應用于海軍艦艇和潛艇的先進復合材料結構綜述（下）

　　6 海軍艦艇的復合材料二級結構、機械和裝置
　　6.1 背景
　　復合材料在海軍艦艇的二級結構、裝置和設備上的使用與日俱增。具體來說包括煙囪、艦艙壁、甲板、方向舵、艙門、引擎底座、管道和通風系統。也包括柴油機的機械部件、泵和熱交換器。下面將一一介紹。
      
　　6.2 煙囪
　　增加復合材料在大型軍艦排氣煙囪上的應用，可以降低水上重量，也可能降低成本。復合材料已在MCMV的煙囪上成功應用多年。近年來，Visby級輕巡洋艦和La Fayette級護衛艦的煙囪采用的都是夾層復合材料。目前的工作目標是在大型軍艦上使用夾層復合材料，美國海軍正考慮在Arleigh Burke（DDG51）級驅逐艦上安裝復合材料煙囪。與鋼煙囪相比，復合材料煙囪能夠削弱雷達信號從而改進艦船的隱身性，同時，由于其具有優良的熱絕緣性能，也能夠削弱紅外（熱）信號。 采用復合材料軍制造軍艦煙囪可減輕的重量和節約的成本比例，目前還未有公開信息。據Horsman報道，在兩艘意大利巡洋客輪上安裝復合材料煙囪，代替鋁和不銹鋼煙囪，可以減輕50%的重量，并節約20%的成本。
　　6.3 艦艙壁、甲板、門、艙門
　　正在研究在海軍鋼艦艇上安裝復合材料的艦艙壁、甲板、水密門和艙門的可能性。圖8展示的是Vosper Thornycroft（英國）采用SCRIMP制造的一個復合材料艦艙壁。與鋼艙壁相比，它的重量輕20-40%，具有更低的磁特性，發生火災時對臨近隔間的熱傳導低，并且具有更好的阻聲性能。缺點是制造和安裝的成本比鋼艙壁的高20-90%。據預測，復合材料甲板也要比鋼甲板貴30-45%。增加的成本主要是用于復合材料艙壁和周圍鋼結構的聯結，以提供足夠的抗力抵抗內部沖擊損壞。除非這些費用能夠降低，否則復合材料的艙壁和甲板很難在大型海軍艦艇上廣泛采用。
      
　　6.4 附件和遮護板
　　許多海軍正考慮將復合材料應用在武器外罩和干燥甲板掩體，以及導彈沖擊防護，以免受高速射彈和榴散彈的沖擊。美國海軍已經在其Kidd級導彈驅逐艦上使用凱芙拉復合材料盔甲，以保護船員免受小型武器炮火的襲擊。
　　6.5 方向舵
　　復合材料艦艇用方向舵正處于研發之中，預計其比現有的金屬舵輕50%，便宜20%。美國海軍的Avenger級反水雷艦艇上正在使用復合材料方向舵。
　　6.6 機械裝置和引擎部件
　　美國海軍次考察了復合材料在艦艇引擎中的 應用，即評估GRP的齒輪罩外殼。與傳統的鋼外罩相比，復合材料外罩更耐腐蝕，而且輕90%，但是由于其噪音輻射更高，復合材料外罩再未使用。目前，美國海軍正在評價輪機艙的機械部件上使用復合材料的可能性，如圖9所示。玻璃纖維增強酚醛復合材料已經應用在柴油機的滑輪組、油盤、凸輪罩、水泵、油泵、滑輪、惰輪和調速鏈輪齒中。因此，重量可以減輕40-70%，引擎的購置成本可節省10-40%。另據預測，還可以降低結構和空氣噪聲5-20dB，降低電磁特性，提高耐腐蝕/侵蝕、耐磨和耐疲勞性能。雖然有這些優越性能，但目前復合材料引擎部件還未投入實際應用，在可以預見的將來這一情形仍將持續下去。
      
　　20世紀80年代，美國海軍在兩棲貨輪USS Charleston上安裝了100個復合材料球閥。這些閥性能很好，事實上近10年都無需維修，而這已是USS Charleston的退役年限了。然而，1991到1996年間，美國海軍花了約1億6千3百萬美元用于艦上的銅閥維護和修理。商用的復合材料閥不能同時滿足軍艦用閥的抗震、抗彎和耐火性能。美國海軍正在設計滿足嚴格的海事性能要求的復合材料球閥。與銅球閥相比，復合材料球閥更耐腐蝕、更容易維護、質量比銅閥輕70-80%，而且制造成本低50-75%。他們的球閥樣件有許多復合材料部件，如閥套、球、球座和柄軸密封圈（如圖10）。類似的球閥將應用于San Antonio級兩棲船塢運輸艦（LPD-17）上。
      
