船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構的制作方法

本發明涉及船舶復合材料應用和船舶輕量化領域，主要針對輕量化-多功能復合材料上層建筑與金屬主船體之間的連接區域，適用于參與總縱彎曲的大型上層建筑。

背景技術：

目前金屬船舶的上層建筑材料普遍采用船用鋼或鋁合金，船舶在復雜的海洋環境中運行，上層建筑會受到波浪載荷、重物集中載荷、武器發射時的作用力(艦船)、核爆炸沖擊載荷(艦船)、風載、波浪抨擊載荷等，船體上層建筑存在強度、剛度、穩定性、疲勞等問題，尤其是在上層建筑底部與主船體的連接區域，作為船舶整體結構的薄弱環節，由于幾何形式和材料特性的雙重突變，存在明顯的應力集中，容易導致局部結構強度損傷和疲勞破環，從而影響船舶整體結構的可靠和安全，降低船舶壽命。

為了解決復合材料上層建筑與金屬主船體之間的剛度匹配、強度損傷以及疲勞破壞等問題，實現不同材料結構之間的有效連接。設計不同形式的連接結構，實現金屬主船體與復合材料上層建筑的有效搭配，以滿足船舶輕量化-多功能的發展需求。比較典型的船舶實例有法國拉斐特護衛艦，在鋼質主船體上設計夾芯復合材料機庫，在提高艦船隱身性的同時，減小結構重量，提升航速；美國的朱姆沃爾特級驅逐艦設計夾芯復合材料集成上層建筑結構，來增強艦船的隱身性，減輕上層建筑的結構重量，同時降低重心、提高平臺穩定性。實踐表明，夾芯復合材料所特有的輕質、高強、無磁、透波/吸波等特性，能夠滿足未來艦船在隱身、減重等方面的發展需求；復合材料耐化學腐蝕、抗疲勞等特性也較傳統金屬材料更適用于艦船的運行環境。此外，船舶減重意味著有效載荷增加、油耗降低、排放減少，尤其上層建筑減重還可以降低重心，提高穩性。這也符合綠色船舶的發展趨勢，呼應了節能減排的社會主題。因此，使用夾芯復合材料是未來船舶上層建筑設計的一個發展方向。基于上述原因提出夾芯復合材料上層建筑搭配金屬主船體的創新設計模式。但是考慮到夾芯復合材料與金屬板材各自不同的固有屬性和受力特征，二者在連接時存在技術難度，為此急需設計制造一種輕質、高強、安全、可靠、制造簡單，并且能有效滿足工程應用要求的連接結構。

技術實現要素：

本申請人針對上述現有夾芯復合材料上層建筑與金屬主船體之間的有效連接問題，進行了改進優化，提供一種結構合理、制造簡便的船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構，具有可靠性好、連接強度高、制造方便的優點。

本發明所采用的技術方案如下：

船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構，包括分散填充芯材(上層建筑主體芯材和連接區芯材)、l形金屬板，以及按照由內至外的順序覆蓋在分散填充芯材和l形金屬板端面的膠層以及纖維增強復合材料蒙皮；所述l形金屬板的一端預埋入所述分散填充芯材的內部，另一端伸出與所述膠層及纖維增強復合材料蒙皮雙搭接，并與金屬甲板進行傳統方式的連接；所述膠層及復合材料蒙皮向上延伸并覆蓋至夾芯復合材料上層建筑的主體芯材的內外端面。機械連接螺栓以雙排或多排形式固定于l形金屬板與纖維增強復合材料蒙皮的雙搭接區域。

其進一步技術方案在于：

所述復合材料蒙皮采用纖維增強樹脂基復合材料，所述纖維增強樹脂基復合材料中的纖維形式可以采用單向織物、平面織物和其他三向織物；

所述纖維增強樹脂基復合材料為預浸基體樹脂的纖維或未浸基體樹脂的纖維中的任意一種，上述纖維選自碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維或以上三種纖維中的任意一種；

所述分散輕量化填充芯材可以為輕木芯材(balsawood)、聚氯乙烯(pvc)泡沫、丙烯睛-苯乙烯(san)、泡沫聚氨酷(pu泡沫)和聚甲基丙烯酸亞胺(pmi)泡沫芯材材料中的任意一種；

