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[求助] 帆船船体材料的疑问

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发表于 2021-4-25 13:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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我在看大帆船制造的文章时注意到帆船的复合材料船体是使用两层玻璃钢夹着中间一层巴沙木。
这种结构的目的是什么?在我看来,巴沙木虽然比较轻,但是它的强度也很弱。再考虑到木材容易腐烂,这就使得船体外壳划伤后即使修补也不能保证内侧巴沙木不腐烂。
那么为什么不把巴沙木换成环氧树脂板,除了重量,环氧板在所有的指标上都好过巴沙木, 而且环氧板在生产和成本上也更方便控制。
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 楼主| 发表于 2021-4-25 14:01 来自手机 | 显示全部楼层
刚才估算了一下四十呎帆船的巴沙木用料大约在一个立方,如果换成环氧板会使得船重增加1到1.5吨。对于普通巡航船这个重量变化是否会很在意。

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那就已经重了很多了  详情 回复 发表于 2021-5-12 23:19
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贝壳

舵手

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发表于 2021-4-27 06:09 | 显示全部楼层
这块儿不懂,做等看答案
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发表于 2021-4-27 11:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2021-4-27 11:42 编辑

玻璃钢的强度来源是玻璃纤维,因此,夹在内外两层玻璃钢中间的芯材是对强度没有什么贡献的。它真正的作用是用来保持内外玻璃钢层的空间位置稳定。

我们假设没有这个芯层会怎么样?

没有芯层的时候,内外两层玻璃钢实际处于一个薄壁状态,薄壁壳体自身稳定性非常低,因为在压应力作用下会自身发生扭曲变形而失去能承力的正确形状(工程学上叫“失稳”)。如果对薄壁壳体给予一定的扶持,让它能保持足够的稳定性,那么整个壁面就不易发生变形,从而能恰当得承受足够大的压力。

包括金属船只内的横纵骨架,本质上来说都是用来增加船壳稳定性的,而非主承力部件。

有了芯材的扶持后,内外两层玻璃钢都形成了稳定的构造,那么此时你可以把船壳在总体上看成一个厚壁构造,一般来说这个厚壳是有足够的稳定性,但这个稳定性仅仅指壳体壁面的稳定性。宏观上看整个船体依然有丧失整体稳定性的问题,这个时候需要在这个厚壁船壳内再增加一些大型扶持结构,也就是说还可能再加几个大型隔框(如同竹子的竹节)。不过这个已经和我们讨论的这个芯材无关,就不多讲了。

要保持壳体的壁面稳定性,基本有两种方法:一是增大壁面厚度,越厚,结构越稳定。另外一种方法是增加壁面的曲率,弯曲程度越大壁面越稳定。
比如一个矿泉水瓶,表面是弯曲的,在其弯曲形状没被破坏的时候可以承受很大的力,但这个弯曲形状一旦破坏了(比如你捏扁之后),瞬间就丧失承力能力。

但具体到船壳上,我们可以看到船壳弯曲程度并不大,试图靠增加曲率的方法比较难实现。不过还是想了一些局部增强的方法:比如玻璃钢船上经常用一些折棱,这实际就是局部急剧增大曲率使得稳定性增高的一个具体工程实例。

把壁面加厚,这个方法很有效,但会极大增加重量,增大重量一方面是性能下降,另外一方面关键的是费钱。。。这才是关键。你不要被厂商说得天花乱坠的托词迷惑,他说一万遍也就是为了省钱。

对于壁面增稳,仅仅需要很弱的结构就能完成,做成实心的完全没必要。那么如果从一个整体厚壁出发,去掉材料就是镂空。。显然镂空要花很多精力很费钱。飞机制造中曾经就用过这种方法,先做个很厚的结构,然后用各种先进加工方法挖空,这个方法又浪费材料又需要非常多的加工时间,现在基本不用了。

另外一个方法是干嘛非得厚壁挖空,我两个壁面之间镶嵌进稀疏结构进去不是同样的效果吗?显然这个也是可行的。这个办法的焦点在于原先那种镂空的方法是材料是一体的,而现在这个镶嵌,材料不一体,存在一个连接的问题。金属之类就焊接,其他的可以用胶水粘结吗。

然后是这个芯材用什么材料做的问题。其实有很多材料。
首先这个稀疏结构 要稀疏到什么程度才合理? 显然是越稀疏越好。但无限稀疏制造上恐怕有困难。实际能见到的最稀疏的材料就是泡沫塑料了,每个微泡大概间距不到0.1mm。
从结构力学上看,其实也没必要无限稀疏,大概稀疏结构的网格间距不大于壳体壁面厚度的10倍就可以基本避免壳体壁面失稳了。这个时候,蜂窝结构上场了。网格间距大概5~20mm。
从制造上讲,也没有必要完全阻止壳体壁面失稳,能有限防止就可以接受了,那么这个稀疏结构的网格可以进一步放大,金属船上的横纵网格骨架就是这么来的,因为这些骨架要焊接,焊接如果间距太小是无法进行的,而且如果网格太小即使能焊接,焊接工时也太高。这种网格间距最小大概200mm。

