J I A N G S U U N I V E R S I T Y
复合材料结构课程设计
游艇船壳复合材料夹层结构设计
学院名称： 专业班级： 姓名、学号：
指导教师：
二Ｏ一二年六月
目录
摘要................................................................................................................................ 1
1 游艇简介.................................................................................................................... 1
1.1 概述及简单分类............................................................................................. 1
1.2 游艇的主要参数............................................................................................. 2
1.2.1 尺寸...................................................................................................... 2
1.2.2 船型...................................................................................................... 3
1.2.3 纵稳性.................................................................................................. 3
1.2.4 快速性.................................................................................................. 4
1.2.5 游艇材料.............................................................................................. 5
2. 游艇受力分析及性能要求......................................................................................... 6
2.1作用在船体上的力.......................................................................................... 6
2.1.1 船体的总纵弯曲.................................................................................. 6
2.1.2 作用在船体上的横向载荷.................................................................. 7
2.1.3 其它局部受力情况.............................................................................. 8
2.2 船壳性能要求................................................................................................. 8
3 玻璃钢船壳结构设计................................................................................................ 8
3.1 玻璃钢的特点................................................................................................. 8
3.2 玻璃钢复合材料的泡沫夹层结构................................................................. 9
3.3 玻璃钢夹层结构的设计............................................................................... 11
3.3.1 玻璃钢夹层结构弯剪强度设计...................................................... 11
3.3.2 夹层结构骨材的弯曲强度设计...................................................... 12
3.3.3夹层结构纵桁的剪切强度设计......................................................... 13
3.3.4 结构设计图及尺寸............................................................................ 13
4. 泡沫芯材的选择....................................................................................................... 15
4.1 泡沫芯材的发展历程................................................................................... 15
4.2 常见泡沫芯材的性能和应用....................................................................... 16
5 泡沫芯材的加工使用方法...................................................................................... 17
5.1泡沫芯材的加工............................................................................................ 17
5.2泡沫芯材的使用............................................................................................ 18
