玻璃钢栏杆设计与计算分析.pdf

第42卷第2期
船海工程
ul,42
013年4月
SHIP OCEAN ENGINEERING
2013
DOL:10.3963/j.isn.1671-7953.2013.02.006
玻璃钢栏杄设计与计算分析
钟玉湘,陆浩华
(中国舰船研究设计中心,武汉4310064)
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
料对栏杆进行政进设计,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:167-7953(2013)02-0019-03
钢质栏杆易受海水、日照、风浪等的自然侵
钢042×3.S
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
佩管。2×メ3×42X5)S钢42
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
图1固定式钢管栏杆的总体结构示意
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,要求所用的材料不影响其使用的主要因素,其改进主要着眼于提高
但要满足轻质的要求,更应貝有优良的机械性能
舰船的隐身性和耐腐蚀能力。由于玻璃钢在雷达
以承受各种载荷。玻璃钢复合材料重量轻、强度波隐身方面具有良好的效果,且对栏杆来说,其对
大、可设计性强,在雷达波方面具有良好的隐身性强度、刚度的要求也较低,采用玻璃钢是理想的选
能,还具备无磁、抗冲击、抗腐蚀等优良特性,已
择。复合材料与钢材的性能参数对比见表2。
泛应用丁舰船、航空航天、化工、能源等领域,因而
表2复合材料与钢材材料性能对比表
是一种理想的代替材料1。
对比项玻璃钢钢(Q235-A
密度/(kg·m3
1600
7800
固定式钢质栏杆结构分析
拉伸强度o,/MPa1300(单向
375~40
拉伸模最E/CPa
54.7
固定式钢质栏杆主要由栏杆柱、扶手和横档
纵观已有的树脂基体性能及适应性,选用不
组成6,具体参数觇表1,总体结构见图1。
饱和聚酯树脂作为?定式栏杆用复合材料的树脂
表1固定式钢质栏杆组成和参数
基体。拟选用E玻璃纤维作为本项目的增强材
杆
材料
径壁厚长度重算料。采用E玻璃纤维増强不饱和聚酯树脂复合
位置
mm
栏杆柱冷20钢423.5902.9
材料拉挤成型试板,性能测试结果见表3。
扶手冷20钢423.520006.60
表3拉挤成型玻璃钢复合材料和冷20钢力学性能比较
横档冷20钢223.520003.00
力学性能玻璃纤维增强复合材料冷20钢
拉伸强度/MPa
≥510(单向
2玻璃钢复合材料性能分析
拉伸模量/GPa
≥27.1(单向)
弯曲强度/MPa
450(单向
对于栏杆这种露天舾装件来说,重量并不是奪曲模量CP=154(单向)
压缩强度/MPa
≥367(单向)
收稿日期:2012-04
修回日期:20]2-04-28
通过上述选材分析和材料性能试验,选用E
第一作者简介:钟玉湘(198-),女,预土,工程师玻璃纤维増强不饱和聚树脂复合材料制作固定
研究方向:船舶装置设计与研究
式栏杆,可满足固定式栏杅耐海洋环境、适中模量
E-mail:zhong_zyx(@126.com
和低成本的要求。
万方数据
第2期
船海工程
第42卷
3栏杆的结构设计与计算
表4玻璃钢栏杆和钢质栏杆材料刚度模拟计算表
外径壁厚长度刚度
也会满足要求。因此,在设计复合村料结构时け,可、奇
名称
3.1等代设计法
/(N?m-')
般说来,玻璃钢复合材料强度优势明显而
3,52000
5128
度优势相对较弱,因而在刚度满足要求时,强度
2000
1176
2000
t428
玻璃钢
1666
采用等代设计法进行等刚度设计。等代设计法是
2000
工程上复合材料结构设计较常使用的另一种方
冷20钢223.5
法。相对于一般设计法,利用等代法设计时有其横档玻璃钢324200
它材料的相同零部件作为参照对比。采用等代法
3
设计时,保持原设计约東不变,在考虑复合材料的
32
2000
特点的基础上,采用复合材料构件替换原其它材
表5玻璃钢栏杆的尺寸
料构件,允许改变部分构件的形状和厚度,甚至增名称外径堂厚长度重量减重
加或者减少构件。这种方法特别适用于采用复合
栏杆柱50
材料对原结构进行改进、改型和轻量化设计等情
扶手
00O
形。采用这种方法设计复合材料结构时,通常按
横梢
32
420001.3455.3
等刚度原则进行设计,再作强度校核
3.3固定式栏制作
3.2固定式栏杆的结构设计
玻璃钢栏杄制作主要包括栏杆柱、扶手和横
采用挤拉成型工艺成型玻璃钢栏杆的校杆档的拉挤成型和连接件的制作两部分。
柱、扶手和横档,并采用粘接工艺制作船用固定式
1)玻璃钢栏杆的栏柱、扶手和横档的制
复合材料栏杆,以实现以下功能。
作。采用拉挤成型丁艺成型
1)树脂基复合材料在波段80~500MHz,透
2)连接件制作。连接件制作包括栏杆柱和
波率≥97%,通过采用树脂基复合材料可显著降扶手杆连接件制作、栏杆柱和底座连接件制作和
低栏杆的信号反射率,提高舰船的隐身性能.
栏杆弯头连接件制作三部分,均采用Q235号钢
2)树脂基复合材料强度优于冷20钢,密度制作,可满足玻璃钢周定式栏杆的使用要求。
为冷20钢的1/4,采用树脂基复合材料制作栏杆
3)固定式栏杆装配。栏杆与甲板的连接及结
可有效降低舰船舾装件的总体重量。
构之间的连接,均采用专用底座及连接结构设计,
3)树脂基复合材料耐腐蚀,维护方便,通过并均采用粘接的方式。①扶手和栏杆柱通过粘接
采用树脂基复合材料制作栏杄可大幅度降低其全的方式进行连接;②横档和栏杆柱通过粘接的方式
寿命成本费用
进行连接;③栏杆柱和底座通过粘接的方式进行连
采用玻璃钢替代钢质栏杆首先要满足等强接;@栏杆弯头连接通过粘接的方式进行连接。
度替代(兼顾刚度),其次要解決可靠连接的问3.4固定式栏杆仿真分析
题。由表3可见,拉挤成型玻璃钢复合材料的强
建模。借助有限元软件进行辅助计算分
度远大于20号钢,替代冷20号钢不存在问题。析,建立的固定式栏杆有限元模型见图2。
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。玻璃钢栏杄和钢质栏杆材
料刚度模拟计算见表4。
依据栏杄较细外径、较轻重量和适中模量的
使用工况和边界条