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复合材料在船舶行业扬帆起航

一直以来，船舶行业都对其他行业所开发出来的复合材料设计软件工具不太感兴趣。而现在，造船厂为了提高自身的竞争力，开始关注并采用能够提高生产力的先进复合材料设计工艺。VISTAGY公司的产品和市场战略总监Olivier Guillermin博士讨论了设计软件如何帮助这些公司提高他们的生产能力。

复合材料在船舶行业的应用已经有几十年，因为它们比金属更耐腐蚀，比木头的结构性能更好。复合材料在娱软件仅仅对这些简略的原始数据进行处置乐、商业和船舶行业（从小型游艇到核潜艇）的主要结构部件中都有应用。

某些情况下，复合材料还被用于降低军用船艇上部结构的雷达信号，消除扫雷舰船身（仍优先采用木头制成）上的磁场，以及在轻量赛艇和巡逻舰（目前采用高性能碳纤维材料制成）中减轻重量，提高强度。

弗吉尼亚级潜艇USS New Mexico经由泰晤士河到达其位于康涅狄格州New London海军潜艇基地的新港口。FiberSIM软件被全世界的军用造船厂用于船舶重要结构部件的设计和制造，例如核潜艇、扫雷艇和驱逐舰。复合材料每年都会被新的应用领域所采纳，同时船舶行业也意识到了它们的优势：减轻部件重量，消除腐蚀问题，降低制造和维护成本。

尽管已大量采用复合材料，但海运行业直到现在也一直没有对那些在其他行业，例如航空航天、汽车或风能行业所发展起来的先进复合材料工程软件工具现出太多的兴趣。

其中部分原因可能是船舶行业所采用的典型的设计和制造工艺与航空航天领域是不同的。造船工程师和制造工具是直接接触的，对复合材料的设计规范都负有。通常，一个设计办公室内没有一个人或一个团队是学习过详尽的复合材料设计课程的，他们认为许多复合材料船舶部件的设计是很简单的，根本没有采用过先进的三维CAD技术。

通常，船舶行业一直采用低价的玻纤增包装设备强塑料（GRP），主要是玻纤和聚酯树脂。成本效益的概念令船舶行业开始转用航空航天业所采用的更昂贵的高性能材料，例如碳纤维增强塑料（CFRP）。

但最近几年，军用、商用和娱乐用船舶的制造商们对于可提高生产力的先进复合材料设计工艺产生了越来越浓的兴趣。他们已经开始对那些在其他行业成功应用过的设计软件工具进行评估。

提高生产力

各种规格船舶的制造商们正寻找提高其竞争力的方法。以较低的成本将产品更快地推出市场是达到这一目标的关键所在。在低迷的经济气候和日益激烈的国际竞争中，提高生产力是一个主要驱动力。缩短周期意味着减少库存，提供更多的定制时间，提高所用工具产生的利润。降低设计和生产成本、劳动力成本和材料成本都可以提高制造商的利润底限。

降低总拥有成本和生命周期成本也是制造商的主要目标。设计良好的复合材料部件维护少，修理简单。最近，循环再用问题也得到了人们的密切关注。设计和制造质量的提高会促进上述目标的实现。对设计和制造工艺中的细节多加关注可以节约大量的时间，因为返工更少，出错率更底，而精确度和可重复性更高了。

船舶部件需要在极端气候条件下具备可靠性，即较大的安全性。因此性能在许多应用中都是关键因素。

速度和稳定性是船舶设计的主要目标。例如赛艇、高速巡逻艇和特殊用途船舶以及某些快速渡轮。军用和商用船艇的上部结构也追求减重目标虚耗太大，重心的降低可以提高稳定性和安全性。最小化并精确控制复合材料层压板的重量可以获得更好的性能。

复合材料的优势

复合材料在过去几年表现出来的优势包括：

◆通过不同的纤维和树脂结合方式以及沿着特定方向铺设纤维，可以对复合材料进行设计，从而提高比强度（强度/重量）。

◆复合材料部件之间的整合，可以减少部件、连接件和紧固件的数量，以及生产步骤。

◆通过降低重心，可以显著减轻重量，提高稳定性。

◆复合材料可简单地制成形状和空间曲率复杂的部件——复合材料在很大程度上是“弯曲的”的——因此，船身、甲板、潜艇导流罩都非常适合采用复合材料来制造。

改进设计的方法论

复合材料的设计起源于结构设计和纺织工艺，因此几十年来，它更像是一种艺术而不是科学。现在，在大多复合材料的生产中，很大程度上仍然采用一定的手工操作过程。

过去15年，复合材料部件的设计方法论和软件工具的开发有了重大的进展。特别是用于复合材料层压板设计和制造的软件的开发，这已将成为复合材料设计工艺中的主要工具。

有几家主要的商用、娱乐和军用船艇制造商也采用了这种方法，但从整体来看，却还没有被船舶行业接受。

成功的设计

有许多原因可以说明为什么这种软件会被开发出来并成为复合材料设计工艺中的主要组成部分。例如，制造商希望部件可以完全按照原本的设计进行制造。这听起来似乎理所当然，但如果你咨询一下设计师或者生产经理就会发现，事情并非如此。设计完成后，会有许多变数，部件更多的是被“制造出来的”。这些变化通常都是在生产车间内匆忙作出的决定，没有记录，也没办法追溯到设计部。最终，很难确定真正的部件到底与原本的设计有多大的区别。