6 玻璃钢游艇模型船壳的制作.................................................................................. 19
6.1 阳模法制作模型船壳 .................................................................................. 20
6.2 阴模法制作模型船壳................................................................................... 22
结论.............................................................................................................................. 22
参考文献...................................................................................................................... 22
游艇船壳复合材料夹层结构设计
摘要：游艇作为一种高级高级水上娱乐工具，谁到越来越多的私人或团体组织
的青睐。近年来，为提高游艇性能，越来越多的高科技专利、新型材料被应用到
游艇上，其中作为船身主体的船壳材料自然首当其冲的成为重点研究对象。本文
主要从受力分析、材料选用等方面来分析设计玻璃钢夹层结构。
关键词：游艇 玻璃钢 夹层结构 泡沫芯材 制备
1 游艇简介
1.1 概述及简单分类
游艇，是一种水上娱乐用高级耐用消费品。它集航海、运动、娱乐、休闲等
功能于一体，满足个人及家庭享受生活的需要。在发达国家，游艇像轿车一样多
为私人拥有，而在发展中国家，游艇多作为公园、旅游景点的经营项目供人们消
费，少量也作为港监、公安、边防的工作手段。游艇是一种娱乐工具这一本质特
征，使它区别于作为运输工具的高速船和旅游客船。
游艇可以有多种分类标准，如尺寸、功能、动力类型、品质、船壳材料
等。
按游艇尺寸大小来分，在国际标准中游艇的规格是以英尺计算的，从尺
寸大小上分为三种：36英尺以下为小型游艇、36-60英尺为中型游艇、60英
尺以上为大型豪华游艇，细分下来可以有小型艇（6米以下）、小型游艇（6～
10.5米之间）、中型游艇（10.5～18米之间）、大型游艇（18米以上）。大型
豪华游艇在尺度上分35～40米、41～44米、45～49米、50～54米和55～60
米五个等级。
按功能分有休闲艇、商务交际艇、赛艇、钓鱼艇、辑私艇、公安巡逻艇、
港监艇等；按动力类型分有无动力艇、帆艇、机动艇。帆艇又分为无辅助动
力帆艇和辅助动力帆艇。机动艇又分为舷外挂机艇、艇内装机艇。艇内装机
艇还可分为小汽艇和豪华艇两个档次；而按照品质又可以分为高档豪华游艇、
家庭型豪华游艇、中档普通游艇及廉价游艇。
若按照游艇的船壳材料可分为有木质艇、玻璃钢艇、凯芙拉纤维增强的
复合材料艇、铝质艇和钢质艇。目前，玻璃钢艇占绝大比例，赛艇、帆艇、
豪华艇使用凯芙拉增强材料的较多；铝质艇在舷外挂机艇和大型豪华游艇中
占一定比例。
1.2 游艇的主要参数
1.2.1 尺寸
欧美FRP 游艇的尺度范围较大，艇长L oa =5m-44m，佛汝德数F N =1. 0~4. 5，
体积佛汝德数F N ∇=2. 0~6. 0(F Nv =v
g ∇) 。属于一种尺度相对较小、航
速较高、受力复杂、布置难度大、使用要求高的过渡型快艇或滑行快艇。
一般情况下，艇长在12m 以下属于小型快艇。佛汝德数F N >3.0时，艇体
重量几乎全部由作用在艇底的流体动力所支持，即为滑行艇。与排水型船考
虑的因素不同，快艇主要参数的选择应在满足定员舱布置要求的基础上，着
重考虑耐波性、操纵性及航行中的稳性等航海性能。图1所示为游艇的L 与B
的关系曲线；图2为L 与L/B的关系曲线。
其回归方程为：B=0.2022*Lw+1.8 或 Lw/B=0.0633*Lw+2.1 (1)
图
图2 L与L/B的关系曲线
1 L 与B 的关系曲线
据统计L/B=2.5-4.1,远小于F N 在0.3左右的中速普通排水型船。其目的
在于增加艇体展弦比，以提高水动力性能。从图中可以看出，在艇长较小时，
对应的L/B较小，随着长度的增加，L/B呈增加趋势。
对B/d随艇长的变化统计值为：在艇长为14m 以下时的B/d=4.0-5.5；
艇长大于14m 时，B/d值较平缓，在5.2-5.7之间，其值比中速普通排水型船
高很多（如 FN 在0.3左右的渔船，其B/d≤3.0）。这是由于快速游艇在航行
状态受力复杂，对稳性要求较高的缘故。
另外，这些游艇的干舷值亦比普通排水型船的大，这一点与普通客船类
似，因为大的干舷对大倾角稳性有利。
1.2.2 船型
如上所述，FRP 游艇属于过渡型快艇或滑行快艇范围，型线以折角型为主，
尾部采用方尾。一般常见的有单折角形（即在平板龙骨与舭部折角之间的艇底板
有1道纵向折角线）和双折角形（即在平板龙骨与舭部折角之间的艇底板有2
道纵向折角线）。其特点是增加艇底板的褶皱，产生数个小滑行平面，在增加滑
行效率的同时，增加艇底板的刚性。舭部折角线还可以起到舭龙骨的减摇作用。
尾部采用方尾，方尾的相对宽度 fB =BT /BX (BT ：方尾宽度；B X ：艇的最大宽
度) 表征尾部的收缩程度。对于高速快艇，适当增加f B 可以增加尾部水压力作用
不使艇体的航行纵倾过大，同时还可使尾部水流收缩不致太快，从而增加了“虚
长度”，因而对阻力性能有利。另外，方尾还具有有利于尾部上甲板、舵机舱和
推进器等布置以及增加稳性，便于施工等优点。
对于F N >3.0的高速游艇，一般采用深V 型，底升角在首部较大，最大可达
60°，由舯向尾升角逐渐减小，到尾板处升角接近0°。以减轻高速航行中的首
部拍击现象，有利于耐波性。尾部采用较平坦的纵剖线，可以减小高速水流的能
量损失，也可以使纵中剖面面积不至于过小，有利于满足操纵性的要求。
1.2.3 纵稳性
与普通排水型船不同，因为小型快艇的L/B相对较小，导致纵稳心半径
小，据统计艇长在10m 以下的游艇，其H/LW =1.1-1.6（H--纵向初稳性高；L W
—水线长），因此保证纵向稳性是小型快艇设计中的一个重要问题。
应适当减小FRP 游艇的进水角，并使浮心位置后移，这对减小剩余阻力
是有利的。为了减少高速艇的“海豚”现象，建议适当地把重心往前移向艇舯，浮心位置应位于重心之后附近，使游艇在静水中处于轻微首倾，在航行中随着速度的提高，浸水线不断向后缩短，浮心逐渐后移与水动力所产生的升力作用线合成使游艇首部抬起，这时不至于因升力作用点沿纵向变化而远离重心发生过大的纵向摇摆，即有利于纵向稳性。笔者对艇长在10m 以下的小型游艇的浮心纵向位置LCB 进行了统计，其取值范围在舯后（7%-10%）L 。
对于深V 型滑行艇，建议使用文献[6]提供的计算方法。克莱门特将62系列模型的稳定性试验资料整理为 C L 对F NV 关系曲线，如图3所示。不发l cp /b