所述膠層的材料為乙烯基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種；

所述纖維增強樹脂基復合材料的基體樹脂選自乙烯基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種；

所述預浸基體樹脂為乙烯基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種；

所述機械連接螺栓選自普通的船用金屬螺栓。

本發明的有益效果如下：

本發明設計合理、結構可靠、連接強度高、制造簡單和裝配方便，本發明采用真空輔助成型工藝與夾芯復合材料上層建筑一體化成型，避免二次連接帶來的強度降低和工藝不穩定等問題，大大提高了不同材料連接結構的一致性及可靠性；將l形金屬板預埋到復合材料連接結構的設計中，使得復合材料連接結構可以直接與金屬甲板進行焊接或機械連接，克服船舶常用熱固性樹脂基復合材料無法直接與金屬板材有效連接的問題，簡化了制造工藝，有助于實船建造；在金屬板與纖維增強復合材料蒙皮的雙搭接區域進行螺栓連接，對弱承載的膠接結構進行二次加強，提高了連接結構在的面內、面外多種載荷作用下的整體強度。本發明通過將l形金屬板的一端預埋入分散填充芯材內部，避免了在連接區薄弱位置進行復合材料芯材與金屬板的材料突變，同時l形金屬板能有效保護過渡區芯材，緩解應力集中，延緩初始失效。此外l形金屬板與復合材料上層建筑的主體芯材接觸面積較大，有助于受力截面的應力疏散，因而本發明既能有效提高多材料混合結構的連接強度，又大大提高了混合連接結構的在承受面外載荷時的抗彎性能。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，說明本發明的具體實施方式。

如圖1所示，船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構包括輕量化芯材2、金屬板5，以及按照由內至外順序覆蓋在分散輕量化芯材2、金屬板5端面的膠層1及纖維增強復合材料蒙皮3；該輕量化芯材還可稱為填充芯材；所述金屬板5呈l形，該l形金屬板的一端預埋入所述輕量化輕量化芯材2的內部，另一端伸出所述膠層1及纖維增強復合材料蒙皮3并與金屬甲板6連接；所述膠層1及纖維增強復合材料蒙皮3向上延伸并覆蓋至復合材料上層建筑主體芯材2-1的內外端面。該輕量化芯材2和l形金屬板5一起構成混合連接結構的中間部，該混合連接結構的兩側部均由纖維增強復合材料蒙皮3形成，該纖維增強復合材料蒙皮3和輕量化芯材2之間通過樹脂膠層1粘接固定，該纖維增強復合材料蒙皮3和l形金屬板5之間通過樹脂膠層1粘接固定；該機械連接螺栓4將纖維增強復合材料蒙皮3、l形金屬板5和樹脂膠層1固定在一起。上述主體芯材2-1及覆蓋在主體芯材2-1端面的復合材料蒙皮3，膠層1構成了船舶上層建筑的夾芯復合材料結構。上述分散輕量化輕量化芯材2、金屬板5，以及覆蓋在分散輕量化輕量化芯材2、金屬板5兩端面的膠層1、纖維增強復合材料蒙皮3及機械連接螺栓4構成了混合連接結構。金屬板5伸出膠層1、纖維增強復合材料蒙皮3的部分直接與金屬甲板6進行固定相連，比如焊接連接或其他金屬間的連接，并需要預留足夠的長度，防止不耐高溫的熱固性纖維增強復合材料及膠層在焊接時受損或融化，影響復合材料混合連接結構。

上述纖維增強復合材料蒙皮3采用纖維增強樹脂基復合材料，纖維增強樹脂基復合材料中的纖維形式可以采用單向織物、平面織物和其他三向織物。纖維增強樹脂基復合材料為預浸基體樹脂的纖維或未浸基體樹脂的纖維中的任意一種，上述纖維選自碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維或以上三種纖維中的任意一種。所述預浸基體樹脂選自不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂中的任意一種。

上述分散的輕量化芯材2為輕木芯材(balsawood)、聚氯乙烯(pvc)泡沫、丙烯睛-苯乙烯(san)、泡沫聚氨酷(pu泡沫)和聚甲基丙烯酸亞胺(pmi)泡沫芯材材料中的任意一種。膠層1為乙烯基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種。纖維增強樹脂基復合材料的基體樹脂選自乙烯基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂中的任意一種。

根據實際生產及制造需要，上述分散輕量化輕量化芯材2中主體芯材可以與連接區芯材相同，也可以不相同。對于本發明連接結構的制造可以采用復合材料真空輔助成型工藝。

以上描述是對本發明的解釋，不是對發明的限定，本發明所限定的范圍參見權利要求，在不違背本發明的基本結構的情況下，本發明可以作任何形式的修改。