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(1.國立木浦海洋大學 a.造船海洋工學科；b.大學院 海洋系統(tǒng)工學科，韓國 全羅南道木浦市 58628；2.國立群山大學 造船工學科，韓國 全羅北道群山市 54150)

碳纖維增強塑料(CFRP)力學性能優(yōu)越，高附加特征明顯，近年在船舶領域的應用也逐漸增多。目前歐洲外觀華麗的40～50 ft CFRP 豪華游艇已經(jīng)商用化，相比玻璃鋼(GFRP)船舶價格昂貴。因其優(yōu)越的材料特性，在軍警等特殊用途的船舶中應用量逐漸增多。

包含CFRP結構在內，復合材料船體結構積層板中的纖維含量(glass content，Gc)的多少，能夠決定積層板的力學性能和積層板的品質特性。然而，關于CFRP 船體結構的設計規(guī)范，韓國船級社發(fā)行的《游艇設計指南》及中國船級社發(fā)行的《游艇入級及建造規(guī)范》[1]并沒有提供碳纖維船體結構設計的相關參考內容。與此相反，游艇CE RCD認證[2]時，使用的小型船舶結構設計國際標準 ISO 12215[3]以及在辦理小型船入級等業(yè)務的機構中最具代表性的國際船級社中意大利船級協(xié)會發(fā)行的游艇船體結構及穩(wěn)性規(guī)范《RINA Pleasure Yacht Part B》 (以下簡稱《RINA規(guī)范》)[4]中，詳細的給出了CFRP船體結構設計的相關指南，并且對碳纖維含量、隨碳纖維含量變化的積層板的力學性能，以及積層板要求厚度和積層板質量間的密切關系進行了較為詳細的說明。

OH, D. K. 為了設計開發(fā)CFRP小型船體結構，比較分析了ISO 12215和《RINA規(guī)范》。說明了兩規(guī)范間關于設計壓力和碳纖維層板要求厚度估算時的大小差異。Kang K M為了實現(xiàn)CFRP船體積層板的輕量化，以 ISO 12215和《 RINA》 規(guī)范為基礎，分析了CFRP船體外板的纖維含量和層板要求厚度的關系[5]。韓志強 (2018) 基于上述研究，根據(jù)CFRP船用積層板碳纖維含量和積層板要求厚度的相關關系，進行了CFRP材料比強度特性最大化的相關研究[6]。上述研究中關于積層板力學性能部分，都直接使用了ISO 國際標準和《RINA 規(guī)范》中的提供的參考公式。

因此，本研究旨在通過材料試驗的方式，驗證CFRP船體結構積層板隨纖維含量的力學性能，比較分析其與ISO 國際標準和國際船級社規(guī)范中提供的估算式存在的具體差異。

1 基于國際規(guī)范的CFRP船體結構積層板設計流程

復合材料積層板的力學性能隨纖維含量的變化而受到影響，復合材料的船體結構設計也與此有著較為密切的聯(lián)系。一般來說，復合材料船舶設計過程大體可分為船舶設計和材料設計兩部分。CFRP 船體結構設計流程也大體相似。船型特征，扶強材布置等重要設計變量可決定設計區(qū)域的形狀、大小并影響著設計載荷的估算及積層板要求厚度估算；然而，碳纖維織物的選擇、碳纖維含量的確定、隨碳纖維含量變化的積層板力學性能等設計變量決定著積層板的強度及安全特性，不但影響積層板的要求厚度，還影響積層板的品質特性，在整個過程中顯得尤為重要?；趪H規(guī)范的CFRP積層板結構設計流程見圖1，從圖1可以看出，碳纖維含量、CFRP 積層板的強度特性以及積層板要求厚度件的密切關系。即提高碳纖維含量時，因積層板強度變強，積層板要求厚度減小。

復合材料積層板設計時，對于隨纖維含量變化的積層板力學性能，可直接使用國際標準中提供的參考公式，或者通過材料試驗等方式獲得。ISO 國際標準和RINA規(guī)范中提供的CFRP積層板隨碳纖維含量變化的力學性能估算公式見表1。

需要注意的是這些估算公式適用于積層板中的增強材料為高強度碳纖維方格布的情況?？紤]到CFRP積層板的力學性能獲得方式，本研究決定通過材料試驗的方法，對隨碳纖維變化的CFRP積層板的力學性能進行驗證，比較分析其與國際標準及國際船級規(guī)范中提供參考公式存在的具體差異。

2 力學性能試驗方法

設計并制作碳纖維含量Cc分別為30%、40%、50%、60%、70%總共5個試驗方案的積層板。按照拉伸及彎曲試驗樣板的尺寸對每塊板進行切割并進行試驗。隨碳纖維含量變化的積層板根據(jù)ISO12215和《RINA規(guī)范》的要求進行設計；拉伸及彎曲試驗分別按照ATSM D3039和ATSM D790進行。把CFRP積層板的Gc最小值定為30%,考慮到《RINA規(guī)范》規(guī)定船體結構積層板的最小纖維含量為30%；最大值定為70%,一般復合材料積層板的纖維含量最大值限定在70%左右。最后，對材料試驗結果進行回歸分析，與國際標準及國際船級規(guī)范中提供的估算公式進行比較分析。