　　美國海軍正在研究開發復合材料泵體和葉輪。幾年前，他們的艦艇上有130,000多個泵。泵送海水和鹽水的離心泵經常因為腐蝕和侵蝕而損壞。正在開發的復合材料離心泵比同樣的金屬泵輕、更耐腐蝕、磁特性更低、無火花、更安靜、而且成本至少便宜30%。此外，測試表明，復合材料泵的水力性能高于，或者說至少等于同樣尺寸和容量的銅泵?？梢圆捎脧秃喜牧系谋貌考ǎ和鈿?、后板、葉輪、軸套、耐磨環和節流閥套管。復合材料泵已經在三艘Spruance級（DD-963）驅逐艦上測試成功，美國海軍正考慮將其用在阿利?伯克（Arleigh Burke）級（DDG-51）驅逐艦和一艘Nimitz級航空母艦（CVN-76）上。
　　6.7 引擎和設備底座
　　一艘大型海軍艦艇共需要1500多個、總重為700-800噸的鋼底座來支撐機械和設備。一些機構研究了采用復合材料底座來減重的可能性。據Kelly和Rockwell報道，一個玻璃纖維增強聚酯復合材料底座（1.2mx0.97m）就比同尺寸的鋼底座輕58%。另據報道，1/2比例的復合材料淡水泵底座模型比同樣尺寸的鋼模輕40%、安裝成本低50%。雖然質量輕，但是復合材料底座可以提供足夠的保護，使機械和設備免受水下沖擊載荷，抵抗沖擊損壞。而且由于它的阻尼性和無磁性，復合材料底座能夠降低艦艇的聲音和磁特性。
　　6.8 熱交換器
　　海軍艦艇上的熱交換器要經受嚴酷的海水腐蝕/侵蝕，因此維護費用高，而且降低了艦艇的使用壽命。美國海軍正在評估碳纖維復合材料的熱交換器。
　　6.9 管道系統
　　復合材料在海軍艦艇上的早應用就是管道。1951年，美國海軍在一艘護航驅逐艦上安裝了復合材料管道，期望比傳統的黃銅管道便宜、質輕和更耐腐蝕。但是，這些復合材料管道在運輸熱水時迅速降解并開始滲漏，導致失敗。20世紀60年代，在改進了復合材料管道的質量和耐久性后，皇家海軍將其安裝在突擊艇的壓艙系統中。70年代早期，美國海軍在其巡邏護衛艦上也安裝了復合材料管道。據估計，復合材料管道的生產和安裝成本將比黃銅或不銹鋼管低15-50%。但是現代軍艦上幾乎不用復合材料管道。美國和英國皇家海軍還在繼續挖掘復合材料管道的潛在應用價值。
　　6.10 通風管
　　美國海軍正考慮在大型軍艦上使用復合材料通風管，以抵抗腐蝕、降低重量、提高絕熱性能、降低噪聲和使用壽命成本。可以將復合材料管道改進后安裝在Oliver Hazard Perry級（FFG-7）護衛艦、Arleigh Burke級（DDG-51）驅逐艦、Ticonderoga級（CG-47）巡洋艦、Enterprise級（CVN65）航空母艦和其它艦艇上。而且，美國海軍打算對Nimitz級（CV）航空母艦上的復合材料氣孔爐蓖進行測試。
　　6.11 甲板格柵
　　美國海軍正在評估復合材料的甲板格柵。參與評估的是包括USS Nimitz和USS Carl Vinson在內的四艘航空母艦。評估的目的是為了確定：與傳統的鋼格柵相比，復合材料甲板格柵在軍艦的整個使用壽命中都能不受腐蝕而大幅節省成本。
　　7 復合材料潛艇結構
　　7.1 背景
　　近50年來，多國海軍在大量潛艇結構上應用復合材料取得了巨大成功。早的應用就是潛艇的流線裝置，即一些流線型結構，用來覆蓋主體鋼耐壓殼體的孔洞或覆蓋突出的物體以利于水力流動。1953年，美國海軍先給Guppy級潛艇的指揮塔安裝了一個全玻璃鋼流線裝置，以確定其性能是否優于傳統的鋁合金流線裝置。鋁流線裝置在使用中會遭受嚴重腐蝕、需要經常維護和維修。復合材料流線裝置則更持久耐用，而且幾乎不需要維護。因此，在20世紀50年代到60年代早期，至少有25艘Guppy級潛艇安裝了復合材料流線裝置。