我们这么一分析,似乎泡沫塑料不错。不过实际上的泡沫塑料不但平面上是无数格子,在厚度上也是被间断为无数格子,这导致泡沫在厚度上易于被压缩。也导致泡沫塑料基本没有承受剪切力的能力。这个和我们期望它扶持壁面增加稳定性有一些落空。
所以实际上还是蜂窝更强。但市场上买得到的蜂窝,实际都把持在几家生产商手里,各有专利保护,因此那个价格啊,想怎么标就怎么标,水分不是一般的大。

我们再回头看这个轻木。木材是一种纤维壁面的多孔结构。它和泡沫的最大不同是泡沫是各向同性的,各个方向上都是同样的(尽管有些厂商也尝试做各向异性发泡,但也只是有限改善,依然摆脱不了这个天生缺陷),木材顺纹方向上是不间断的纤维,只有在横纹方向上才有空泡。这点看,木材和蜂窝结构是比较类似的。

然后关键性问题来了,木材有专利保护吗?天然材料哪来的什么专利。那价格自然无法注水咯。轻木作为自然界密度最小而且强度并不低的木材,价格至少比蜂窝是便宜的。

当然轻木和蜂窝比还是有一个力学上的弱点:木材的纹与纹之间的连接是非常脆弱的,很容易顺着纹理劈裂开来,也就是顺纹抗剪切力很差。也就是和泡沫比较,虽然顺纹抗压缩性能得到了保障,但抗剪能力没高多少。这点是不如蜂窝的。

说到进水的事情,其实无论轻木还是蜂窝,只要进水的基本就是灾难。现在有一些蜂窝通过填充泡沫的方法来阻止进水,从而改善了以前蜂窝一进水基本就结构崩溃的糟糕境况。

至于用环氧板来替代玻璃钢中的轻木夹心。。。这是画蛇添足。玻璃钢船壳的制造和环氧板的制造是同一个工艺,没有必要去买一块环氧板塞进去夹心,你直接就能做出个厚壁玻璃钢船壳。
造船上如果你要做厚壁玻璃钢,可以在两侧玻璃布之间塞入厚玻璃毡,一体成型。但芯部的材料不怎么起力学作用,做了也是浪费。
在一些低性能船上确实有这种做法的。这种船一般不是用长玻璃纤维和玻璃布做壳,而是用短切纤维喷射成型的。材料强度低,所以要比较厚的壳子才能保证足够的强度。在这种情况下壳体已经厚到稳定性足够高了。

最后,再说一下胶合板船。
胶合板船,说是说用木材做船,实际它的船壳内外都贴有玻璃钢,因为玻璃钢和木材的弹性模量的差异,导致实际受力时玻璃钢处于主受力部件。你可以把它看出一种胶合板夹心的玻璃钢船的特例。只不过这个结构中木材的占比比较大而已。



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明白了,谢谢。  详情 回复 发表于 2021-4-29 08:58
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 楼主| 发表于 2021-4-29 08:58 来自手机 | 显示全部楼层
begun 发表于 2021-04-27 11:22
本帖最后由 begun 于 2021-4-27 11:42 编辑

玻璃钢的强度来源是玻璃纤维,因此,夹在内外两层玻璃钢中间的芯材是对强度没有什么贡献的。它真正的作用是用来保持内外玻璃钢层的空间位置稳定。

我们假设没有这个芯层会怎么样?

没有芯层的时候,内外两层玻璃钢实际处于一个薄壁状态,薄壁壳体自身稳定性非常低,因为在压应力作用下会自身发生扭曲变形而失去能承力的正确形状(工程学上叫“失稳”)。如果对薄壁壳体给予一定的扶持,让它能保持足够的稳定性,那么整个壁面就不易发生变形,从而能恰当得承受足够大的压力。

包括金属船只内的横纵骨架,本质上来说都是用来增加船壳稳定性的,而非主承力部件。

有了芯材的扶持后,内外两层玻璃钢都形成了稳定的构造,那么此时你可以把船壳在总体上看成一个厚壁构造,一般来说这个厚壳是有足够的稳定性,但这个稳定性仅仅指壳体壁面的稳定性。宏观上看整个船体依然有丧失整体稳定性的问题,这个时候需要在这个厚壁船壳内再增加一些大型扶持结构,也就是说还可能再加几个大型隔框(如同竹子的竹节)。不过这个已经和我们讨论的这个芯材无关,就不多讲了。

要保持壳体的壁面稳定性,基本有两种方法:一是增大壁面厚度,越厚,结构越稳定。另外一种方法是增加壁面的曲率,弯曲程度越大壁面越稳定。
比如一个矿泉水瓶,表面是弯曲的,在其弯曲形状没被破坏的时候可以承受很大的力,但这个弯曲形状一旦破坏了(比如你捏扁之后),瞬间就丧失承力能力。

但具体到船壳上,我们可以看到船壳弯曲程度并不大,试图靠增加曲率的方法比较难实现。不过还是想了一些局部增强的方法:比如玻璃钢船上经常用一些折棱,这实际就是局部急剧增大曲率使得稳定性增高的一个具体工程实例。

