连续玄武岩纤维复合材料船体结构力学性能分析.pdf

上海交通大学硕士学位论文连续玄武岩纤维复合材料船体结构力学性能分析姓名：钟晨申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：张圣坤20070101摘要 上海交通大学 硕士论文 1 连续玄武岩纤维复合材料力学性能分析连续玄武岩纤维复合材料力学性能分析 摘要摘要 上世纪 60 年代，前苏联开始研制开发连续玄武岩纤维增强复合材料，距今已有 40 多年了。经过多年的实践和研究，玄武岩纤维增强复合材料以其出色的耐温性，抗拉强度，与硅酸盐的天然相容性，化学稳定性，热振稳定性，介电性等逐渐受到重视。目前工业结构领域对复合材料的应用还以碳纤维增强材料为主，但随着近年来复合材料领域需求的增大，碳纤维增强复合材料的价格持续走高，价格低廉许多，而综合力学性能优越的玄武岩纤维复合材料逐渐体现出越来越的优势。复合材料在结构上属于各向异性材料，纤维增强复合材料的破坏，失效等模式也都与传统的钢结构材料不同。本文简单地回顾了复合材料的单层板，层合板的力学分析方法的发展，介绍了目前比较广泛的复合材料力学分析方法。并结合船舶结构的特点，讨论了复合材料在船舶结构上的应用，以及复合材料船舶在各种响应下的分析方法。本文采用商用有限元软件 NASTRAN 对连续玄武岩纤维复合材料的典型舱段做了静力分析，并用有限元软件 DYTRAN 对连续玄武岩纤维复合材料的典型船体板架做了水下爆炸载荷下的破损分析，以摘要 上海交通大学 硕士论文 2 及典型舱段在水下爆炸冲击载荷下的动力响应分析，并都和玻璃纤维复合材料进行了对比，得出结论，在相同条件下，连续玄武岩纤维复合材料在力学上完全可以达到，甚至在部分情况下超越玻璃纤维复合材料。采用玄武岩纤维复合材料用于船舶制造可以在达到相同力学性能效果的前提下节约成本。关键词：玄武岩纤维，复合材料，船舶结构，ABSTRACT 上海交通大学 硕士论文 1 MECHANICAL ANALYSIS OF CONTINUOUS BASALT-FIBER COMPOSITE abstract The USSR begins to research the continuous basalt fiber reinforced composite at 1960s.After years research,more and more attention was paid to the continuous basalt fiber reinforced composite because of its excellent capability when resisting high temperature,tension,chemical environment,and its ability of combining with silicate.Nowadays in industry most composite structure prefer to use carbon-fiber composite.But these years the price of carbon-fiber composite has been growing very high,thus the basalt-fiber composite should be use more because of its excellent ability and low price The composite is anisotropic and its analysis method is different from the steel.Besides,the fiber-reinforced composite has its unique model of damage.In this paper,the development of analysis method of laminate composite is reviewed.The analysis method for composite used in this paper is introduced.Further,the way the composite used for ship structure and its analysis method is discussed.This paper uses the FEM software Nastran to analyze a typical ship section made