生海豚运动的限界曲线可以用如下方程式表示： C L 1. 8=2. 5 (2) l CP /b F NV
式中：l CP --压力中心，即重心在艇尾板前面的距离，m ；
b—重心纵向位置处的艇体宽度（包括防溅条在内），m ；
FNV —排水体积佛汝德数，C L --动载荷系数， C L =∆
122ρv B 2 （3）
式中：∆--艇的排水量，kg ； ρ--水的密度，kgfs 2/m4；
v --艇的航速，m/s； B—平均艇宽，B =B X +B T ，m ； 2
BX —艇中部折角线处宽度，m ；B T --艇尾板折角线处宽度，m 。
使用图3曲线的方法是，先用（3）式计算系数C L ；再计算C L 和F NV ，l cp /b
然后判断点（F NV ，C L ）是否在稳定区内。 l cp /b
1.2.4 快速性
过渡型快艇的棱形系数C p 值的选取与设计航速有关。一般按略小于“理
论最佳棱形系数”的原则选定。这是因为这种艇的经常使用速度往往低于设
计速度。取略小于最佳的棱形系数，对阻力性能是有利的，相反的如果取“最佳值”，使艇经常处于不利状态下。
航速粗估在设计工作和营运工作中都是比较重要的，根据统计并回归，游艇航速与主机功率存在如下关系： V =0. 282⨯(MHP 0. 843) L （4） ∆
式中：V —游艇航速，kn ；
MHP—主机总功率，kw ；
∆--游艇排水量，t ；
L—水线长度，m 。
若将估算航速的（4）式与游艇资料绘制成图4，能很好地反映游艇V /l 与MHP 的关系。质艇在35米以上远洋大型豪华游艇中占比例较多。
∆
M H P /
V /L
图3系列62海豚运动界限图 图4 （3）式与实船资料比较
1.2.5 游艇材料
随着科技的发展，船艇设计的性能不断提高，人们对快艇速度的要求也在不断提高。快速游艇受到更高的强度负荷，这就要求其必须具备较高的强度和刚度。而具有刚性不足、强度有余特点的传统玻璃钢结构已不能满足现代高速艇的发展要求。
近几年对玻璃钢材料的改进主要体现在夹层结构、增强材料及树脂系统。对于夹层结构，目前采用夹心结构代替过去的单板结构。实践证明，夹心结
构在刚性方面明显地优于单板结构。目前国外出现了聚丙烯蜂窝状夹心材，
这种夹心材的抗弯、抗冲击强度都优于其它夹心材，而且还能达到阻燃效果，单位重量也低于其它夹心材，施工方法也比其它夹心材简单。
对增强材料和树脂系统的改进。近年来复合毡—合成纤维与玻璃毡组成的混合材料已得到应用。这种材料可提供更优的性能，更低的树脂含量，能更好地控制船体重量。例：将Kevlar 纤维与玻璃纤维组成混合增强材料，用于对强度负荷要求较高的高速船体上，仍能使船体重量减少12%，而且完全可以满足它的强度要求。
对表面胶衣系统的改进。现在世界上制造豪华玻璃钢游艇的厂家已开始使用一种称作Barrier coat的树脂。这种Barrier coat树脂用在胶衣层后面，湖制层前面。起到了一个胶衣层和湖制层之间压力传递和缓解的作用。有很好的防渗透能力。Barrier coat树脂与胶衣层和湖制层有着非常好的化学共溶性，非常强的粘接强度。在玻璃钢船艇上使用结果表明，Barrier coat 树脂层还能减少胶衣层的破裂现象。
2. 游艇受力分析及性能要求
2.1作用在船体上的力
船舶从建造、下水、停泊、航行及进坞修理等全部过程中，受到各种外力的作用，这些外力常常会使船体结构产生变形或损坏。船体受力主要有总纵弯曲力、横向载荷和其它局部力。
2.1.1 船体的总纵弯曲
船体的总纵弯曲是指作用在船体上的重力、浮力、波浪水动力和惯性力等而引起的船体绕水平横轴的弯曲。它由静水总纵弯曲和波浪总纵弯曲两部分迭加而成。
（1）船体静水总纵弯曲
船舶在静水中受到的外力有船舶及其装载的重力和水的浮力。重力P 的方向向下，浮力D 的方向向上。重力和浮力在静水中处于平衡状态，即重力和浮力大小相等方向相反，作用在同一铅垂线上，见图5-a ）。
但对于船体的某一段，重力和浮力的大小并不相等，如图5-b) 所示。重力
大的一段有下移的趋势，浮力大的一段有上移的趋势。由于船体是一整体结构，各段不可能发生上下移动，在船体结构内必然有内力产生，使船体发生弯曲。当船体中部向上弯曲时，称为中拱弯曲；当船体中部向下弯曲时，称为中垂弯曲。船体弯曲时，在船体内产生弯曲力矩，弯矩的最大值在船体的中部，向首尾部逐渐减小，见图5-c) 。由于船舶装载情况及船体浸水部分形状总是变化，因而船体各段重力和浮力的不平衡也总是存在。
图5 船体静水总纵弯曲 图6 波浪中的总纵弯曲
a)中拱弯曲 b)中垂弯曲
（2）船体波浪总纵弯曲
在波浪状况下，船体内产生的总纵弯矩会比静水中大。当波长与船长相等或接近时，船体的弯曲最严重。
其弯曲形式如图6所示：
（a ）波峰在船中时——中拱弯曲——甲板受拉伸、底部受压缩； （b ）波谷在船中时——中垂弯曲——甲板受压缩，底部受拉伸。
2.1.2 作用在船体上的横向载荷
船体在静水或波浪中，它的各部分结构还受到局部的水压力和货物等横向载荷，会产生局部弯曲及其它局部受力情况。
作用在船体上的其它力有：船体上机器和螺旋桨运转时的振动力，船首端的波浪砰击和水面漂浮物的撞击等局部的外力，油船的油货舱内液体的晃动载荷，以及船舶进坞或搁浅时受到船底下墩木或河床的反力作用等。
此外，船舶在波浪状态下航行，由于升降、俯仰和摇摆等运动而产生惯性力，这对船体结构会产生不利的影响，例如船舶横摇时会引起肋骨的歪斜
和船体的扭曲。
2.1.3 其它局部受力情况
作用在船体上的其它力有：船体上机器和螺旋桨运转时的振动力，船首端的波浪砰击和水面漂浮物的撞击等局部的外力，油船的油货舱内液体的晃动载荷，以及船舶进坞或搁浅时受到船底下墩木或河床的反力作用等。
此外，船舶在波浪状态下航行，由于升降、俯仰和摇摆等运动而产生惯性力，这对船体结构会产生不利的影响，例如船舶横摇时会引起肋骨的歪斜和船体的扭曲。
2.2 船壳性能要求
作为良好的船壳材料应该具备以下一些特点：
1.质量轻强度大；
2.耐腐蚀好、能够抗海生物附着，从而更加适应在海洋环境中使用；
3.能够吸收高能量，冲击韧性好，这样船舶不易因一般的碰撞、挤压而损坏；
4.导热系数低，隔热性好；
5.船体表面能达到镜面光滑，色彩多样，从而可以建造结构复杂、款式多样、外形美观的游艇；
6.可设计性好，能按船舶结构各部位的不同要求，通过选材、铺层研究和结构选型实现优化设计；
7.整体性好，可以做到整个船体无接缝和缝隙；
8.船体成型简便，可以批量生产，低价制造；
9.易于保养，使用寿命长，维修成本低。
3 玻璃钢船壳结构设计
3.1 玻璃钢的特点
目前使用比较广泛的船壳材料是玻璃钢，因为玻璃钢可以满足很多作为船壳材料所需的特殊性能，并且要优于很多传统船壳材料：
1 轻质高强
玻璃钢的相对密度在1.5-2.0之间，只有碳钢的1/4-1/5，可是拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP 的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa 以上。