　　與此同時，英國和法國海軍則在潛艇耐壓殼體外安裝了很多復合材料結構。包括上部結構、鰭、桅桿套耐壓殼體上部的外罩和弓形聲納罩。此外，60年代期間他們評估了潛艇的方向舵和桅桿采用復合材料的可能性。
　　7.2 復合材料耐壓殼體和控制板面
　　1966年，Alfers報道了采用纖維纏繞復合材料制造潛艇耐壓殼體的可行性。雖然制造全復合材料潛艇殼體的進展緩慢，但是，已經出現了大量的小型全復合材料潛艇和遙控型水下船只。近的研究表明，復合材料耐壓殼體比鋼殼體具有更多的優點，如重量更輕、耐腐蝕性更好、靜水強度更高、電和磁特性更弱。此外，對比例為1/22的復合材料耐壓殼體進行測試，結果表明其運行水深是鋼殼體的3-4倍。但是，復合材料耐壓殼體也存在很多問題，如制造成本極高、層間剪切強度低、容易產生壓縮疲勞失效、耐火性差等。因此，復合材料很難應用在大型潛艇殼體上。
　　英國國防評估和研究部考察了在鋼殼體外圍安裝一種夾層復合材料的可能性。以期這樣做可以增加殼體的總體屈曲強度、降低疲勞應變、降低腐蝕、減弱聲、磁和電特性。另外，還可將一些有效載荷項和傳感器埋設于復合材料中。Smith等人對這種設計理念的可行性作了初步研究。在將這項技術在潛艇上進行測試以前，還需要做大量的研究工作。復合材料同時也可以應用在小型潛艇的內部殼體結構中。例如，美國海軍制造了一種長20米，寬2.5米的新型隱身潛艇，潛艇的耐壓殼體采用鋼制造，但是采用了一個外部結構來封裝，其中頭部整流罩和尾翼等由復合材料制成。
　　某些公司正在考察復合材料在潛艇控制板面上的應用，比如弧面、鰭和方向舵。預計采用復合材料的大優點是可以減輕重量、降低制造成本和腐蝕。因為控制板面在成型時，可以按照所需的水力形狀模塑而不需要再加工，所以可以降低成本。Koudela等人用混合的碳纖維和玻璃纖維制作了一個復合材料的小鰭，比同等尺寸的鋁鰭輕50%、便宜23%，而水力和聲學性能不低于鋁鰭。但是，復合材料控制很少應用于大型潛艇的控制板面上。幾年前，核潛艇上安裝過石墨-環氧俯沖面，但是幾乎沒有公開的相關性能的信息。國防評估和研究處正考慮制造玻璃鋼/消聲橡膠夾層復合材料引鰭和方向舵，以獲得更高的消聲性能和抗沖擊性能。
　　7.3 桅桿
　　近年來復合材料逐漸應用在潛艇的通訊桅桿、光電監視桅桿和非殼體穿透桅桿中。相對于鋼桅桿來說，復合材料桅桿具有很多優點，如輕質、無腐蝕，允許制造復雜形狀的產品卻無須再加工，而且能在整個桅桿上涂敷雷達吸波材料。英國皇家海軍在Upholder級潛艇上安裝了復合材料通訊桅桿。澳大利亞皇家海軍也在其Collins級潛艇上安裝了類似桅桿。Tpye209型潛艇可以安裝這樣的桅桿。
　　7.4 內部結構、裝備和配件
　　復合材料在潛艇耐壓殼內部的廣泛應用正處于研究中。與水面艦艇類似，這些應用包括艙壁、甲板、艙門、主推進軸、沉浮箱、儲油罐、機械、泵、閥和管道系統。對于一艘現代化的核潛艇來說，在這些部件上采用復合材料，可減輕的總重大約為400噸。 這些應用的看法和測試工作幾乎未見報道。普遍認為，美國海軍在其研究和開發潛艇，USS Memphsis 上對復合材料主推進軸、各種機械底座和一些氣瓶進行了評價。先對這些部件進行測試，因為其風險相對較低，一旦可行可以大幅減重。Evans等人提出，一旦對復合材料的接受和信心達到令人滿意的水平，就要對其它風險高一些和減重更多的部件進行測試，如艙壁、泵和閥。除非復合材料在海軍艦艇上的應用獲得充分的認可，否則其在潛艇上的廣泛應用將遙遙無期。
　　8 結論
　　復合材料在軍艦和潛艇上的各種新應用見圖11。從圖中可以看到，現階段復合材料的應用分為下面幾類：概念期 （C）、技術論證期（TD）或技術成熟期（D）。大部分的應用都處于技術論證階段，尤其是潛艇上的應用。大部分技術已經成熟的應用僅限于相對較小的海軍艦艇（巡邏艇，MCMV、輕巡洋艦），或大型艦艇和潛艇上的非結構性、非關鍵部件。
      
      