采用复合材料设计软件还可以使工程师在开发过程中大大减少变数，书柜也让使用者可以立即记录下所有设计上的改变。在设计初期对复合材料部件进行完整详细的三维设计，制造过程中所有的层压板、层片和芯材信息都是始终不变的。图1是VISTAGY的FiberSIM 复合材料设计软件对于层合的度假村定义，利用该软件可以设计层片的粘接，包括与层片剥落、分层和重合有关的细节，以及与层片定位和原材料相关的规范。

图1：这是一艘大型豪华帆船的复合材料甲板。VISTAGY公司的FiberSIM软件被用于此类大型玻纤复合材料部件的设计和开发。左上角的小图是FiberSIM对层板铺放过程的模拟。红色表明的是制造过程中需要关注的区域，因为材料可能会起皱。右下端的小图是生产操作指南中关于层板的说明页。层板说明页是从FiberSIM的母型中自动生产的。

通常，如何在模具内或模具上铺设玻璃纤维织物或纤维带并非设计阶段的工作。生产技术人员负责层片形状的正确并确保没有生产问题，例如材料在弯曲部位的起皱或损坏。如果这种生产缺陷不能避免，部件上的脆弱之处就会导致破裂和疲劳失效。

复合材料设计软件可以模拟复合材料层的“弯曲”，提前评估层压板的“可生产性”。过去10年，材料仿真模拟软件取得了巨大的进展，已能够精确预测手工铺放过程中可能发生的起皱损坏现象和其他缺陷。现在可以在物理原型制造之前，了解层片如何与模具保持一致。这种在制造开始之前就能够模拟的能力，为航空航天、汽车和风能行业节约了巨大的成本。

将设计和制造联系起来

设计和应力分析是设计过程中的两大重点。通常这两个学科之间的交流并不理想，因此会出现单调且缓慢的重复工作。CAD世界和CAE世界之间无法有效的沟通。复合材料的复杂性带来了更大的挑战。但是，最近几年，复合材料设计软件和结构分析软件之间的双向交流取得了良好的进展。图2是VISTAGY公司的FiberSIM设计软件和有限元分析软件之间的同步工作流。收集层压板和详尽的层片数据的区域可以从一个环境流通到另一个坏境中，确保在设计过程的初期就实现较快的优化迭代。

图2：采用FiberSIM软件同步进行复合材料设计和分析的实例。图示中的坚硬板材在军用、商用和娱乐船舶中的大型复合材料结构中都有应用。FiberSIM可以将层板铺放设计中初步和详细数据准确无误的分享给CAE软件。复合材料部件的设计越精确，结构的优化也就更好更快。设计细节包括区域和层片的边缘以及层压板的设计规范，包括材料、目标应用和真实的纤维方向，以及生产的顺序和细节。

复合材料设计软件的主要优势之一是将设计和制造直接联系起来了。在三维CAD系统中给出复合材料部件以求得全面、调和和可延续地发展的完整定义，制造所需的全部数据就可以从设计的主模型中输出。这份文件中包含生产部件所需的的全部信息。例如，三维层片对应的平面模型的定义可以输出到一个嵌套的软件或切割机器中。三位层片的定义可以输送到激光投方解石影系统中，使层片精确铺放到模具中。技术图纸可以从母型自动生成。除了人工生产过程，复合材料设计模型还可为自动铺设机械系统准备数据，例如纤维铺放、纤维带铺放和快速的材料铺放系统。

最后，用于各种复合材料部件的更多强大的设计方法已得到了进一步的开发。“基于层片（ply-based）”的设计方法通常被用于汽车部件和一些复杂的直升机导流罩的生产。

这是15年前所开发出的第一种用于层片设计（ply design）的方法。这种“基于区域（zone-based）” 的设计方法更适合于大型部件，例如飞机机翼和喷气式飞机的引擎舱。此处复合材料部件的定义根据层压板的拼接定义而确定的，后者利用了区域和相应的目标层板。最后，“基于格栅（grid-based）”的设计方法原本是为了复合材料组装件而开发的，例如大型的机身部件。该设计方法主要是由加强筋的铺设而推动的。

上述所有设计方法都可以应用在船舶行业的一些部件中 ： 基于格栅的设计可用于船身；基于区域的设计可用于上部结构，基于层片的设计可用于导流罩。例如专门为喷气发动机风扇叶片开发的设计方法与螺旋桨叶片的开发是相通的。

开发可靠的工艺

复合材料设计软件正快速成为多个行业设计过程中的主要组成部分，包括航空航天、汽车、风能和船舶。

制造商通过开发出的复合材料部件或组装件的完整详细的三维CAD模型，可以获得许多好处，包其中括：

◆设计和制造过程的紧密联系；

◆复合材料设计软件针对复合材料母型精确性和完整性的定义，带来了更高的质量。

◆预测潜在的制造问题；

◆设计和分析同步进行，部件得以优化；

◆不同部件拥有专门的设计方法。

因此，复合材料部件开发中的设计过程变得越来越可以预测和可靠。设计上的变化发生得更少，加工过程更快，沟通错误也更少。在没有附加值的工作中花费的时间减少了，更多的精力用在了真正的设计和创新上。(end)