現在，在運輸汽車等大型貨物運輸船舶中，為了防止作業人員從貨艙或通道不慎墜落，需要在貨船內各個地方插放金屬立柱，并牽上繩索，但由于每艘需要數百根，因此插放立柱的作業效率非常差，而且不排除在作業中因為立柱掉落引起的意外事故的可能性。

 

 

因此，本研究的目的在于，使用輕量、高剛性的材料CFRP替代金屬材料試制圍欄立柱，以解決上述問題。

 

 

◆ 1. CFRP立柱的設計及試制

 

 

試驗采用的CFRP立柱以現行的鐵制立柱的規格為基準（外徑：φ=30mm，內徑：φ=26mm、壁厚=2.0mm），立柱下端插入船體底座的部分及上部穿繩索的部分是與不銹鋼粘接而成。對CFRP管及金屬部件清洗后，使用雙液混合型粘接（Cemedine 公司 EP-008粘接劑）進行粘接。

 

 

◆ 2. CFRP立柱及金屬立柱的機械性能評估

 

 

用島津制作所的材料檢測試驗設備（AG-I50kN）檢測CFRP和金屬立柱的機械特性。將立柱固定在與船舶上的立柱底座同樣尺寸的鐵管作為插入用底座，并將立柱水平插入，在立柱頂部（距底座995mm）處，垂直方向向下施加以100N為單位施加載荷，可以目測其撓曲量的變化。此外，在應力集中處，及插桶底座處安裝應變測量儀，測量軸向及圓周方向的彎曲應變（如圖 1、圖 2、圖3所示）。

 

 

 

◆ 3. 通過三點彎曲試驗測試CFRP管材的彎曲特性

 

 

為了對CFRP管的不同管壁厚度進行彎曲剛性及強度的評估，準備了內徑相同（φ26），管壁厚度不同的3種CFRP管（t=1.0、1.5、2.0mm），使用前端半徑為5mm的壓頭，在距離支點450mm處、以壓入速度5mm/min，分別進行了三點彎曲試驗。

 

 

另外，通過根據彎曲彈性模量及截面形狀計算出的截面二次力矩，進行彎曲剛性的評估。

 

 

 

◆ 4. CFRP管材立柱在船舶上的實際現場試驗

 

為了驗證在實際船舶上的應用情況，將此次試制的CFRP管材的立柱安裝交付船舶上的工作人員進行實地操作，并聽取了他們對使用的感受及效果。

 

 

 

◆ 1. CFRP管材立柱的設計與試制

 

 

如圖4所示本次試制的CFRP管材的立柱（壁厚2mm，用于替代當前鐵管立柱產品）的外觀。立柱頂部和中間部位裝有繩索環，在底部油與插入船體底座的鉤狀結構（如圖5）。與當前使用的鐵管立柱的比較如圖6所示，形狀與尺寸完全一樣。

 

 

目前使用的金屬材質的立柱重量約為3000g/根，而CFRP立柱的重量是760g，實現了約 75%的輕量化。

 

◆ 2. CFRP管材和金屬管材立柱的機械特性的測試

 

 

（1）CFRP管材立柱的機械特性的測試

 

如圖7、圖8所示，CFRP管材立柱的撓曲量及應變量的測定結果及試驗后的破壞狀態。在載荷500～600N時，所有試樣在壓縮側因纖維的斷裂而產生破損，破壞前的大撓曲量平均值為130mm，壓縮側的長度方向（軸向）變形平均為6000με。此時的應力值根據CFRP的縱向彈性系數（75GPa）及應變的實測值，推算為450MPa左右。

 

 

（2）金屬立柱的機械特性測試

 

對于金屬立柱，進行了與2-1同樣的試驗，其結果如圖9所示。

 

 

即使在載荷大值1000N時也未觀察到斷裂等破損，大撓曲量平均值為70mm，壓縮側的軸向應變平均值為1500με。根據鐵的縱向彈性模量（200GPa）和應變的實測值，推測此時的應力值為300MPa 左右。對于金屬制立柱由于在600N負荷附近撓曲及應變持續增大，因此發生塑性變形，確認在1000N負荷后除荷時形狀不會復原（參照圖10）。

 

 

 

根據以上結果可知，若將金屬立柱發生塑性變形的時點視為破損的情況下，金屬立柱及CFRP立柱的大載荷值均為600N。

 

◆ 3. CFRP管材的三點彎曲試驗

 

 

對于使用CFRP管材的立柱，除了與試制品使用的CFRP管材相同壁厚（t=2.0mm）的管材之外，還對不同壁厚的其他兩種管材（t=1.0mm、1.5mm、內徑 φ26），進行了三點彎曲測試（如圖11）。

 

三點彎曲試驗的結果如下：

 

大載荷在管壁厚t=1.0mm、1.5mm、2.0mm的情況下，分別平均為550N、940N、1480N，使用這些值計算出的彎曲強度分別為平均114MPa、130MPa、150MPa。根據彎曲彈性模量及截面形狀計算出的截面二次力矩進一步求出的彎曲剛性，在t=1.0mm、1.5mm、2.0mm的情況下，分別為 3.4×108N·mm2、5.6×108N·mm2、8.5×108N·mm2，大載荷、彎曲剛度均與管道厚度的三次近似曲線吻合（如表1，圖12）。

 

 

三點彎曲引起的變形，雖然在固定處正下方的纖維發生斷裂，但作為結構體沒有斷開，根據樹脂的特性推測具有接近延展性材料的特征。

 

◆ 4. CFRP立柱在船舶上的實地應用

 

 

在某公司建造的船舶上，實際設置了CFRP管材的立柱，對運用時的作業性的提高效果進行了調查（如表2、表3、圖13）。由于立柱輕量化，使作業效率大幅度提高，為此受到現場工作人員的好評。

 

 

 

為了將CFRP管材的立柱實際應用于船舶，通過與現行產品進行比較和在船舶上實地試驗進行了研究，結果得到了以下結論。

 

 

可以制造出于現行金屬產品同樣形狀尺寸的CFRP產品。而且，CFRP產品的重量約為760g，與現行的金屬制產品的3000g相比，重量約減輕了75%。

 

對于CFRP和現行的金屬立柱，測定了對前端施加載荷時的周向和長度方向的應變量以及對長度方向軸的撓曲量。其結果，CFRP立柱，在負載500～600N時，所有供試體在壓縮側因纖維的斷裂而產生破損，破壞前的大撓曲量平均為130mm，壓縮側的軸向應變平均為6000με。

 

金屬立柱在載荷大值1000N時也未觀察到斷裂等破壞，但從載荷600～700N時開始產生塑性變形，大撓曲量平均為70mm，壓縮側的軸向應變平均為1500με。

 

由此，在將金屬立柱發生塑性變形開始的時點，被視為遭到破壞的情況下，CFRP立柱具有與金屬立柱幾乎相同的載荷值。

 

三種不同管壁厚的CFRP立柱（t=1.0、1.5、2.0mm、內徑 φ26），通過三點彎曲試驗進行評估，由于大載荷和彎曲剛度與CFRP管壁厚度的三次近似表達式一致，因此可以進行設計。另外，關于變形，作為結構體來看，顯示出接近延展性材料的特性。

 

關于船舶的實地試驗，通過對作業人員的詢問調查，因為實現了輕量化，作業效率大幅度提高，受到工作人員的好評，有助于船舶內作業的省力化。