層應(yīng)超過接縫區(qū)的范圍，并由下而上呈逐層縮短的梯形狀以保證連接的穩(wěn)固性。后者的接縫較寬，具體大小根據(jù)結(jié)構(gòu)情況而定，主要依靠增加接縫間二次粘結(jié)的寬度與厚度來保證其連接后的總縱強(qiáng)度，需要注意的是在整個接縫區(qū)內(nèi)表面增加增強(qiáng)層，增強(qiáng)面積要大于接縫區(qū)面積，并注意邊緣的厚度要逐層過渡，以避免應(yīng)力集中。具體形式如圖1所示。

為了解決分段連接的應(yīng)力集中和連接后艇體強(qiáng)度不足問題，可以考慮在各分段成型過程中增加縱向鋼制加強(qiáng)材，加強(qiáng)材要延伸到各分段接口外一定尺寸，在分段連接時通過焊接鋼制加強(qiáng)材達(dá)到增強(qiáng)艇體連接后的總縱強(qiáng)度以及改善應(yīng)力集中問題。由于玻璃鋼艇體成型的特殊性，增加的鋼制增強(qiáng)材會處于艇體內(nèi)部而不會影響到艇體的外觀。

以上是對分段成型工藝的初步構(gòu)思，如果其具有可行性，我們便可充分利用上文提到的真空芯材導(dǎo)流工藝和手糊成型的各自優(yōu)勢，對大尺寸FRP艇體的各分段采用真空芯材導(dǎo)流工藝，而且在硬件設(shè)施允許情況下各分段可以同時進(jìn)行成型，從而大大縮短了FRP艇艇體的建造周期、成型質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能。考慮到手糊成型法的操作簡單便利，正好可以用到各分段連接的二次成型粘結(jié)上。對大尺寸FRP艇主體以上的上層建筑與甲板層，同樣可以利用上述分段成型構(gòu)思。

4 分段連接強(qiáng)度計算的思路

與同尺度、等截面的鋼船相比，玻璃鋼船的剛度只是鋼船的1/15～1/20。因此，為了滿足強(qiáng)度和剛度要求，玻璃鋼船在結(jié)構(gòu)上和鋼船有所差別。玻璃鋼材料因其彈性模量低而容易產(chǎn)生扭曲和彎曲變形，因此玻璃鋼船的骨材就需要采用特定的截面形式來抵抗彎扭變形。通常情況下，玻璃鋼船的骨架梁材會采用梯形截面，截面表面鋪設(shè)玻璃纖維，中間空心部分填充芯材。對于這種結(jié)構(gòu)形式我們通常稱之為夾層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，所謂層合結(jié)構(gòu)如圖3所示，各單層板采用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，Y向為纖維的軸向方向，Z向為垂直于纖維軸線的方向（即疊層方向）。根據(jù)玻璃纖維的性能特點，各單向板是正交各向異性板。

在船體底部一般采用玻璃纖維結(jié)合樹脂材料設(shè)置鋪層，每一層會設(shè)有一定的方向角。龍骨區(qū)域需要加強(qiáng)，會比其它區(qū)域厚。舷側(cè)、甲板和艙壁等與底部的不同之處在于其獨(dú)特的夾層結(jié)構(gòu)，即在鋪層結(jié)構(gòu)的中間鋪設(shè)一層泡沫芯材。盡管芯材的力學(xué)性能比較低，但整個結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度主要由芯材承受，面板對于剪切僅起部分作用。

我們可以根據(jù)實船的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、精度要求等，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元知識對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，選用合適的單元加以模擬而得出有限元模型。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算中，載荷和約束都對于中縱剖面對稱，因此只需要建立全船的半寬模型。

5 小 結(jié)

FRP艇艇體分段成型工藝的關(guān)鍵在于分段連接后的船體力學(xué)性能問題，因此合理的接縫形式、接縫位置以及接縫的二次粘結(jié)成型方法是問題的關(guān)鍵所在。對于所提到的通過增加鋼制加強(qiáng)材解決總縱強(qiáng)度和應(yīng)力集中的構(gòu)思，有很多值得進(jìn)一步思考的，比如鋼和玻璃鋼的熱膨脹系數(shù)不一樣以及它們的相容性等問題，這都是后續(xù)要進(jìn)一步思考的。本文提出的分段成型思路正是想在充分利用如今主流的成型工藝基礎(chǔ)上，對大尺寸FRP艇艇的建造有所展望。

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