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第42卷第2期2013年04月船海工程SHIP＆0CEANENGINEERINGV01．42No．2Apr．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．02．006玻璃钢栏杆设计与计算分析钟玉湘，陆浩华(中国舰船研究设计中心，武汉430064)摘要：针对钢质栏杆易受海水、日照、风浪等的自然侵蚀，容易出现严重腐蚀的情况，采用玻璃钢复合材料对栏杆进行改进设计，并按等代设计法进行结构设计及模拟计算，在保证栏杆安全使用的前提下，实现栏杆重量减轻、耐腐蚀性能提高和隐身能力增强的改进目标。关键词：栏杆；玻璃钢；等代设计法；结构设计中图分类号：U671．73文献标志码：A文章编号：1671—7953(2013)02-0019-03钢质栏杆易受海水、日照、风浪等的自然侵蚀，容易出现严重腐蚀情况，并且隐身舰船对栏杆等露天设备有一定的隐身要求，因而有必要考虑采用复合材料对栏杆进行改进设计研究，以提高栏杆的隐身、抗腐蚀能力。由于舰船上栏杆等露天设备存在使用环境恶劣，受到风、浪等多种载荷作用，以及人员安全性的问题，要求所用的材料不但要满足轻质的要求，更应具有优良的机械性能，以承受各种载荷。玻璃钢复合材料重量轻、强度大、可设计性强，在雷达波方面具有良好的隐身性能，还具备无磁、抗冲击、抗腐蚀等优良特性，已广泛应用于舰船、航空航天、化工、能源等领域，因而是一种理想的代替材料¨引。1固定式钢质栏杆结构分析固定式钢质栏杆主要由栏杆柱、扶手和横档组成‘5引，具体参数见表1，总体结构见图1。表1固定式钢质栏杆组成和参数2玻璃钢复合材料性能分析对于栏杆这种露天舾装件来说，重量并不是收稿日期：2012—04—12修回日期：2012—04—28第一作者简介I钟玉湘(1978一)，女，硕士，工程师研究方向：船舶装置设计与研究E-mail：zhong__zyx@126．eom≮芦35钢符巧—42—x3．5图1固定式钢管栏杆的总体结构示意影响其使用的主要因素，其改进主要着眼于提高舰船的隐身性和耐腐蚀能力。由于玻璃钢在雷达波隐身方面具有良好的效果，且对栏杆来说，其对强度、刚度的要求也较低，采用玻璃钢是理想的选择。复合材料与钢材的性能参数对比见表2。表2复合材料与钢材材料性能对比表纵观已有的树脂基体性能及适应性，选用不饱和聚酯树脂作为固定式栏杆用复合材料的树脂基体。拟选用E玻璃纤维作为本项目的增强材料。采用E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料拉挤成型试板，性能测试结果见表3。表3拉挤成型玻璃钢复合材料和冷20钢力学性能比较通过上述选材分析和材料性能试验，选用E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制作固定式栏杆，可满足固定式栏杆耐海洋环境、适中模量和低成本的要求。19 第2期船海工程第42卷3栏杆的结构设计与计算3．1等代设计法一般说来，玻璃钢复合材料强度优势明显而刚度优势相对较弱，因而在刚度满足要求时，强度也会满足要求。因此，在设计复合材料结构时，可采用等代设计法进行等刚度设计。等代设计法是工程上复合材料结构设计较常使用的另一种方法。相对于一般设计法，利用等代法设计时有其它材料的相同零部件作为参照对比。采用等代法设计时，保持原设计约束不变，在考虑复合材料的特点的基础上，采用复合材料构件替换原其它材料构件，允许改变部分构件的形状和厚度，甚至增加或者减少构件。这种方法特别适用于采用复合材料对原结构进行改进、改型和轻量化设计等情形。采用这种方法设计复合材料结构时，通常按等刚度原则进行设计，再作强度校核。3．2固定式栏杆的结构设计采用挤拉成型工艺成型玻璃钢栏杆的栏杆柱、扶手和横档，并采用粘接工艺制作船用固定式复合材料栏杆，以实现以下功能。1)树脂基复合材料在波段80—500MHz，透波率I>97％，通过采用树脂基复合材料可显著降低栏杆的信号反射率，提高舰船的隐身陛能。2)树脂基复合材料强度优于冷20钢，密度为冷20钢的1／4，采用树脂基复合材料制作栏杆可有效降低舰船舾装件的总体重量。3)树脂基复合材料耐腐蚀，维护方便，通过采用树脂基复合材料制作栏杆可大幅度降低其全寿命成本费用。采用玻璃钢替代钢质栏杆首先要满足等强度替代(兼顾刚度)，其次要解决可靠连接的问题。由表3可见，拉挤成型玻璃钢复合材料的强度远大于20号钢，替代冷20号钢不存在问题。但拉挤成型玻璃钢复合材料模量低于20号钢，因此需要对其增厚补强。玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算见表4。依据栏杆较细外径、较轻重量和适中模量的使用工况和边界条件，并结合模拟计算，最终确定栏杆的玻璃钢管尺寸，见表5。依据玻璃钢栏杆的使用工况和边界条件，并结合仿真计算，最终确定玻璃钢栏杆的结构尺寸。20表4玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算表名称夕卜径／mm壁厚／mm64长度／mm90020002000重量／kg1．413．151．34减重f％52．555．3栏杆柱50扶手50横档323．3固定式栏杆制作玻璃钢栏杆制作主要包括栏杆柱、扶手和横档的拉挤成型和连接件的制作两部分。