應用于海軍艦艇和潛艇的先進復合材料結構綜述（中） zund G3 3XL-2500-Plotting foil台中雕刻裁切加工－陳燦慈焦點新聞熱搜

3     復合材料上部結構
　　海軍船體的水上結構采用復合材料已有很多年了。自20世紀60年代中期以來，巡邏炮艇上的炮艇艙面船室就開始采用復合材料，70年代早期，獵雷艇的上部結構也開始使用復合材料。近，芬蘭皇家海軍安裝了一艘快速巡邏艇Rauma，上部結構采用復合材料夾芯結構，船體采用鋁合金。復合材料艙面艦體要克服兩個主要問題，即采用鋼時出現的腐蝕和水上重量過大問題。那么，對于小型海軍艦艇（小于20米長）來說，采用復合材料代替鋼材可以減輕約65%的重量。

       比較而言，以前降低大型軍艦水上部分重量的方式是采用鋁合金來制造上部結構。但是，戰場經驗，尤其是Falklans戰爭，突顯了鋁合金上部結構極差的耐火性，熱傳導率高，軟化和熔融溫度相對較低。此外，鋁合金上部結構在和鋼的焊接處，很可能產生嚴重的疲勞斷裂，而且，在船體梁彎曲引起的應變大處，疲勞斷裂的可能性也很高。
　　在許多軍艦中裂紋是如此的頑固和普遍，以致昂貴的定期維修必不可少。盡管昂貴，但在可能產生裂紋的區域采用復合材料加強能夠抑制裂紋。有些情況下，某些艦船永遠不能服役了。由此，許多海軍開始評價使用復合材料來制造大型艦船上部結構的可行性。GRP的屈服應變大約是鋼的10倍，因此，鋼制船體上的復合材料上部結構發生疲勞裂紋的幾率應該低得多。
        20世紀80年代中期，首次進行了大型軍艦的鋼制船體上安裝復合材料上部結構的可行性研究。發現制造上部結構的佳選擇是采用鋼架增強的單層復合材料面板，或鐘罩式增強的復合材料夾芯結構；研究同時表明，復合材料的上部結構比同樣尺寸鋼制的輕15-70%。由于所能減輕的重量取決于復合材料的類型和鋼架的數量，變化范圍很大。挪威皇家海軍預測，下一代使用復合材料代替鋼來制造上部結構的護衛艦大約可以減輕180噸重量。
        在上部結構中，用復合材料來代替鋼也能大幅降低水上重量。例如皇家海軍估計，在23號護衛艦上，用復合材料面板/鋼架混合結構代替全鋼的直升機架大約能夠把重量減輕31%（或9噸）。Dodkins和Williams在報告中提到，在制造中等護衛艦的上部結構時，用鋼架增強復合材料代替鋼節省的重量有限，而制造成本卻會大幅增加。
　　Dodkins和Williams提出，全復合材料的上部結構，并采用復合材料夾芯結構面板增強的情況下，減輕的重量達到大值，大約40%，而且制造成本不會大幅增加。降低水上重量可以增加武器的有效載荷和提高適航性。與鋼比較不管能夠減輕多少重量，復合材料上部結構都比同樣鋁結構的重30%左右。
       與鋼和鋁相比，復合材料的艦體上部結構存在很多缺點。由于復合材料上部結構和鋼制甲板連接處花費昂貴，復合材料的制造成本高于金屬。例如，H?yning和Taby估計，對于中型護衛艦來說，在上部結構采用復合材料代替鋼，根據不同的材料、定位系統和需要的雷達特性的降低水平，建造成本將增加40-140%。
　　另外，Kodkins和Williams預測，復合材料上部結構比鋼制的僅貴9-47%。Arleigh Burke級（DDG-51）驅逐艦和Type 23護衛艦中，采用復合材料上部結構分別比鋼結構的貴18%和35%。盡管成本高，許多艦船制造者和海軍已開始接受高的制造成本，因為采用復合材料可以節省艦艇使用壽命中檢修和維護的成本，并且，產生裂紋疲勞的可能性降低，可以保證更高的出勤率，從而降低了總成本。但是新的問題是，許多造船場所既沒有設備，也沒有技術制造復雜的復合材料上部結構。