by basalt-fiber composite,uses Dytran to analyze a basalt-fiber laminate stiffened plate subjected to under-water explosion,ABSTRACT 上海交通大学 硕士论文 2 and a ship section made by basalt-fiber laminate subject to under-water explosion.All these are compared with the result of glass-fiber reinforced composite.The result shows that the basalt-fiber composite is capable to take the place of glass-composite when building ships.Use basalt-fiber reinforced composite instead of glass-fiber reinforced composite for ship structure can reduce the price.KEY WORD:basalt-fiber,composite,ship structure摘要 上海交通大学 硕士论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：钟 晨 日期：2007 年 2 月 6 日 摘要 上海交通大学 硕士论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：钟 晨 指导教师签名：张圣坤 日期：2007 年 2 月 6 日 日期：2007 年 2 月 6 日第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 地壳由火成岩、沉积岩和变质岩组成。玄武岩属于火成岩的一种，主要由SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO，K2O，TiO2等多种氧化物陶瓷成分。连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre）就是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在 14501500 熔融后，通过铂铑合金拉丝工艺拉成纤维状制成。连续玄武岩纤维材料则是以连续玄武岩纤维为增强材料，树脂或其他材料为基体制成的复合材料。早在 1960 年初期（胡显奇，2002），前苏联的玻璃材料及玻璃纤维研究院为了制造有特殊性能的玻璃材料进行了大量的研究工作，研究中发现玄武岩纤维材料的力学性能在一些特性上超过了当时的玻璃纤维材料，并且在 700条件下强度不改变。这一研究引起了苏联军方的注意，后来苏联国防部门下达项目给乌克兰基辅材料问题研究院进行基础研究,在该院建成第三十七所（即“绝热隔音材料科研生产联合体”）。经过 20 年不断的实践，苏联已经成功发展出一套玄武岩连续纤维的生产工艺和技术。欧美国家在连续玄武岩材料上起步较晚，20 世纪七、八十年代欧美国家分别作过大量的研究工作，大部分中途停顿下来。后又重新开始，但在相当一段时间内，除了前苏联，独联体国家外，尚无其他国家掌握不添加辅助原料直接从玄武岩一次制成连续纤维的技术。连续玄武岩纤维可以无捻粗纱、细纱、短切纱（见图 1.1）、单向带、针刺毡（见图 1.2）、编织布、格栅（图 1.3）等多种材料形式供货（胡显奇，2005），其可作为增强体与各种树脂复合制成复合材料用于多种技术领域，适用于不同的应用纤维有不同的表面处理，以满足其增强体与树脂界面结合力的不同要求。第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 2 图 1.1 玄武岩纤维无捻粗纱、细纱、短切纱 图 1.2 玄武岩纤维针刺毡 图 1.3 玄武岩纤维格栅 与碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等其它高科技纤维相比，连续玄武岩纤维具有综合性能突出，性价比好等产品特点。被称为 21 世纪无污染的绿色工业材料。第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 3 1.2 玄武岩纤维复合材料的特点玄武岩纤维复合材料的特点 1.2.1 耐温性耐温性 连续玄武岩纤维的使用温度范围为：-269700(软化点为 960)，而玻璃纤维为-60450。