2 耐腐蚀性能好
玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种
油类和溶剂都有较好的抵抗能力。
3 热性能良好
玻璃钢热导率低，室温下为1.25-1.67kJ/（mhK ），只有金属的1/100-1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
4 可设计性好
（1）可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可
以使产品有很好的整体性。
（2）可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐
瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。
5 工艺性优良
（1）可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工
艺。
（2）工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易
成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。
3.2 玻璃钢复合材料的泡沫夹层结构
尽管玻璃钢作为一种造船材料已经确定无疑，然而，在实践中人们发现
玻璃钢应用于造船方面还有很大的潜力。当初玻璃钢能够成为新兴船壳材料并逐渐发展成为最重要的船壳材料之一的原因就在于其质量轻强度高，而现在就要在保证其强度的基础上进一步减轻其重量，以提高其性能，由此想到了在玻璃钢材料中添加泡沫夹层。
泡沫芯材为孔隙材料芯材，可以起到减轻结构的重量，增加结构的刚度，
提高结构的强度等作用。夹层结构一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这五个要素组成了一个整体的夹层结构。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁（见图7），上下面板（翼板）主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由横向力产生的剪应力（见图8）。
图7 工字梁和夹层结构的对比 图8 夹层结构对称间支梁的弯曲
为了使夹层结构的各要素能协同承载，面板与芯材之间的粘接层必须能
传递荷载，这样至少应具备和芯材一样的强度。通常，如果加载以后，夹层结构的芯材发生破坏，其破坏位置一般位于粘接层下面的芯材部分，因为粘接层芯材表面的孔隙中由于填充了胶粘剂／树脂，提高了粘接层泡沫的强度。选择正确的胶粘剂对夹层结构的强度也有非常重要的意义，通常在选择胶粘剂的时候除了强度以外，还需要考虑使用温度、烟雾条件及其与芯材的面板材料的兼容性。如果选择与面板材料共固化，则胶粘剂或胶膜的固化条件需要与面板的共固化条件相一致。
表1 夹层结构和非夹层结构的刚度和重量之对比
表1中的结构构造是常见的FRP 船舶中的铺层设计。可以看出，在弯曲刚
度相近的情况下，夹层结构的重量比非夹层结构减轻很多。
泡沫夹层结构的优点还有：良好的隔热和隔音性能、抗冲击损伤性能及施工简便性等。在夹层结构中由于芯材是孔隙材料，整个夹层结构的导热系数和R 值均比非夹层结构低。由于层合板的层数减少，降低了铺层制作成型的工作量，同时因为夹层结构的刚度较高，减少了加筋的数量，这有利于冲击荷载的扩散。此外，孔隙芯材还能降低船舶航行中的噪声。
3.3 玻璃钢夹层结构的设计
高速船为了减轻船体重量, 在舷侧板、甲板、舱壁板、尾封板(通常为胶合
板芯) 和上层建筑甲板室的壁板采用玻璃钢夹层结构。这些板的基本受力形式有横向弯曲、板面内压缩和剪切等。由于夹层结构中芯材性能较低, 故在进行夹层结构设计时有一些特殊要求。
3.3.1 玻璃钢夹层结构弯剪强度设计
玻璃钢夹层结构弯剪时剪切强度主要由芯子承受, 面板仅起部分作用。相对
于航空产品结构, 船用夹层结构的面板是较厚的, 故在船舶设计的规范中应计及此影响。
设夹层板条梁的跨距即板格短边长为S , 受均布载荷P , 则夹层板条梁端点
处剪应力τ最大为 τ=0. 5PS /d （5）
式中d 为夹层板面面板中心线间的距离。夹层板总厚度，t =d +t f ，t f 为面
板厚度。
中国船级社的《海上高速船入级与建造规范》中规定, 夹层结构的许用剪切
应力 [τ]=0. 35τs （6）
τs 为为夹层结构板的弯剪强度, 可以表示为 τs
式中 =k τc （7） f τc 为芯材的剪切强度，k 为系数，与泡沫塑料的品种及 d /t 有关， k ≥1是表征面板对弯剪强度的贡献。通过对试验结果的回归统计, 得
出下列统计曲线公式：
对于聚氨酯泡沫塑料为： k =4. 19(d /t f ) -0. 523 （8）
7 k =1. 29[(d /t f 3) 1/2]-0. 55 （9）
对于聚氯乙烯泡沫塑料为： k =7. 91(d /t f ) -0. 863 （10）
k =1. 42[(d /t f 3) 1/2]-0. 76 1 （11）
对于胶合板芯为： k =1. 33(d /t f ) -0. 113 （12）
用式( 7) ～( 12) , 并用许用剪切应力, 可按式( 5) 求出d 。
通过上述统计分析, 得出下述简化公式（适用于d /t f =6~12 范围）：
PU 芯夹层板： k =1. 86-0. 06(d /t f ) （13）
PVC 芯夹层板： k =1. 66-0. 067(d /t f ) （14）
胶合板芯夹层板： k =1. 14-0. 012(d /t f ) （15）
3.3.2 夹层结构骨材的弯曲强度设计
通常玻璃钢船体的板, 不论是单板还是夹层板, 都是借助骨材来加强的。这
些板从局部强度角度看, 主要承受与板表面垂直的横向载荷, 因而支撑板的骨材主要受弯曲。中国船级社的《海上高速船入级与建造规范》中, 根据弯曲强度提出了骨材的最小剖面模数要求(包括骨材的有效带板) 。
3.3.2.1 骨材本身的剖面模数
通过试验实测证明, 对于PU 、PVC 泡沫塑料骨材, 泡沫塑料可视为无效芯材, 计算剖面模数时可忽
略不计。对于胶合板芯和松木芯的骨材, 芯材应视为有效芯材, 这种骨材的弯
曲刚度D 及惯性矩J 按下二式计算 ：
D =E f J f +E c J c （16）
J =J f +E c /E f J c （17）
式中J f 、J c 为惯性矩, E f 、E c 为弹性模量, 其下标 “f ”表示玻璃钢, “c ”表示芯材。
在计算骨材的剖面模数时, 应计及玻璃帽型腹板和芯子受剪变形对弯曲应
力增加的影响。实测结果说明:对于空心及无效芯材的骨材, 弯曲应力增加至
1. 5～1.7 倍; 对于胶合板、松木芯骨材, 弯曲应力增加至1.2 倍左右。
另外, 在实际成型骨材中多少有一些工艺质量缺陷, 通过人为皮芯脱胶骨材
( 脱胶面积随机, 分别为10%,20%,30%) 试验表明, 由于皮芯的随机脱胶, 使骨材弯曲强度降低10%左右。
3.3.2.2 有效带板宽度