      法國海軍首航了采用復合材料制造上部結構的大型軍艦，即La Fayette護衛艦，時間是1992年。現役共有6艘。這類護衛艦船尾的上部結構采用的是GRP復合材料夾層面板（如圖6）。包括直升機架，船尾部分共有38米長，15米寬，從主甲板算起有6.5-8.5米高，重達85噸，是軍艦上部結構中大的。護衛艦上的煙囪材料也是采用的復合材料。上部結構的前部，包括輪庫，戰斗信息中心和電信控制中心都是鋼制的。臺灣海軍有六艘La Fayatte護衛艦（Kang Dang級），到2005年，沙特阿拉伯將擁有三艘改進的La Fayatte級護衛艦。

       目前，La Fayatte級護衛艦是唯一擁有復合材料上部結構的大型護衛艦，美國海軍正考察打算在Arleigh Burke級（DDG-1）驅逐艦的鋼上部結構里采用復合材料夾芯結構。采用復合材料制造的部分包括內部武器系統場地（CIWS）、前面的指揮室、直升機架、架子大門和煙囪。美國海軍正在考慮采用復合材料修建Grasp級打撈艇的艙面船室。英國皇家海軍也正考察為Type23和下一代護衛艦修建復合材料的直升機架。
　　Vosper Thorneycroft正在為鋼艦體的輕巡洋艦和巡邏艇設計夾層式復合材料上部結構。挪威皇家海軍也正評估在下一代護衛艦上使用復合材料上部結構的可行性。復合材料在La Fayatte護衛艦和中等軍艦的上部結構中的成功應用，促使未來驅逐艦和航空母艦的大部分或所有水上部分很可能采用復合材料。
       4      復合材料桅桿
　　20年代60年代復合材料首次在桅桿上使用，當時鋼桅桿已經登上了美國海軍通訊艇，美國的萊特和塞班島軍艦上置換了高達10-25米的GRP桅桿。傳統的鋼桅桿采用開放式結構，突出在外，會干擾本艦的雷達和通訊系統，同時增強了雷達特性，易于腐蝕。
　　20世紀90年代早期，采用復合材料制造軍艦桅桿的興趣重新被燃起。Critchafield等人的研究表明，復合材料桅桿可以克服鋼桅桿產生的許多問題。11米高的原型桅桿（1：2）采用的是混雜復合材料，即S2-玻璃纖維和碳纖維，分別為了獲得大的彈道性能和高剛度。而且復合材料桅桿比同樣尺寸的鋁桅桿輕20-50%。復合材料桅桿應該具有更能耐疲勞、耐腐蝕，同時相比同樣尺寸的鋼桅桿而言，減低了電氣障礙而能改進桅桿傳感器的性能。復合材料桅桿能同時滿足美國海軍的耐振動、耐氣流沖擊和耐彈道損壞要求。可行性研究發現，復合材料桅桿比鋁合金的制造費用至少高50%。
       1995年美國海軍著手先進全封閉式桅桿/傳感器系統（AEM/S）的研究，以開發下一代的艦船桅桿。AEM/S項目是一項先進技術，意旨證明可以在能承擔的成本范圍內，在大型軍艦上安裝復合材料桅桿。同時還證明了，復合材料更好的耐腐蝕性和傳感性能，以及更少的雷達穿透區域。1997年五月，AEM/S項目開始實施，并裝備在Spruance級驅逐艦——USS Arthur W.Radford上，取代原來鋼桅桿的主要部分（即船尾）。USS Arthur W.Radford 和復合材料桅桿的近視圖如圖7。前面的鋼桅桿和后面的復合材料桅桿有很大差別。此圖展示了AEM/S系統與傳統的桅桿系統的顯著差別。