连续玄武岩纤维在 400 下工作时，其断后强度能够保持85：在 600 下工作时，其断后强度仍能够保持 80 的原始强度：如果 连续玄武岩纤维预先在 780 820 下进行处理，还能在 860 下工作而不会出现收缩，而即使耐温性优良的矿棉此时也只能保持 5060 的强度，玻璃棉则完全破坏。碳纤维的抗氧化性较差，在 300 有 CO 和 CO2产生，间位芳纶最高使用温度也只有 250。1.2.2 抗拉强度抗拉强度 连续玄武岩纤维的性能很大程度上取决于玄武岩矿石的性能和整个生产工艺。连续玄武岩纤维的抗拉强度为 3 8004 800 MPa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI 纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与 S 玻璃纤维相当。加拿大Albarrie 公司生产的玄武岩纤维抗拉强度达到了 4840MPa，超过了 S 玻璃纤维。1.2.3 与硅酸盐的天然相容性与硅酸盐的天然相容性 以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成 的连续玄武岩纤维，耐酸碱性强。试验发现，连续玄武岩纤维在饱和 Ca(OH)2，溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性好，能保持高度的稳定性，可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料，制作桥梁等大型建筑的结构件。利用连续玄武岩纤维较高的抗拉强度和抗剪切强度这一特性，加上连续玄武岩纤维具有天性的与水泥、混凝土的亲和力和耐碱性，在建筑增强领域的应用已显示出它独特的优势和发展潜力。第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 4 1.2.4 化学稳定性化学稳定性 连续玄武岩纤维含有的 K2O、MgO 和 TiO2等成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到重要的作用。连续玄武岩纤维与 E 玻璃纤维在 3 小时沸煮后纤维质量分数损失的对比情况：在水中连续玄武岩纤维损失 0.002，而 E 玻璃纤维则损失 0.007；NaOH 的溶液里两者分别为 0.0275 和 0.06；在 2N HCI 中连续玄武岩纤维仅损失 0.022，而 E 玻璃纤维则损失 0.389。连续玄武岩纤维的耐酸性超过了一般用作耐酸玻璃钢增强材料的 ECR 玻璃纤维。1.2.5 抗热振稳定性抗热振稳定性 连续玄武岩纤维在 500 下的抗热振稳定性仍然不变，原始质量分数损失不到 0.02；900时也仅损失 0.03。1.2.6 介电性能介电性能 连续玄武岩纤维还具有良好的介电性能。它的体积电阻率比 E 玻璃纤维高一个数量级；玄武岩中含有质量分数不到 0.2 的导电氧化物。导电氧化物纤维过去并没有用于制各绝缘材料，但经过用专门浸涧剂处理的连续玄武岩纤维，其介电损失角正切比玻璃纤维低 50，可用于制造新型耐热介电材料。1.2.7 优良的透波性能和一定的吸波性能优良的透波性能和一定的吸波性能 横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司（胡显奇，2005）曾用连续玄武岩纤维增强树脂制成 180180 mm 标准板，厚度为 4 mm，树脂体系采用 HD03，在 818 GHz 下进行了测试，结果发现该材料未加任何其它吸波隐身材料而具有一定的吸波性能。据分析，连续玄武岩纤维中具有 0.2 质量分数的金属氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分，使其具有了一定的吸波性能。俄金公司并未在此基第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 5 础上做更多试验。如果进一步调整成分、树脂体系内再加上吸收剂或吸波涂层，连续玄武岩纤维复合材料可能会有更好的吸波性能。1.3 玄武岩纤维复合材料的应用玄武岩纤维复合材料的应用 美国德州的连续玄武岩纤维工业联盟指出：“连续玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。美国作为世界保护环境的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料。