玻璃钢帽型骨材及其附连翼板(简称 “带板”) 在承受弯曲时, 带板上的应力分布沿板宽度方向是不均匀的。从试验实测的应变分布, 按下式求出实测的有效带板宽度b e
b
b e =⎰ε(y ) dy /εm ax （18）
max 式中b 为骨材间距; ϵ(y) 、ϵ分别为应变、最大应变。
3.3.3夹层结构纵桁的剪切强度设计
针对玻璃钢高速艇的船底纵桁或龙骨在受到船底波浪冲击力作用时, 纵桁或龙骨的跨距端点处将受到最大剪切力的作用, 通常玻璃钢高速艇的船底纵桁或龙骨采用高矩形剖面, 以胶合板或松木为芯材外包玻璃钢的夹层结构梁形式。通过试验及分析认为, 夹层结构纵桁剪切强度计算可按包括玻璃钢表皮在内的横剖面面积, 许用剪切应力可采用芯材的许用剪切应力( 即不计及玻璃钢表皮对纵桁剪切强度的影响) 。
根据以上公式可以计算出理论上船壳的厚度，以及表面玻璃钢硬质层与夹层
泡沫芯材厚度之比。但是在实际制造过程中，玻璃钢船壳厚度与船体长度有关，其平均厚度约为艇长的千分之一（对于具有大面积非支撑加强的扁平船体的机动艇，壁厚往往要增加百分之二十）。对于玻璃钢夹层结构，泡沫芯材夹层占总厚度的3/4,两面玻璃钢硬质层厚度占1/4，这样的比例可以保证作为船壳的强度要求，同时将质量降到最低。
3.3.4 结构设计图及尺寸
（1）游艇整体结构及船体尺寸如图9：
图9 游艇外观及尺寸
（2）船壳玻璃钢泡沫芯材示意图及尺寸如图10(图注尺寸为船壳厚度的理想平均值
)
图10 玻璃钢泡沫芯材尺寸
针对上面的设计图所示的游艇，其艇长为5.22m ，船壳厚度约为艇长千分之一，实际制造中往往还会预留10%~20%的壁厚，所以船壳总厚度约6cm ，再由船壳玻璃钢硬质层与泡沫芯材厚度比为1︰3，由此可得船壳玻璃钢复合层尺寸，如图10所示。
4. 泡沫芯材的选择
玻璃钢/复合材料（FRP/CM）中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC ）、聚苯乙烯（PS ）、聚氨酯（PUR ）、丙烯腈-苯乙烯（SAN ）、聚醚酰亚胺（PEI ）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI ）等泡沫，其中PS 和PUR 泡沫通常仅作为浮力材料，而不是结构用途。目前PVC 泡沫已几乎完全代替PUR 泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外。
4.1 泡沫芯材的发展历程
严格意义上讲，第一种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材是使用异氰酸酯改性的PVC 泡沫，或称交联PVC 。第一个采用PVC 泡沫夹芯的夹层结构是保温隔热车厢。交联PVC 的生产工艺是由德国人林德曼在上世纪30年代后期发明的。二次大战以后法国将该工艺列入战争赔偿中，由克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司（Kleber Renolit ）开始生产Klegecell 交联PVC 泡沫，主要是一些用在保温隔热车厢中的低密度产品。
上世纪50－60年代，克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司给几家欧洲公司发放了PVC 泡沫的生产许可证。另外两家美国公司，B.F 歌德雷奇（B.F Goodrich ）和佳士迈威（Johns-Manville ）也买到了许可证开始生产，但是几年以后就停产。当所有的生产许可证都过期以后，交联PVC 的生产工艺过程转为公开。进入70年代以后，多数原来的欧洲许可生产厂家也已停产。目前两个主要的生产厂家是戴博（Diab ）公司的Divinycell 和Klegecell 系列PVC 泡沫及爱瑞柯斯（Airex ）公司的Herex 系列PVC 泡沫。
20世纪40年代后期，林德曼使用高压气体作为发泡剂，制造出未经过改性的PVC 泡沫，也叫线性PVC 泡沫。
英国于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美国道化学有限公司用
挤出法大批量的生产聚苯乙烯泡沫塑料。
第二次世界大战期间，德国拜尔的试验人员对二异氰酸酯及羟基化合物的反应进行研究，制得了PUR 硬质泡沫塑料、涂料和粘合剂。1952年，拜尔公司报道了软质聚氨酯泡沫塑料的研究成果。
1993年，加拿大的ATC 公司开始生产SAN 泡沫。其制造工艺和线性PVC 相似。PMI 泡沫是由德国罗姆（Rohm ）公司于1966年首先用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯热塑性树脂在180下发泡并交联制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的技术，接着日本的积水化学公司于1967年使用辐射交联方法制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
4.2 常见泡沫芯材的性能和应用
交联PVC 泡沫：这种泡沫是由热塑性的PVC 和交联热固性聚氨酯组成，通常简称交联PVC 泡沫，其主要产品型号为 Divinycell、Klegecell 以及Herex C。交联PVC 的强度和刚度比线性PVC 的高，但是韧性要差。交联PVC 泡沫的热稳定温度为120℃。所以在和环氧预浸料共同使用时，需要注意PVC 的热蠕变性能。使用温度范围为-240℃－+80℃，并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管PVC 泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC 泡沫可用于有严格防火要求的结构中，例如列车车厢等。但是需要注意的是PVC 在燃烧以后，会产生HCl 。
PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。PVC 泡沫主要用在一些不需要压力罐的工艺中。选择固化工艺方法时，应虑及PVC 泡沫在温度升高时会释放气体，在采用RTM 工艺时需要注意。交联PVC 泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中。主要厂商有Airex 和Diab 公司，有多种不同的型号和密度可供选择。
线性PVC 泡沫：这类泡沫具有高的韧性、良好的抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能。线性PVC 泡沫的强度和刚度相对交联PVC 来讲要低。在施工过程中需要注意的是，树脂中的笨会渗透到泡沫里面，使树脂固化不完全，同时引起泡沫降解。这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭舷部。目前主要产品是Airex 公司的Airex R63系列。
PS泡沫：曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其具有重量轻（40kg/m3），