3 CFRP 積層板樣板設計及制作

選取韓國曉星集團的碳纖維方格布作為積層板增強材料，選取EPOVIA的RF 2000SE作為樹脂基體，相關材料信息見表2。

表2 積層板制作時選取的增強強材與樹脂基體

需要說明的是，ISO國際標準和《RINA規(guī)范》將按碳纖維的拉伸模量及強度大體將碳纖維織物分為L(低強度)、I(中等強度)、H&VH(高強度及以上)3種。按照上述分類，這里所使用的碳纖維織物的強度介于低等和中等之間。

制作積層板前，要確定積層板的厚度，按ISO12215及《RINA 規(guī)范》的要求，首先確定積層板中1層片的厚度。

(1)

式中：q為積層板1層片中纖維織物質量， kg/m2。

按照試驗規(guī)范，積層板的厚度控制在3 mm左右, 各試驗方案的積層板鋪層結果見表3。

表3 積層板鋪層設計結果

積層板尺寸定為400 mm×400 mm，采用真空法制作。制作時室溫控制在18.6～28.6℃，濕度為48%～57%。使用的設備見圖2。真空設備是韓國優(yōu)成真空技術公司制造的VE-4.5-1000-2，最大壓力為0.005 torr，樹脂桶容量為10 L；復合材料積層板制作機為韓國D-TECK公司制造的DCFM-3，大小2 400 mm×1 200 mm×800 mm。制作完成的積層板見圖3。圖中碳纖維含量為30%的CFRP積層板。

圖2 樣板制作所用設備

圖3 制作完成的積層板示例(Gc=30%)

關于拉伸強度及彎曲強度的試驗樣板數(shù)量及尺寸，按照ASTM D3039和ASTM D790的要求進行設定。給上述設定5個試驗方案中每個方案分配4個試驗樣板，即拉伸強度及彎曲強度試驗分別分配20個，整個材料試驗需40個試驗樣板。樣板尺寸見圖4。

圖4 試驗樣板

4 材料試驗結果分析及考察

為了驗證隨碳纖維含量變化的CFRP積層板力學特性，按照上述試驗方法做拉伸強度和彎曲強度材料試驗。拉伸強度及彎曲強度前后的試驗樣板見圖5、6。

圖5 拉伸強度試驗前后的試驗樣板

圖6 彎曲強度試驗前后的試驗樣板

材料試驗結果分析見圖7、8。這里對拉伸強度及彎曲強度試驗結果做了二次函數(shù)回歸分析，并將分析結果與國際標準中提供的估算式進行了比較分析。圖7中拉伸強度的試驗結果，在整個碳纖維的變化區(qū)間內，與兩國際標準相比，超出許多。盡管彎曲強度的試驗分析結果與拉伸強度有所不同，但是在一般的復合材料船體結構積層板纖維含量30%～40%這個區(qū)間內，圖8中試驗結果可充分滿足國際標準要求；碳纖維含量55%以后，不能滿足ISO國際標準的要求。這是因為當復合材料積層板中的纖維含量提高時，和纖維種類無關，積層板存在層間分離的現(xiàn)象；并且纖維含量較高時積層板的生產(chǎn)質量也會有所下降，特別是對于彎曲強度影響較為明顯，所以試驗結果與ISO國際標準相比出現(xiàn)了相對較低的增長趨勢。

圖7 隨碳纖維含量變化拉伸強度與國際標準估算式的比較

圖8 隨碳纖維含量變化的彎曲強度與國際標準估算式的比較

另外，如前文所述，ISO國際標準及RINA標準中提供的CFRP 積層板力學公式是適用于高強度的碳纖維織物。而本研究中制作積層板時所用的碳纖維，按國際標準的分類方法，為中低等強度的碳纖維?？紤]到上述兩點，判斷在整個碳纖維含量變化區(qū)間，彎曲強度的試驗結果也是較為合理的。

5 結論

1)CFRP積層板的力學性能試驗結果與ISO國際標準和《RINA規(guī)范》提供的估算式相比更強。即海洋新材料CFRP 作為船體結構材料使用時, 目前還是相對保守，存在較高的強度儲備。

2)和一般復合材料一樣, CFRP積層板制作上也存在纖維含量太高時，積層板質量下降的問題，相比拉伸強度，在彎曲強度測試中相對常見。因此，設計CFRP船體結構時，需權衡考慮重量輕與結構安全的問題，合理選取碳纖維含量。

3)適量提高CFRP積層板的碳纖維含量, 而不僅僅保持在30%～40%, 可提高碳纖維材料的比強度特性, 并獲得更輕的CFRP船體結構。

后期，將綜合考慮碳纖維含量的選取、CFRP船體結構安全與船體重量三者間的關系，進行CFRP積層板重量優(yōu)化與碳纖維使用效率優(yōu)化的相關研究。