所以连续玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用，引起广泛的重视并将快速发展”。1.3.1 玄武岩纤维复合材料在军工领域的应用玄武岩纤维复合材料在军工领域的应用 连续玄武岩纤维是由前苏联国防部下令开发的。从 1960 年代开始，经过近30 多年的努力，终于成功开发了连续玄武岩纤维。并首先被应用于国防军工。其中一个著名的事实是：1975 年 7 月 l7 日与苏联“联盟-l9”号宇宙飞船第一次完成对接的美国“阿波罗”号宇宙飞船的结构材料上，就应用了前苏联生产的连续玄武岩纤维。（胡显奇，2005）超高相对分子质量聚乙烯纤维被用作柔性弹材料的首选原材料，但是用它制成无纬布作性防弹材料时发现外表面几层明显有弹头击穿熔灼现象，因为超高相对分子质量聚乙烯纤维主要缺点是耐热性能低，熔点在 144152，度和模量随温度升高而下降，抗蠕变性能也差，达到 7O 时性能急剧下降。于是许多防材料专家把关注的目光转向有耐高温特性的连续玄武岩纤维，目前正在开展相关的比较检测和应用究。可以预见，连续玄武岩纤维用作坦克、装甲车、防爆车、防爆毯、炮弹箱、军事工事的坑道门等，有着较高的应用价值和广阔的发展前景。各国海军对树脂基复合材料的应用目前仍然主要局限于碳纤维，陶瓷纤维，芳纶纤维，陶瓷纤维等领域。美国海军用石墨纤维增强环氧树脂制造出无人操纵潜艇的耐压壳体,该艇的下潜深度为 6096m,其耐压壳体的质量与排水量的比例为 0.58,可提供421kg的正浮力,美军还计划用石墨纤维增强的复合材料代替金第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 6 属钛制造封头，以便使整个耐压壳体组件的质量与排水量的比例降到 0.5 以下。美国的“佩里”号驱逐舰上装甲是用芳纶增强复合材料制造。“洛杉矶”级核潜艇的声纳导流罩也是高分子复合材料制品。德国开发出碳纤维环氧树脂螺旋桨，该螺旋桨的浆叶有很高的强度，而且比金属轻 25%35%，有利于高速艇的加速。瑞典考库姆船厂制造的“维斯比”轻型护卫舰其舰体、甲板和上层建筑基本都是碳纤维增强塑料夹层板制成的。这种材料不仅结构坚实，而且无磁性，有利于降低舰船产生的磁场，并有良好的抗震性能，而且可以绝热，对舰艇内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。这使得“维斯比”舰被敌方探测的距离可缩短至 13km 以内。由于连续玄武岩纤维的综合性能在很多方面兼具以上多种材料之长，可以想见在未来一段时间内，连续玄武岩纤维可以在很大程度上取代碳，芳纶纤维等，成为新型的船舶结构材料。1.3.2 玄武岩纤维复合材料在民用领域的应用玄武岩纤维复合材料在民用领域的应用 在建筑领域，现在的混凝土增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、对位芳纶、钢纤维和 连续玄武岩纤维。增强的主要目的是提高制品的抗拉强度和建筑工程的防渗抗裂等。从强度方面看连续玄武岩纤维占有绝对的优势，它的抗拉强度都高于以上的增强材料，增强效果最好。从耐碱性方面看，连续玄武岩纤维略逊于碳纤维和对位芳纶，但好于玻璃纤维和钢纤维。从与混凝土的相容性上看，连续玄武岩纤维与混凝土有着基本相同的成分，密度也较接近，所以连续玄武岩纤维的相容性和分散性好于其它增强纤维。在建筑修复、加固和更新领域（赵志勇，2001）（王飙鹏，2002），目前使用的补强材料是碳纤维和芳纶，主要是利用材料的强度和弹性模量。从强度方面，连续玄武岩纤维的强度并不逊于碳纤维，且比芳纶高，虽然弹性模量小如碳纤维，但是与树脂的亲合性上，连续玄武岩纤维大大好于碳纤维和芳纶，有效的提高了补强效果和补强材料的使用寿命。东南大学土木工程学院通过连续玄武岩纤维与碳纤维在同等条件下的对比实验后得到，连续玄武岩纤维用于桥梁和立柱缠绕加固，其效果与碳纤维没有差异。另一方面，连续玄武岩纤维的价格大大低于碳纤维和芳纶，相对而言连续玄武岩纤维有极大的竞争优势，是碳纤维和芳纶加同抗第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 7 震补强材料的首选替代产品。此外，初步的应用研究证明，连续玄武岩纤维复合材料制成的筋又是一种替代碳纤维、芳纶等连续纤维复合材料筋的新型建筑材料，可主要用于代替钢筋，用于环境条件严酷的混凝土中，根本解决钢筋锈蚀问题，提高混凝土结构的耐久性。在船舶工业领域，连续玄武岩纤维具有良好的技术特性：低容重，低热导率，低吸湿率和对腐蚀介质的化学稳定性，能够降低结构质量，形成新型结构材料。