成本低，易于机械加工等主要优点，但因力学性能差，很少在高性能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使用，因为树脂中含有的苯会降解泡沫。
PUR泡沫：与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR 泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度是150℃左右，吸声性能良好，其成形非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR 泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。国内国外有众多的生产厂商。
SAN泡沫：它属于热塑性材料，如加拿大ATC 公司生产的Corecell 泡沫，主要是针对船舶市场而开发的。发泡制作工艺和线性PVC 的工艺基本相同。性能也和线性PVC 基本相同，热稳定性能比线性PVC 好，相当于普通交联PVC 。大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN 泡沫代替线性PVC 泡沫。
PEI泡沫：由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能，不过其价位相对较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194℃－+180℃。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在飞机和列车内使用。目前市场上有Airex 公司的Airex R82 PEI泡沫。
PMI 泡沫：在相同密度的条件下，PMI 是强度和刚度最高的泡沫材料。其高温下耐蠕变性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI 泡沫经适当的高温处理以后，能满足190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用与环氧或BMI 树脂共固化的夹层结构构件中。PMI 泡沫是采用固体发泡工艺制作，其为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。目前市场上有德国德固赛（Degussa ）公司生产的ROHACELL 和日本积水化学公司生产的FORMAC 之PMI 泡沫。
5 泡沫芯材的加工使用方法
5.1泡沫芯材的加工
机械加工泡沫芯材：大多数泡沫芯材可以使用木工工具加工或成形，包括带锯，车削，穿孔，打磨和仿形。在切割过程中，因为材料的导热系数低 ，高密
度泡沫的给进速度应略低一些，否则材料会发热，甚至烧焦。在加工泡沫以前，最好先和制造厂家联络，因为每种泡沫的性能都有不同的特点。加工泡沫材料时，使用的锯条要求相邻的锯齿拌开，这样在锯切过程中，通过锯齿带出切割过程中产生的锯屑，然后用真空装置吸除。
特殊分格板：对于不同的用途，泡沫芯材的厂家可以提供各种不同的分格板，满足各种夹层结构外形的需要。其一面用玻璃纤维网格粘接，泡沫切成1" x 1" 的正方形小块，这样泡沫板就可以自由变形；另外一种是两面切割，或三个方向切割。泡沫还是切割成1" x 1"的正方形小块，但是切割的深度是整个厚度的2/3。这样泡沫板芯材有了一定的自由变形能力，但是这样切割的主要目的为了使树脂流动，且手糊过程中排出气体，此外一般厂家还可以提供表面有沟槽的泡沫芯材，表面沟槽的深度一般为0.12" ，在面板相对较厚情况下，用作真空注射过程中的树脂流动通道。
5.2泡沫芯材的使用
材料的准备：泡沫材料必须在干燥的环境下保存，否则会影响其与面板的粘接。同时，对于PMI 泡沫应予以特别的注意，因为PMI 泡沫在吸水后，热蠕变性能会下降。泡沫上的灰尘应使用真空吸尘器吸除，或用压缩空气吹除，但要记住，千万不能用水或什么其他的液体冲洗。冲洗的结果只能使灰尘进入泡沫表面的开孔中。某些强烈的溶剂（例如丙酮）还有可能降解表面的泡沫材料，降低芯材与面板的粘接强度。清洁干净的泡沫表面与面板粘接后，一般粘接强度不会出什么问题。
FRP 泡沫夹层板的制作：泡沫几乎适用于所有的FRP 成型制作工艺。复合材料夹层结构的主要成型工艺有：手糊／喷射成型，真空袋／注射成型及预浸料／热压罐成型等。
在手糊／喷射工艺中，芯材与面板之间的粘接非常重要。一般常见的船舶泡沫夹层板依次由胶衣层，短切毡层，外面板FRP 铺层，泡沫芯材和内面板FRP 铺层。必须注意的是在内外面板与泡沫之间，需要加上一层特别的粘接基层，将泡沫与面板材料粘接。这层的材料是CBA （Core Bond Adhesive，例如Divilette, Corebond, Baltekbond 等）或富树脂的CSM （短切毡）。CSM 的最小厚度为
225g/m2，树脂与纤维的重量比为3：1左右。CSM 浸润树脂以后，在泡沫表面涂覆与层合板相同的树脂，以填充泡沫表面的开孔，然后埋入CSM 中。泡沫芯材埋入CSM 或CBA 的过程可以使用真空袋辅助均匀加压。
在使用真空袋的工艺中，如果泡沫芯材是有切口的分格板，在加压以后，泡沫均匀地压入粘接基层中，树脂或CBA 就填入泡沫切口。大多数的真空袋工艺的过程是：在底部面板铺层的基础上，先加泡沫粘接基层，再铺设泡沫夹层，然后使用真空袋将泡沫压入粘接基层中。当采用真空辅助成型工艺时，则需要在泡沫上面覆盖一层剥离层，剥离层外面是透气毡，透气毡的外面才是真空袋膜。剥离层常常采用一层薄的尼龙膜，而透气毡的作用是使真空压力能均匀施压在泡沫的表面。
另外一种能确保泡沫芯材的切口能被全部填充的方法是使用树脂注射工艺。其工艺过程为：先将未浸胶的玻璃纤维和芯材铺设在模具中，再使用真空袋密封，待抽真空以后，注入树脂，浸润纤维和芯材。通常将树脂分散传递到构件各个部位的方法是利用泡沫芯材表面的沟槽或切口，来引导树脂的流动。采用这种工艺方法制作的夹层结构具有纤维含量高、铺层时间不受限制、不需要手糊树脂并进行压实等优点。
另外一种高端的工艺过程是预浸料／热压罐或真空袋成型。由于PVC 泡
沫通常的固化温度不超过80oC ，在加温加压以后，泡沫孔隙中的气体会释放出来，从而破坏芯材与面板之间的粘接。但如果PVC 泡沫经过特殊的热处理，则可以达到120oC ，1Bar 以上，例如Divinycell HT, Klegecell TR, 和
Airlite/Herex C71，而且热处理还会提高泡沫的热尺寸稳定性，即泡沫的热蠕变性能。
6 玻璃钢游艇模型船壳的制作
玻璃钢船体的制作工艺有多种，其中比较常见的有两种，第一种是直接
制作木质阴模，在模具上成型FRP 船壳，这种方法适合于一条或几条船的生产，特点是成本低廉，制作简单。第二种是先制作木质阳模，再用阳模翻制F RP 阴模，利用FRP 阴模成型船壳。后一种方法适合于批量生产。下面介绍的是玻璃钢模型船体利用上述两种方法的制作流程。
6.1 阳模法制作模型船壳