       AEM/S系統中的結構高28米，直徑達10.7米，將成為美國海軍艦艇上大的復合材料水上結構。桅桿由裝配成六角形的選頻混合復合材料組成。這種獨特的設計允許艦艇本身的傳感器頻率通過而且損耗很小，其它的頻率則一律反射。從而改進了天線和其它傳感器的性能，而降低了桅桿雷達的有效截面。另外，桅桿結構將所有主要天線和其它靈敏度高的電子設備封入在內，使其免受天氣的侵蝕，從而降低了維護費用。
　　經設置后AEM/S系統的性能可以滿足USS Arthur W. Radford的所有需求。AEM/S系統的成功極大地促進了先進復合材料桅桿技術與下一代美國海軍表面作戰的水上設計部分的結合。目前，美國海軍正考慮將AEM/S系統安裝在未來的驅逐艦（SC21）、航空母艦（CVX）、海洋起重船（LH（X））、圣·安東尼奧（San Antonio）級兩棲船塢運輸艦—USS San Antonio（LPD-17）及作為現有軍艦的主要改良桅桿。
       1996年，皇家海軍和Vosper Thornycroft開始開發復合材料桅桿一體化技術（ITM）。此項目與AEM/S項目的目標近似，因為ITM的目的是克服傳統鋼架桅桿的問題。ITM采用的是復合材料夾芯結構，并裝配有雷達吸收材料，包含通訊雷達、監視雷達和內埋的傳感器。
       據估計，這種復合材料桅桿的優點包括改進了隱身性、更好的環境保護，以及降低了對傳感器的電磁干擾。而且比同尺寸的傳統鋼桅桿輕10%-30%。ITM正在進行改良以用于Sea Wraith stealth輕巡洋艦、皇家海軍的2012號未來表面戰士和未來的航空母艦。復合材料桅桿系統還曾應用于加拿大海軍裝備的一些Halifax級巡邏護衛艦上。5 復合材料推進系統
　　5.1 螺旋槳
　　由于鎳鋁銅合金材料（NAB）具有優良的耐腐蝕性和屈服強度，一直以來都是制造海軍艦艇和潛艇上的螺旋槳的材料。但是，使用NAB也存在很多問題：復雜的NAB螺旋槳葉片的加工成型費用很高、NAB螺旋槳葉片易產生疲勞裂紋、聲學阻尼性相對較差、振動噪音等等，諸如此類問題使得海軍設計師們不得不開始考慮采用其它材料制造螺旋槳葉片的可行性。受關注的材料是不銹鋼、鈦合金及其復合材料。
        復合材料螺旋槳系統的設計和性能是高度機密的，因此近年來的研究進展不可能公開發表。但是，眾所周知，復合材料葉片中的纖維可以承受大部分的水動力和向心力。復合材料葉片的好處是，承載的纖維可以沿葉片的不同方向敷設從而使應變小。因此，通過設計纖維排列和鋪敷方式，可以優化葉片的性能。Lin指出纖維排列的方向會影響葉片的推力、有效顛簸比和翹曲。因此，葉片的設計和制造需要精確以確保獲得優性能。復合材料葉片一般做成包括玻璃纖維和碳纖維的固體薄片，或夾芯結構。聚氨酯或NAB或不銹鋼的薄層可以用來保護葉片梢部免受強烈的沖擊損壞。復合材料葉片通常用粘合劑或螺栓固定在金屬的轂上，也有用復合材料制造轂的。
        Ashkenazi等描述了早期復合材料葉片的發展和性能測試方法。復合材料螺旋槳早于20世紀60年代應用在蘇聯的漁船上，直徑超過2米，在70年代早期，曾有直徑超過6米的螺旋槳應用在大型商船上。同期開始了研制氣墊船的復合材料螺旋槳樣模。俄羅斯USSR進行了大量的試驗研究，以比較相同形狀的復合材料螺旋槳和金屬螺旋漿的性能。所采用的螺旋槳直徑是0.26-3米，試驗用商船的排水量是2-5000噸，航速是5-35節。結果表明：在航速、油耗、引擎負荷、吸收功率和使用壽命等方面，兩者大致相同。