利用这些特性，连续玄武岩纤维在船舶工业中可大量用于船壳体、机舱绝热隔音和上层建筑。利用连续玄武岩纤维的热振性能和绝缘特性，连续玄武岩纤维聚合物基复合材料可以用来制造仪器仪表、电动机及各种电器中的附件(如齿轮、轴承、密封件等)，不仅可以减轻自身质量和提高其可靠性，而且可以延长其使用寿命。还可以用作石棉与昂贵碳纤维的替代品，适用于高温衬垫、大型船只绝热、车辆制动器摩擦衬片。连续玄武岩纤维还具有良好的介电性能。它的体积电阻率比 E 玻璃纤维高一个数量级；如前所述，玄武岩中含有质量分数不到 0.2 的导电氧化物，利用 连续玄武岩纤维的这一介电特性、吸湿率低和耐温的特性，可以制成高质量的多层印刷电路板的覆箔板。因为无线电通讯传输技术和大型电子计算机信息处理技术的高速化，不但要求在高频带工作的基板要有较小的介电常数与介质损耗因数，而且要求高频带的介电性能对温度的变化率和频率的变化率要很小，基板的玻璃化温度、耐热性(希望先进的线路板耐热高达 270左右)、可靠性、厚度的均匀性要高，热膨胀系数、吸水率要低，以满足当代印刷电路板对覆箔板在特性阻抗高精度控制性、高频特性、高可靠性、高稳定性和绿色环保特性等性能的要求。1.4 碳纤维的短缺玄武岩纤维材料发展的良机碳纤维的短缺玄武岩纤维材料发展的良机 2005年在法国巴黎 Porte de Versailles 会展中心举行的JEC复合材料展览会暨第 26 届欧洲 SAMPE 国际会议上（胡显奇，2005）。各种增强纤维可以说是复合材料领域中最为主要的原材料。以碳纤维而言，世界著名的厂家虽然均有参第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 8 展，例如日本的东丽（TORAY）、东邦（TOHO），美国的赫克塞尔（HEXCEL）、塞依泰克（CYTEC）、卓尔泰克（ZOLTEK）等公司，且展台的规模比较大，但是如欲购买，碳纤维基本无货，呈极为短缺的状态。其中，航空业的巨大需求是导致碳纤维供应全面趋紧的主要原因。碳纤维应用范围的扩展，应用规模的扩大，制件尺寸的增大，势必导致碳纤维耗量的增长。据统计，军机、中小型民机、直升机和各种无人机的复合材料用量，在不久的将来，全球仅航空领域的碳纤维年耗量即可达到 5000t 以上。巨大的需求造成了碳纤维供应的全面趋紧，市场供应严重短缺。供应紧缺必然导致涨价，以 T700-12K 碳纤维的产品价格而论，据说近两年来几乎翻了 3 番，市场上台塑 12K 碳纤维的要价达到人民币 350380 元/kg。面对碳纤维市场供应的严重短缺，世界上几大碳纤维生产厂家均在制定扩产计划，但是碳纤维的扩产显然需要一个过程，从会上获取的信息看，碳纤维紧缺的状况短期内难以缓解。相对碳纤维的短缺和价格持续上涨，玄武岩纤维具有的独特优异性能和良好的性价比格外引人注目，JEC 展会上有三家玄武岩纤维的批发商参展，目前各领域对玄武岩的应用相对碳纤维较少，处于起步阶段，到目前为止，全世界玄武岩纤维的年总产量仍然在 3000 吨以下。但 9m 纤维的出厂价 5000 美元/吨，1214m 的纤维在 2500 美元/吨左右（石钱华，2003），而且还会随着工艺技术的发展进一步降低，相比碳纤维材料，价格优势十分明显。可以预见在不远的将来，玄武岩纤维将会在很多领域取代碳纤维，获得更加广泛的应用。1.5 本文主要工作本文主要工作 第一章首先回顾了连续玄武岩纤维复合材料的发展历史，介绍了连续玄武岩纤维的物理，化学等特点，提出了玄武岩纤维是一种性能优良，价格低廉的复合材料。在第二章中，本文介绍了复合材料与各向同性材料的不同力学特点，以及由此所产生的不同的力学分析方法。本章介绍了单层板结构的强度几个强度准则，和基于单层板强度准则的一些层合板分析方法。并介绍了复合材料用于船舶领域第一章 绪论 上海交通大学 硕士论文 9 时所需要注意的一些要点。运用第二章介绍的各种分析方法，本文的第三章对一个连续玄武岩纤维复合材料的舱段进行了静力分析，第四章对连续玄武岩纤维复合材料船舶的典型板架进行了爆炸载荷下的破损分析，第五章对一个连续玄武岩纤维复合材料的典型舱段做了爆炸载荷下的动力响应分析。并和 E 玻璃纤维复合材料的计算结果进行了对比。得出结论，连续玄武岩纤维复合材料在几方面完全可以达到玻璃纤维复合材料相当的力学性能，甚至部分方面可以超过玻璃纤维。由于连续玄武岩纤维复合材料低廉的价格，用连续玄武岩纤维复合材料制造舰船，可以在达到相同力学性能的前提下大大地节约成本。