使用阳模法制作模型船壳简单，比较适合初次制作模型的爱好者。但由于工艺的特点，表面比较粗糙，误差比较大，外型需修整加工。其制作过程如下：
（1）制作阳模可用木材、发泡塑料、石蜡等材料。将所选材料放置在平整的工作台上，再依据图纸按模型的船长、宽、型深的最大轮廓尺寸制成长方体坯料。
（2）按线形图在坯料上放样。在俯视面、侧视面、和端面上分别画出甲板边线、中纵剖面和尾板轮廓线。
（3）用锯、刨、铲、锉等手段去掉上述三种轮廓线以外的多余部分，形成阳模雏形的模坯。
（4）按线形图各站号的线型，用硬卡板纸或塑料板做成卡板。在模坯上个战位处按相应的卡板进行加工。加工过程中，要随时用相应号位的卡板测量，务必使加工处的线形与卡板线形相吻合。把各个站点的线型依次加工并及时将两个站号之间的多余部分修整掉。但要特别注意两个站号之间不是直线，而是弧线。如果做了纵剖线卡板，在这一过程中要配合使用。这是保证模型与图纸是否一致的关键所在，一定要严格要求，仔细加工。
（5）各站均加工到位后，用卡板进行最后的校整，吻合后用砂纸把模具全面打磨光顺。
（6) 对模具进行表面喷漆处理，与其他模型表面处理的流程和方法一样。一般喷漆要进行3-8遍，直至看不到表面的木纹，很光滑为止。如对表面还不十分满意，可再多打几遍腻子、多喷几遍漆，直到满意为止。至此一个准确的M 级帆船模型外形胎具就完成了。
（7）在使用模具前，一定要让模具的漆彻底干透。选用0.1-0.3毫米厚的直纺玻璃纤维布，按照船体的大小，剪裁成足以盖严阳模的布块；逐一放到烤箱里进行15分钟的加热，温度控制在130-150℃，以去掉残留在纤维表面的蜡质，有利于树脂胶能充分渗透到玻璃纤维之间。若没有烤箱，此工作可在电炉上进行，对玻璃布进行加热烘烤去除蜡质。
（8）涂刷脱模剂。在阳模表面喷、涂一层聚乙烯醇溶液（也可选用化工商店的其他类型的脱模剂）。喷涂要进行2-3遍；待第一遍干透，在喷或刷第2、
3遍。如没有脱模剂，可在阳模表面均匀地涂一层汽车上光蜡，再涂一层黄油或凡士林。这道工序看似简单，但非常重要。模具表面都要涂到，不能遗漏。
（9) 配置环氧树脂胶液。准备工作完成后，才能配置环氧树脂胶。目前可用于裱糊玻璃布的环氧树脂胶种类很多，各有特点，爱好者应根据自己的具体情况选用, 由于环氧树脂的牌号很多，性能不同，即使同一牌号，因生产厂家不同，质量和性能也有差异。因此，在大量配置环氧树脂胶前最好先进行小计量试验，以确定最佳配方。这样才能做到心中有数。环氧树脂胶的配方由环氧树脂、增塑剂（二丁脂）、固化剂（乙二胺、二乙烯三胺等）组成。环氧树脂的固化机理是一个化学反映过程，对组成成分的重量比例要求非常严格。任何比例上的变化都会对固化和船壳质量造成影响，因此必须严格掌握。具体配比要按使用说明书进行，根据实际需要用量，按比例准确称重，混合在一起，充分搅拌后就可以用于蒙船壳了。
（10）裱糊船壳时最好两人配合进行，戴好医用手套，作好个人防护。将剪裁好、去腊的玻璃布覆盖在阳模上；把配好的胶液均匀地往玻璃布上涂刷，并顺着玻璃布的纤维走向反复涂刷；使胶液尽量浸润纤维，但不要在纤维间的胶过量。一层糊好后，再蒙第二层玻璃布，重复上一过程。这样层层进行。每层的气泡一定要挤压出去。一般糊三四层即可。蒙完最后一层后，随即用塑料薄膜覆在其外面拉紧，把气泡和多余的胶液挤出来，并使外表面比较光滑。
（11）固化条件: 一般可以常温固化，在摄氏25度以上，自然放置12小时就能凝固；24小时就能固化。如果没有烘箱，可在环氧树脂胶初步固化后，把模具连同船壳一同放在强烈的阳光下爆晒4-6小时。有烘箱的话，可将模具连同船壳一同放置于100℃的烘箱里，经过3个小时的处理。这样不但固化时间缩短，船壳强度会有很大提高。但要注意，必须慢慢地逐步往上升温，到达所需温度并保持一定时间后，再慢慢把温度降下来；不能马上打开烘箱，回到自然温度。
（12）脱膜： 经过24小时以上的完全固化后，清除覆在船外的塑料薄膜，修去模具外面的飞边，就可以将船壳从阳膜上脱下。用钢板尺或长而薄的塑料板条，顺着两舷向船壳与模具间的缝隙中往里插，使缝隙逐渐扩大，再沿船舷将船壳往外扒。要渐次进行，每次幅度不能过大，逐渐脱下。然后去掉多余的
毛边，擦净内表面，用有机溶剂清除脱模物质（有利模型组装），这样船壳就完成了。
6.2 阴模法制作模型船壳
制作表面光洁度高的船壳，采用阴模工艺比较适宜。要制作出好的阴模，
一定要先做一个高质量的阳模，方法如前所述，阳模做好后在它的外面再蒙一层玻璃钢，并进行仔细的打磨喷漆，使其表面非常平滑光洁，用于翻制阴模。其制作工艺过程与在阳模上糊船壳一样。下面介绍做模具的方法。
（1）作为模具需要很高的强度，这样才能保证不变形。一般其厚度在0.5-0. 8毫米，用料远远多余糊船壳。为了增厚快，可选用厚玻璃布。使用的胶液可选用价格便宜的不饱和树脂。其配方与环氧树脂胶有所不同。
（2）翻制阴模要先在涂了脱模剂的阳模上涂一层胶，业内人士称为胶衣；待3-4小时胶衣初步固化后，即可在胶衣层上蒙玻璃布，涂树脂胶。要一层一层地糊，达到所需厚度为止；一般6-8小时固化；12小时后即可脱模。在这一过程中进行加温效果更佳。
（3）修整阴模。充分固化后将阴模具从阳模上脱出。阴模具表面应当非常平整光洁。如偶有小气泡孔或不平整，需仔细修补和抛光。
（4）在用阴模翻制船壳时，最好采用环氧树脂胶。具体过程与前阳模方法相同。使用阴模翻出的船壳，其表面光洁度是相当好的。
结论
随着游艇在全世界范围内的流行，必然会有更多的前沿科技应用到游艇制造上，而泡沫芯材在造船行业的应用也越来越普遍，泡沫芯材有各种各样不同的类型、密度和使用方法。在使用、设计泡沫芯材夹层结构的过程中，芯材的选择非常关键。必须考虑到使用环境、固化方法、荷载要求和综合成本等诸多因素。 参考文献
[1] R.Sunseeker. International Limited SUNSEERK INTERNATIONAL .
2004. England.
[2] R. Celebrity. Boats Corporation CELEBRITY. 2001. Canada.
[3] R. BAYLINER. AQUATIC SUPPLIES DIRECTORY. 2001. America.
[4] R. Fairline. Corporation FAIRLINE. 2004. England.
[5] Vinson J R. The behavior of sandwich structures of isotropic and composite Materials. CRC. 1999.
[6] 邵世明. 王云才. 高速艇动力学. 上海交通大学出版社. 1990. 9~120.
[7] 王胜国. 玻璃钢船结构发展趋势. 江苏船舶. 1997. 19~20.
[8] 周祝林、张长明. 舰船用玻璃钢夹层结构设计基础. 中国造船. 2004. 43~48.
[ 9] 李明、李华彦、张莹 . 现代玻璃钢游艇综述. 船舶. 2006. 1~5.
[ 10] 张信田. 聚氯乙烯泡沫塑料夹层结构在现代造船中的应用. 纤维复合材 料. 1990. 35~41.
[11] 薛忠民. 中国股和材料/玻璃钢工业50年. 玻璃钢/复合材料. 2009.
