吕冰 董炼洪 王婷

摘要：玻璃钢作为一种复合材料集成了玻璃纤维及合成树脂的特性，具有质量轻、强度高、奈化学腐蚀且绝缘性好、隔音、抗震及耐瞬时高温的特点。随着对玻璃钢复合材料研究的不断深入，玻璃钢复合材料开始应用于工业的各个领域。造船领域也不例外。早期玻璃钢材料在造船领域的应用仅仅局限于小型游艇上，大多是尺度很小的开敞艇。随着复合材料工艺的不断改进，玻璃钢材料的船舶在不断的向大型化发展。

关键词： 玻璃钢材料， 纤维.

玻璃钢材料由玻璃纤维作为主要的承载单元，沿着纤维的径向具有很强的抗拉和抗压能力。但是在垂直于纤维的方向，其承载能力会非常弱。通常将玻璃纤维沿着不同的方向铺设并用合成树脂加固，采用层合板的工艺制作玻璃钢板（树脂是必须的，其属于玻璃钢基材之一，若非喷射成型，肯定是一层一层的糊制），这样可以有效的避免某个方向力学性能的短板。采用正交铺设的玻璃钢板在目前应用较为广泛。（玻璃纤维增强材料分为布和毡，布又分有捻、无捻的方格布和单向布…为了力学各向同性，大多采用毡和布叠加舖覆结构；为了省钱，有些只用单向布舖覆，另在与水平成45°方向追加几层，以抗剪切破坏。）

到底玻璃钢材料有怎样的优势？本文以一条玻璃钢夹层板制造的双体游览船为例，从结构强度的角度简单的探讨一二。

玻璃钢夹层板结构集成了玻璃钢材料在平面内的抗拉压的强度，又使用聚氯乙烯泡沫材料作为芯材，集成了芯材的抗平面法向剪切的能力。

双体游览船的尺度较小，总长15m，总宽度为6.05m，排水量为14t。

本船在设计过程中没有为片体设计任何扶强材，整个片体完全依靠间隔3m的横舱壁提供支持。连接桥为主甲板铺层和连接桥底板组成的箱型结构，内部由纵桁和横梁分隔为1.5m×1.5m的板格。本双体船的船体结构简单的让人难以置信，完全摒弃了钢质船体中的骨材，空船重量比钢质的同尺度的船舶有明显的优势，相同尺度的钢质船空船重量需要40t以上。

为了进一步的了解本船的船体结构的特点，笔者通过有限元模拟的方法，对本船的结构强度进行了计算分析。有限元模型的建立采用通用有限元分析软件MSC.patran和MSC.nastran完成。采用二维shell单元和三维实体单元的耦合模型模拟玻璃钢夹层板结构。玻璃钢夹层板的面板采用正交各向异性的shell单元模拟，聚氯乙烯泡沫夹心采用三维soild单元模拟（各向同性的线弹性材料）。有限元模型为全船模型，基本网格为100mm×100mm，模拟了船体外板铺层、连接桥底板铺层、主甲板铺层、横舱壁及横梁、纵桁等主要的船体构件。

玻璃钢夹层板的面板及芯材的材料参数汇总表见表1：

与钢材有所不同，夹层板面板的拉伸模量和压缩模量并不相同，在有限元模型建立过程中，承受拉伸载荷的夹层板面板的弹性模量使用拉伸模量作为有限元单元的材料参数；承受压缩载荷的夹层板面板的弹性模量使用其压缩模量作为有限元单元的材料参数。

正应力应力云图

计算结果显示，玻璃钢材料在结构设计上的优越性显露无疑，在比重只有钢材的1/4甚至1/16的情况下，可以完成钢结构同样的承载能力。船体结构设计较为复杂，考虑的载荷因素很多，同时缺少玻璃钢材料和钢材的对比，说服力不强。下面笔者再通过一个简单的对比实例，横向比较下两种材料的优劣。

给分别用钢材和玻璃钢夹层板建立的两个有限元模型施加同样的边界条件：

前端约束x、y、z三个平动自由度，后端約束y、z两个平动自由度。

同时给两个模型施加同样的面均布载荷：

箱体四周施加0.1kN/m2由外向内的均布压力。

通过调整钢板的厚度以达到两个有限元模型具有相同的承载能力（看变形还是看应力），最终比较两个模型的自重。结果令人吃惊，在两个模型的最大应力相同时，钢结构的自重为53.38kg，而玻璃钢夹层板结构仅仅为7.51kg。

通过

对比可以看出，虽然两个模型的最大应力相同，但是应力分布却大相径庭。

玻璃钢夹层板结构的最大应力出现在板与板的接缝处（玻璃钢最大的特点是没有接缝），而且应力梯度非常明显，应力分布均匀，变化连续；

钢结构模型的最大应力出现在板的中部，由于钢板没有扶强材的支持，其抗剪切的弱势表露无疑。

比较变形云图，可以明显的看出，玻璃钢夹层板结构的刚度明显优于钢结构。单从数值上比较，有两倍以上的优势。这在一定意义上可以反映出，玻璃钢夹层板结构在抗屈曲的能力也有明显的优势。

世界上的第一艘玻璃钢制作的载人船舶于1947年下水，当时她只有8.5m长。现在世界上越来越多的帆船、交通艇、救生艇、渔轮及扫雷艇等都改用玻璃钢制造。即便是航空母舰、美国先进的阿利伯克驱逐舰、万吨以上的中大型货轮上都开始大量的使用玻璃钢材料。玻璃钢材料是种年轻充满前途的材料，我国造船工业需要争取在这个领域走在世界的前列。