第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 10 第二章第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 2.1 玄武岩纤维复合材料的力学特点玄武岩纤维复合材料的力学特点 如前文所述，连续玄武岩纤维的应用无捻粗纱、细纱、短切纱、编织布、格栅、单向带、针刺毡等多种形式。用作结构材料时，连续玄武岩纤维主要可以作为增强体与各种树脂复合制成复合材料。作为树脂基复合材料，连续玄武岩纤维复合材料也具有其他树脂基复合材料的一般特点，同时，黄根来等（2006）通过对国内生产的一些连续玄武岩纤维复合材料和玻璃纤维增强复合材料的实验研究，总结了连续玄武岩纤维复合材料与玻璃纤维等常规复合材料的一些不同特点：首先，玄武岩纤维（图 2.1）的表面粗糙程度超过玻璃纤维（图 2.2）的表面粗糙程度，表面粗糙程度的增加势必增加了纤维表面出现缺陷的几率，使得连续玄武岩纤维的拉伸性能比玻璃纤维有一定的降低，性能的离散程度也较大。图 2.1 玄武岩纤维表面 fig 2.1 surface of basalt fiber 第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 11 图 2.2 玻璃纤维表面 fig 2.2 surface of glass fiber 其次，在连续玄武岩纤维复合材料拉伸破坏试验中发现，玄武岩纤维增强复合材料崩裂后的纤维束比较大。观察拉伸过程得知，拉伸载荷达到失效载荷的50左右时，玄武岩纤维即开始有部分的丝束发生断裂，达到失效载荷时大量的纤维发生崩裂或抽出，只剩余少量纤维仍在承力。玻璃纤维增强复合材料则足在拉伸载荷接近失效载荷时才发生大量纤维的同时崩裂，从图 2.3，2.4 也可看出纤维崩裂成更细的纤维束。由此说明了连续玄武岩纤维的抗拉分散性更大，最终导致复合材料拉伸时只有少部分纤维承载，从而使连续玄武岩纤维的极限承载能力相对玻璃纤维复合材料要低一些。图 2.3 连续玄武岩纤维复合材料试样拉伸破坏形貌 fig 2.3 damage of basalt fiber composite under tension 第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 12 图 2.4 玻璃纤维复合材料试样拉伸破坏形貌 fig 2.4 damage of glass fiber composite under tension 在弯曲破坏试验中，考察弯曲试样的破坏形貌（图 2.5，2.6）可知，连续玄武岩纤维复合材料试样均为拉伸失效，玻璃纤维增强复合材料则多为压缩破坏。连续玄武岩纤维复合材料受拉面发生纤维拉断，而受压面十分光滑，并未发生失效，而玻璃纤维增强复合材料中，受压面发生严重挤压破坏，受拉面有少量纤维分层现象。由此看出连续玄武岩纤维复合材料板的弯破坏形式为拉伸破坏控制。由于实践中复合材料失效绝大部分为压缩破坏，而玄武岩纤维的压缩度和拉伸强度之比较高，在实际应用中将具有更的优势。图 2.5 连续玄武岩纤维复合材料弯曲破坏形貌 fig 2.5 fig damage of basalt fiber composite under bending 第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 13 图 2.6 玻璃纤维复合材料弯曲破坏形貌 fig 2.6 fig damage of glass fiber composite under bending 由于树脂基纤维增强复合材料的结构特点，使得横向（非纤维向）的弹性常数的直接试验测定存在一定困难。不同的研究者依据不同的模型，采用不同的方法(如材料力学方法，弹性力学方法等)，提出过不同的计算公式。但理论值与实际情况的吻合情况不是很好。也有的研究者没有通过上述材料力学或者弹性力学 理论推导的方法，而是从宏观出发，只考虑计算值，提出一些经验公式。Halpin-Tsai 公式是其中比较成功的一个，用它计算所得的结果和实验值比较接近。牛国良（1998）在 Halpin-Tsai 公式的基础上做了一些改进，取得了令人满意的精度。2.2 单层板的强度单层板的强度 在材料力学中，为了预测构件在载荷作用下能否安全可靠地工作，曾经引入了“强度”这一名词(王耀先 2001)。对于各向同性材料，它的强度指标只有一个。如果是塑性材料，一般用屈服极限s；如果是脆性材料，一般用强度极限b。而复合材料的破坏是一个复杂的变化过程。对于复合材料单层，由于是正交各向异性材料，往往不能直接套用各向同性材料下旨在用单向应力状态下实测强度来预测复杂应力下材料强度的方法。