1)玻璃钢栏杆的栏杆柱、扶手和横档的制作。采用拉挤成型工艺成型。2)连接件制作。连接件制作包括栏杆柱和扶手杆连接件制作、栏杆柱和底座连接件制作和栏杆弯头连接件制作三部分，均采用Q235号钢制作，可满足玻璃钢固定式栏杆的使用要求。3)固定式栏杆装配。栏杆与甲板的连接及结构之间的连接，均采用专用底座及连接结构设计，并均采用粘接的方式。①扶手和栏杆柱通过粘接的方式进行连接；②横档和栏杆柱通过粘接的方式进行连接；③栏杆柱和底座通过粘接的方式进行连接；④栏杆弯头连接通过粘接的方式进行连接。3．4固定式栏杆仿真分析1)建模。借助有限元软件进行辅助计算分析，建立的固定式栏杆有限元模型见图2。ilI：ll’。l图2固定式栏杆模型约束条件为杆底部全约束，载荷为上栏杆中间施加一集中载荷(因为栏杆所受外载主要为风 玻璃钢栏杆设计与计算分析——钟玉湘，陆浩华载及外加侧向推力等，可等效为中部承受一集中载荷)。2)计算结果。①垂向集中载荷。载荷为100N时，钢质栏杆最大变形为0．31mm，玻璃钢栏杆最大变形为1．1mlTl。②水平向集中载荷。载荷为100N时，钢质栏杆最大变形为2．3mm，玻璃钢栏杆最大变形为8．2mm。玻璃钢栏杆刚度约为钢质栏杆的1／3左右。4结论以E玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制作固定式栏杆，可满足固定式栏杆耐海洋环境、适中模量和低成本的要求。参考文献『1]刘愉强，叶家玮．浅谈玻璃钢船艇的改性发展[J]．广东造船，2005(4)：3640．[2]王瑞，武玲．船舶用玻璃钢及其性能分析[J]．中国纺织大学学报，2000(6)：123—126．[3]朱英富，张国良舰船隐身技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003．『4]孟新强．国外雷达隐身和红外隐身技术的发展动向与分析[J]．隐身技术，2005(7)：34-42．[5]陈可越．船舶设计实用手册：舾装分册[M]．北京：国防工业出版社，2002．『6]中国船级社．游艇建造规范[S]．北京：人民交通出版社，2008．DesignandCalculationofFRPRailingZHONGYu-xiang，LUHao-hua(ChinaShipDevelopmentandresearchCentre，Wuhan430064，China)Abstract：Asteelrailingisusuallyseriouslyrustedbyseawater，sunshineandstorm．Theauthorsdiscussedhowtodesignarailingwithfiberglass-reinforcedplastics(FRP)，andhowtocompletestructuraldesignandsimulationcalculationwithaidofequivalentdesigningmethod．Theinnovativedesigncanlightenitsweight，improveitsanti—erosioncapabilityandstealthtechnol—ogy，underconsiderationofassuringsafeuseofarailing．Keywords：railing；FRP；equivalentdesigningmethod；structuraldesign；simulationcalculation(上接第18页)ComparisonAnalysisonStructureoftheLowerandUpperEndConnectionsofSideFramesCUIKe．kel．HEYing．hua2，XUXing-zhi3(1ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200030，China；2Tsuneishi(Shanghai)ShipDesignCo．，Ltd．，Shanghai200080，China；3Hudong—ZhonghuaShipbuilding(Group)CompanyLtd．，Shanghai200129，China)Abstract：TheFEAdirectcalculationmethodwasusedtoevaluatetheeffectivenessoftheextendingstructureofthelowerandupperendconnectionsofsideflamesforthesinglesidebulkcarriers．Bycomparativeanalysisofthenumericalresultsofstressdistribution，itprovedthattheefficientsupportisjustthebracketbetweenlongitudinalsadjacenttothesideframe，andtheextendingstructurefromthebracketisuselessfordecreasethestresslevelonthebracket．Keywords：connectbracket；sideflame；upperandlowerbracket；structurecontinuity；efficientsupport21