把壁面加厚,这个方法很有效,但会极大增加重量,增大重量一方面是性能下降,另外一方面关键的是费钱。。。这才是关键。你不要被厂商说得天花乱坠的托词迷惑,他说一万遍也就是为了省钱。

对于壁面增稳,仅仅需要很弱的结构就能完成,做成实心的完全没必要。那么如果从一个整体厚壁出发,去掉材料就是镂空。。显然镂空要花很多精力很费钱。飞机制造中曾经就用过这种方法,先做个很厚的结构,然后用各种先进加工方法挖空,这个方法又浪费材料又需要非常多的加工时间,现在基本不用了。

另外一个方法是干嘛非得厚壁挖空,我两个壁面之间镶嵌进稀疏结构进去不是同样的效果吗?显然这个也是可行的。这个办法的焦点在于原先那种镂空的方法是材料是一体的,而现在这个镶嵌,材料不一体,存在一个连接的问题。金属之类就焊接,其他的可以用胶水粘结吗。

然后是这个芯材用什么材料做的问题。其实有很多材料。
首先这个稀疏结构 要稀疏到什么程度才合理? 显然是越稀疏越好。但无限稀疏制造上恐怕有困难。实际能见到的最稀疏的材料就是泡沫塑料了,每个微泡大概间距不到0.1mm。
从结构力学上看,其实也没必要无限稀疏,大概稀疏结构的网格间距不大于壳体壁面厚度的10倍就可以基本避免壳体壁面失稳了。这个时候,蜂窝结构上场了。网格间距大概5~20mm。
从制造上讲,也没有必要完全阻止壳体壁面失稳,能有限防止就可以接受了,那么这个稀疏结构的网格可以进一步放大,金属船上的横纵网格骨架就是这么来的,因为这些骨架要焊接,焊接如果间距太小是无法进行的,而且如果网格太小即使能焊接,焊接工时也太高。这种网格间距最小大概200mm。

我们这么一分析,似乎泡沫塑料不错。不过实际上的泡沫塑料不但平面上是无数格子,在厚度上也是被间断为无数格子,这导致泡沫在厚度上易于被压缩。也导致泡沫塑料基本没有承受剪切力的能力。这个和我们期望它扶持壁面增加稳定性有一些落空。
所以实际上还是蜂窝更强。但市场上买得到的蜂窝,实际都把持在几家生产商手里,各有专利保护,因此那个价格啊,想怎么标就怎么标,水分不是一般的大。

我们再回头看这个轻木。木材是一种纤维壁面的多孔结构。它和泡沫的最大不同是泡沫是各向同性的,各个方向上都是同样的(尽管有些厂商也尝试做各向异性发泡,但也只是有限改善,依然摆脱不了这个天生缺陷),木材顺纹方向上是不间断的纤维,只有在横纹方向上才有空泡。这点看,木材和蜂窝结构是比较类似的。

然后关键性问题来了,木材有专利保护吗?天然材料哪来的什么专利。那价格自然无法注水咯。轻木作为自然界密度最小而且强度并不低的木材,价格至少比蜂窝是便宜的。

当然轻木和蜂窝比还是有一个力学上的弱点:木材的纹与纹之间的连接是非常脆弱的,很容易顺着纹理劈裂开来,也就是顺纹抗剪切力很差。也就是和泡沫比较,虽然顺纹抗压缩性能得到了保障,但抗剪能力没高多少。这点是不如蜂窝的。

说到进水的事情,其实无论轻木还是蜂窝,只要进水的基本就是灾难。现在有一些蜂窝通过填充泡沫的方法来阻止进水,从而改善了以前蜂窝一进水基本就结构崩溃的糟糕境况。

至于用环氧板来替代玻璃钢中的轻木夹心。。。这是画蛇添足。玻璃钢船壳的制造和环氧板的制造是同一个工艺,没有必要去买一块环氧板塞进去夹心,你直接就能做出个厚壁玻璃钢船壳。
造船上如果你要做厚壁玻璃钢,可以在两侧玻璃布之间塞入厚玻璃毡,一体成型。但芯部的材料不怎么起力学作用,做了也是浪费。
在一些低性能船上确实有这种做法的。这种船一般不是用长玻璃纤维和玻璃布做壳,而是用短切纤维喷射成型的。材料强度低,所以要比较厚的壳子才能保证足够的强度。在这种情况下壳体已经厚到稳定性足够高了。

最后,再说一下胶合板船。
胶合板船,说是说用木材做船,实际它的船壳内外都贴有玻璃钢,因为玻璃钢和木材的弹性模量的差异,导致实际受力时玻璃钢处于主受力部件。你可以把它看出一种胶合板夹心的玻璃钢船的特例。只不过这个结构中木材的占比比较大而已。

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发表于 2021-5-12 23:19 来自手机 | 显示全部楼层
Moonraker 发表于 2021-04-25 14:01
刚才估算了一下四十呎帆船的巴沙木用料大约在一个立方,如果换成环氧板会使得船重增加1到1.5吨。对于普通巡航船这个重量变化是否会很在意。

那就已经重了很多了
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