而实施复杂应力状态下的试验也很困难。单层板的强度准则就是利用基本强度建立判别单层在各个应力状态下是否失效的准则。常用的复合材料强度准备有最大应力/应变准则，蔡-希尔强度准则，霍夫曼第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 14 准则，蔡吴张量准则等等。最大应力准则和最大应变准则来源于最早创立的适应于脆性材料的经典强度准则。分别认为复合材料在复杂应力状况下进入破坏是由于其中某个应力/应变分量达到了材料相应的基本强度准则。两个准则分别由三个互不影响，各自独立的表达式组成（式 2.1，2.2），只要满足任何一个就意味着单层板破坏。1212ttXYS=(2.1)11222112ttXYS =(2.2)各向同性材料的 Mises 屈服准则（即形状改变比能理论）为：2222222()()()6()2xzzxxyyzzxxys+=(2.3)蔡-希尔准则从上式形式推广，假设复合材料单层的强度条件是：22211221222221XXYS+=(2.4)上式中 X、Y，若为拉，压强度不同的材料，则对应于拉应力时采用拉伸强度，对应于压应力时采用压缩强度。蔡-希尔准则将基本强度联系在同一个表达式中，考虑了它们之间的相互影响。若等式左边之和大于或等于 1，则材料失效。但 该 准 则 只 适 用 于 弹 性 主 方 向 材 料 的 拉 伸 强 度 与 压 缩 强 度 相 同（即,ctctXXX YYY=）的单向板。对于,ctctXX YY，霍夫曼提出了如下的新准则：221122121221ctcttctctctcXXYYX XYYX XYYS+=(2.5)显然，当,ctctXX YY=时，上式就成为蔡-希尔准则。霍夫曼准则在预测复合材料强度上取得了一定的效果，但仍然不够理想。蔡和吴又以张量的形式提出了新的强度准则。蔡-吴张量准则假定在应力空间中的破坏表面存在下列形式 1iiijijFF+=(2.6)第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 15 式中的系数iF和ijF称为应力空间的强度参数，写成矩阵形式可得：1111TTiijFF+=(2.7)式中除12F外的其他强度参数都可以从正轴向单轴试验中得到，因为正轴向单轴受力也应满足实效判据式（2.8），即：2111112111112222222222222661210010010010010ttccttccF XF XF XF XF YF YF YF YF S+=仅，且仅，且仅，且仅，且仅(2.8)求解即可得所需的各强度参数。参数12F理论上可以采用双向加载试验求得，但这种双向加载实验事实困难。固目前常用几何分析的方法确定12F的值：12111211122tctcFF FX X YY=(2.9)可以取得较好的结果 需要指出的是，关于强度准则的试验验证尚不充分，有待于进一步研究。不多的复杂应力状态下的破坏试验表明，至今没有一个强度准则总是与试验结果基本符合。对于不同的复合材料或者不同的应力状态，有时这个强度准则比较符合，有时另一个强度准则比较符合。近 20 年来提出的不同形式的强度准则中，蔡-吴张量准则是相对适应面比较广的强度准则，但复合材料的强度准则问题仍然没有得到很满意的解决。2.3 复合材料的层压结构与有限元法在层压结构中的应用复合材料的层压结构与有限元法在层压结构中的应用 如前文所述，在实际应用中纤维增强复合材料很少以单层板的形式直接被应用，一般情况下，复合材料会将单层板采用多向铺层的方法构成层合板，使之更第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 16 适合工程应用的需要。因此，各种对纤维增强层压结构力学特性的分析方法也应运而生。纤维增强复合材料的层压结构是非均质的，而且是各向异性的，对它们分析求解常有较大的困难。因此，许多时候常采用数值分析方法来研究复合材料的结构。其中有限元法作为数值分析的工具之一，在复合材料的研究分析中已被广泛采用。理论研究表明，在复合材料的层压板壳结构中，横向剪切变形的效应不仅与层压板的厚度有关，也与层压板内每层的各向异性性质有关。与普通的有限元分析一样，基于最小位能原理的位移法、基于修正余能原理的杂交应力法，以及基于 H-R 原理的混合法也都被应用于这类板壳结构的分析。其中以位移法形成单元刚度矩阵比较方便，因此受到广泛应用，Barker.R.M（1972）等人曾经提出三维的块元分析，在 x-y 面内的位移表示为三次函数，在厚度方向为线性变化，能给出比较精确的应力，位移数值结果。