　　然而，復合材料螺旋槳可以把引擎和漿軸的振動效應降低25%，從而進一步降低艦體的振動和噪聲。使用復合材料螺旋槳的優點列于表3，其中的某些項還未經證實。與NAB相比，復合材料螺旋槳的不足在于制造費用高、葉片梢部變形大、耐沖擊損壞能力低。

        大批海軍艦艇安裝了復合材料螺旋槳以進行測試和評價，如登陸艦和掃雷艇。復合材料螺旋槳也用在Mark 6 魚雷和小型船只上。雖然復合材料螺旋槳具有很多優點，它也不可能在海軍艦艇上廣泛應用。瑞典皇家海軍的Viksten 掃雷艇安裝了三個單葉片的復合材料螺旋槳。
　　Lin經計算機模擬研究發現，某些形式的復合材料螺旋槳具有較差的水動力性能。Lin利用有限元分析方法比較了形狀同樣的模量較低夾芯復合材料螺旋槳和NAB螺旋槳，結果表明，在水動力載荷下，復合材料螺旋槳的大葉梢撓度要高出一個數量級。Kane和Dow通過計算得到，采用玻璃纖維復合材料螺旋槳時，大葉梢變形是NAB合金的五倍。復合材料的剛度較低，所以變形較大。Lin同時也指出，夾芯復合材料漿葉的大平面彎曲和剪切應力比NAB漿葉約高50%，因此，復合材料漿葉達到大工作壓力時的航速比NAB漿葉低得多。上面的研究明顯與我們前面闡述的復合材料螺旋槳的試用結果相矛盾。但是，模擬計算采用的是模量較低的復合材料。而商船和海軍艦艇的螺旋槳一般采用的是剛度大得多的碳纖維復合材料，葉梢變形會小得多。
       5.2 推進器
　　與金屬推進器相比，復合材料推進器有許多優點。它們可以降低使用成本、減輕重量和磁/電特性、降低輻射噪聲、改進抗腐蝕性和抗疲勞性。潛艇的復合材料推進器轉子葉片的開發更為保密，但已知的是目前正在研發數米左右的推進器，與設計和性能相關的細節則是保密的。法國海軍正考慮在Le Triomphant 級潛艇的直徑為2.7米的金屬推進器上覆蓋一層復合材料以降低輻射噪聲。
       5.3 螺旋槳和推進軸
　　隨著近年來復合材料螺旋槳和推進器的發展，出現了軍艦和潛艇的復合材料推進軸。大型艦船如護衛艦、驅逐艦上大量的鋼推進軸大約占整個船重量的2%（約100-200噸）。碳纖維/環氧和玻璃纖維/環氧復合材料軸比同尺寸的鋼軸輕25-80%。艦船設計師們預計，復合材料軸能因其本身的阻尼性能同時抑制機器與軸的噪聲傳播，因此，會降低艦船的聲性能。另外，復合材料無磁性，所以軸的磁特性可以降低。可以預見，復合材料軸可以解決腐蝕、軸承負荷和疲勞問題，而且可以把使用成本至少降低25%。
　　復合材料推進軸不如本文介紹的其它海事結構發展那么快速。20世紀80年代，美國海軍成功地測試了一個巡邏艇上的碳/環氧軸原型。他們也正考慮用復合材料軸來替換Sacramento級補給艦的重20噸，長10米、直徑0.68米的鋼軸，可以減重達80%，制造成本降低達50%。挪威已經在其Skj?ld和Rauma 2000級快速巡邏艇上裝配復合材料推進軸。目前復合材料在海軍艦艇和潛艇推進軸已經有所應用，但是，要成為該領域的強有力的競爭材料，還需要解決設計、制造、性能、耐久力和維護等問題。
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