　　在絕大多數情況下，在海事結構、部件和裝置上，采用復合材料來代替鋼、鋁合金或銅都經歷了一個艱難而緩慢的過程。金屬制品的性能非常好。海軍艦艇的設計師、制造師和操作師們對金屬充滿了信心。只有當復合材料在降低艦艇的購買成本和使用壽命內的維護成本、提高穩定性和性能方面具有強大潛力時，才可能考慮用其來替換金屬。
　　阻礙復合材料廣泛應用的其它因素很復雜。重要的一點就是在優化設計大型的復雜承重海事結構時，缺乏設計規范、經驗數據和能夠直接使用的、可對大型的受載復雜的海事結構進行優化的簡單模型。雖然復合材料在海軍艦艇上已經應用了50年，設計者們所需要的信息和工具還不是很全面。例如，當復雜海事結構在受到沖擊、震動、碰撞和火災時，目前還沒有能夠確定其是否失效的分析工具。此外，由于復合材料的各向異性，其縮放規則特別復雜，因此，在設計承重結構時就比金屬的復雜得多。為了克服這些困難，普遍的做法就是在進行復合材料艦艇結構設計時，采用比鋼材設計高得多的安全系數。大部分復合材料結構采用的安全系數是4-6，當結構承受沖擊載荷時安全系數達到10。安全系數高導致結構重，體積龐大，這樣就嚴重抵消了復合材料比強度高的優點。
　　另一個重要問題就是在設計復合材料結構時，如何利用已有的金屬結構設計經驗。一些海軍設計者們把金屬和復合材料同等對待。結果設計的復合材料結構的性能很差。例如，雖然復合材料聯接更為困難，但復合材料艦艇的聯接幾乎與焊接鋼的聯接類似，結果所得玻璃鋼聯接的強度和耐疲勞性能較低。
　　缺乏高性能、低成本的生產方法也是制約復合材料在大型海軍艦艇上應用的另一個因素。制造成本是考慮任何船舶設計的基本因素，多年以來，在大部分造船應用中，復合材料與傳統材料（除了木材外）相比，在成本上都不具備競爭力。迄今為止，大部分復合材料海事結構都采用樹脂浸漬增強材料制造而成，此工藝周期長、勞動密集、費用昂貴、且難以控制產品質量。在進行復合材料結構設計時，為考慮制造缺陷而引入的部分安全系數是2，而在鋼結構設計中，由于整個制造過程可以受到很好的控制，采用的安全系數是1.5。采用低成本制造工藝，如SCRIMP和RTM可以解決控制問題，生產高質量的復合材料。但是，這些工藝需要艦船制造商們引進新的制造方法，而這項費用幾可讓人望而卻步。
　　艦船制造商們缺乏模型和大型的穩定的信息數據庫來預測復合材料海事結構的制造成本。本文列舉了很多應用復合材料的例子，但是其制造成本很難預測。成本取決于一系列因素，如復合材料的類型、制造工藝、電磁防護和雷達吸波材料。例如，一個復合材料的護衛艦上部結構的制造成本比鋼可能高出10-240%。直到近來，艦船設計者和操作者們才意識到使用復合材料可以降低維護和油耗。工作壽命內節約的成本遠遠超過購買成本上升的幅度。
　　嚴格的性能要求阻礙了復合材料在海軍艦艇上的應用。復合材料結構需要通過一系列嚴格的規則，內容涉及抗氣流沖擊、抗水下振動損壞、和防火性能（可燃性、明火、煙塵、毒性、結構整體性）、碎片/彈道保護，以及雷達/聲納性能。評價復合材料結構能否成功所需要的數據極其有限，而測試確定復合材料在沖擊、振動、彈道和明火條件下的性能，是一項曠日持久而且費用按昂貴的的工作。 滿足設計要求是水上結構面臨的一個主要問題，因為設計能夠承受氣流沖擊載荷的聯接花費了大量的精力。
　　致謝
　　本文作者感謝J. Ritter博士, S. Cannon博士和C.Gardiner博士的建設性的意見。感謝Janes信息集團友好地允許發表圖6和圖7的照片。
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