但该单元当层压板层数较多时，其总的自由度数量迅速增加，且由于该单元厚度方向的尺度与其他两个方向的尺寸之比不能太小，因此必须划分更多的单元，从而使计算量大大增加。Pryor(1971)在此基础上提出过修正模型，将中面位移在面内假定为线性，横向位移沿 x,y 方向都呈三次变化，从而减少了一定的自由度，但仍然没有达到令人满意的效果，且在较厚层压板的计算中存在比较大的误差。Epstein（1978）基于线性的多层壳理论将一个 4 边形 4 接点的复合层压板单元推广，每层都有各自不变的剪切角，面内位移 u，v 沿每层厚度方向呈线性分布，而横向位移不变。结果表明其精度和收敛性都好得多，用于截面有严重翘曲的复合层压壳时候是理想的。但单元总的自由度与层数有关，因此计算量很大。为此 Seide(1987)等人针对截面无严重翘曲的情况提出了一个退化了的三角形复合层压壳单元，使单元自由度数与层压壳的层数无关，大大提高了计算效率且保持了一定的计算精度。运用各种有限元分析模型，Adam（1973），Mujumdar 等（1988）对含损伤加筋层合板的破坏扩展过程已进行了较系统的研究。Saravanosdna（1996）,白瑞祥等(2003)对于无损伤复合材料层合板以及含分层损伤复合材料层合板的频率等动力特性进行了研究。王蔓（2005）考虑面内破坏过程的含分层损伤复合材第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 17 料加筋层合板的动力响应的情况，取得了一定的成果。2.4 复合材料在船舶结构中的应用形式复合材料在船舶结构中的应用形式 复合材料由于具有出色的强度重量比，刚度重量比，以及低廉的价格等等优点，在船舶领域中得到了越来越广泛的应用。低速小艇可以采用无加筋的单壳板结构，然而高速大型复合材料船舶为了保证总体强度与局部强度，在结构形式上常采用板架式外壳结构。这种板架通常由板及骨架梁材组成。由于复合材料各向异性的特点，在用复合材料制造船舶板架时，其结构形式会与传统的钢材略有不同 2.4.1 船用复合材料板的结构船用复合材料板的结构 纤维增强复合材料的基本结构形式是单层板，其基本特点是，纤维向由于增强材料的存在，能承受很强的拉压力。单在横向承受拉压力时，由于受力的只有基体（通常是树脂），因此承受拉压力的能力会差很多。因此在船舶结构上，通常采用层合板的结构。层合板是由两层或两层以上按不同方向配置的单层板层合成为整体的结构单元，各单层的材料纤维方向布置不同，使得结构单元能承受几个方向的载荷。在船舶工业上，由于板的载荷方向多变，受力情况复杂而又不很清楚，通常采用对称层合板，及中面以上的单层顺序与几何中面以下的顺序镜象对称。这样的层合板无论在几何上还是在材料性能上都镜象对成于中面。同时，在铺层角度上，通常采用/4 层合板，即各个单层均按 0o、90o、45o、-45o方向铺设，一方面工艺操作容易精确和掌握，另一方面可以获得较大的面内剪切刚度与强度。通常情况下，0o单层用来承受轴向载荷，45o单层用来承受剪切载荷，90o单层用来承受横向载荷和控制泊松效应。第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 18 2.4.2 船用复合材料梁材的结构船用复合材料梁材的结构 船用的骨架梁材，其截面形状大体可分为开式截面和闭合截面两种（如图2.7，2.8）。图 2.7 开式截面 fig 2.7 open section 图 2.8 闭合截面 fig 2.8 close section 传统的钢质船舶中，通常采用的骨架梁材为开式截面，如 T 型钢，球扁钢，角钢，扁钢等等。但船用的复合材料，无论连续玄武岩纤维增强复合材料还是玻璃纤维增强复合材料，其弹性模量通常较钢材为低，如果用开式截面的梁材很容易因为扭曲和弯曲产生变形。因此采用开式截面的效果并不好。效果比较好的闭合截面常在空心部位填以非结构材料（如泡沫塑料）。半圆形截面（e）与圆顶帽形截面（f）因没有尖角而容易成型，但（e）型截面顶边面积小，材料利用率比较低。（f）型截面的芯材在现场层压时难于保持圆顶形状。矩形帽形截面（g）腹板容易内凹且根部容易堆积过多树脂产生收缩拉紧现象。总体而言，梯形帽形截面（h）是最值得推广的形式。目前的复合材料船舶梁材也大多采用这种形式。骨架梁材在结构中常与其他梁材料相交叉，为研究交叉处合理的连接方式，朱静，陆鑫森等（1996）选取了 4 种交叉构件（如表 2.1）对其弯曲强度及单梁弯曲强度做了实验研究，比较了不同连接方式的有效程度，并和理论计算的结果做了比较：第二章 船用玄武岩纤维复合材料的力学分析方法 上海交通大学 硕士论文 19 表 2.1 船用梁材的交叉梁试样