[12] 石勇、朱锡 等. 水中夹层复合材料表面声反射的研究. 哈尔滨工程大学学 报. 2006. 181~184.
[13] 张汝光. 玻璃钢蜂窝夹层结构的平压破坏形式和强度预测. 玻璃钢. 1999. 1~8.
[14] 周祝林、吴群益 等. .高速船玻璃钢夹层结构件原材料力学性能分析. 玻璃 钢. 1996. 1~8.
[15] 谢克磊、曲春艳、王德志 等. 聚甲基丙烯酞业胺(PMI)泡沫塑料的制备及 研究进展. 化工新型材料. 2008. 34~36.
[16] 刘峰. PMI 泡沫壳体夹层结构设计及力学性能研究. 哈尔滨. 哈尔滨工 业大学. 2011.
[17] 安洋. 复合材料层壳结构参数优化设计及其稳定性分析研究. 西安. 西 北工业大学. 2007.
[18]王华吉. 复合材料蜂窝夹层结构制备及其力学性能分析. 哈尔滨. 哈尔滨工 业大学. 2010.
J I A N G S U U N I V E R S I T Y
复合材料结构课程设计
游艇船壳复合材料夹层结构设计
学院名称： 专业班级： 姓名、学号：
指导教师：
二Ｏ一二年六月
目录
摘要................................................................................................................................ 1
1 游艇简介.................................................................................................................... 1
1.1 概述及简单分类............................................................................................. 1
1.2 游艇的主要参数............................................................................................. 2
1.2.1 尺寸...................................................................................................... 2
1.2.2 船型...................................................................................................... 3
1.2.3 纵稳性.................................................................................................. 3
1.2.4 快速性.................................................................................................. 4
1.2.5 游艇材料.............................................................................................. 5
2. 游艇受力分析及性能要求......................................................................................... 6
2.1作用在船体上的力.......................................................................................... 6
2.1.1 船体的总纵弯曲.................................................................................. 6
2.1.2 作用在船体上的横向载荷.................................................................. 7
2.1.3 其它局部受力情况.............................................................................. 8
2.2 船壳性能要求................................................................................................. 8
3 玻璃钢船壳结构设计................................................................................................ 8
3.1 玻璃钢的特点................................................................................................. 8
3.2 玻璃钢复合材料的泡沫夹层结构................................................................. 9
3.3 玻璃钢夹层结构的设计............................................................................... 11
3.3.1 玻璃钢夹层结构弯剪强度设计...................................................... 11
3.3.2 夹层结构骨材的弯曲强度设计...................................................... 12
3.3.3夹层结构纵桁的剪切强度设计......................................................... 13
3.3.4 结构设计图及尺寸............................................................................ 13
4. 泡沫芯材的选择....................................................................................................... 15
4.1 泡沫芯材的发展历程................................................................................... 15
4.2 常见泡沫芯材的性能和应用....................................................................... 16
5 泡沫芯材的加工使用方法...................................................................................... 17
5.1泡沫芯材的加工............................................................................................ 17
5.2泡沫芯材的使用............................................................................................ 18
6 玻璃钢游艇模型船壳的制作.................................................................................. 19
6.1 阳模法制作模型船壳 .................................................................................. 20
6.2 阴模法制作模型船壳................................................................................... 22
结论.............................................................................................................................. 22
参考文献...................................................................................................................... 22
游艇船壳复合材料夹层结构设计
摘要：游艇作为一种高级高级水上娱乐工具，谁到越来越多的私人或团体组织
的青睐。近年来，为提高游艇性能，越来越多的高科技专利、新型材料被应用到
游艇上，其中作为船身主体的船壳材料自然首当其冲的成为重点研究对象。本文
主要从受力分析、材料选用等方面来分析设计玻璃钢夹层结构。
关键词：游艇 玻璃钢 夹层结构 泡沫芯材 制备
1 游艇简介
1.1 概述及简单分类
游艇，是一种水上娱乐用高级耐用消费品。它集航海、运动、娱乐、休闲等
功能于一体，满足个人及家庭享受生活的需要。在发达国家，游艇像轿车一样多
为私人拥有，而在发展中国家，游艇多作为公园、旅游景点的经营项目供人们消
费，少量也作为港监、公安、边防的工作手段。游艇是一种娱乐工具这一本质特
征，使它区别于作为运输工具的高速船和旅游客船。
游艇可以有多种分类标准，如尺寸、功能、动力类型、品质、船壳材料
等。
按游艇尺寸大小来分，在国际标准中游艇的规格是以英尺计算的，从尺
寸大小上分为三种：36英尺以下为小型游艇、36-60英尺为中型游艇、60英
尺以上为大型豪华游艇，细分下来可以有小型艇（6米以下）、小型游艇（6～
10.5米之间）、中型游艇（10.5～18米之间）、大型游艇（18米以上）。大型
豪华游艇在尺度上分35～40米、41～44米、45～49米、50～54米和55～60
米五个等级。
按功能分有休闲艇、商务交际艇、赛艇、钓鱼艇、辑私艇、公安巡逻艇、
港监艇等；按动力类型分有无动力艇、帆艇、机动艇。帆艇又分为无辅助动
力帆艇和辅助动力帆艇。机动艇又分为舷外挂机艇、艇内装机艇。艇内装机
艇还可分为小汽艇和豪华艇两个档次；而按照品质又可以分为高档豪华游艇、
家庭型豪华游艇、中档普通游艇及廉价游艇。
若按照游艇的船壳材料可分为有木质艇、玻璃钢艇、凯芙拉纤维增强的
复合材料艇、铝质艇和钢质艇。目前，玻璃钢艇占绝大比例，赛艇、帆艇、
豪华艇使用凯芙拉增强材料的较多；铝质艇在舷外挂机艇和大型豪华游艇中
占一定比例。
1.2 游艇的主要参数
1.2.1 尺寸
欧美FRP 游艇的尺度范围较大，艇长L oa =5m-44m，佛汝德数F N =1. 0~4. 5，
体积佛汝德数F N ∇=2. 0~6. 0(F Nv =v
g ∇) 。属于一种尺度相对较小、航
速较高、受力复杂、布置难度大、使用要求高的过渡型快艇或滑行快艇。
一般情况下，艇长在12m 以下属于小型快艇。佛汝德数F N >3.0时，艇体
重量几乎全部由作用在艇底的流体动力所支持，即为滑行艇。与排水型船考
虑的因素不同，快艇主要参数的选择应在满足定员舱布置要求的基础上，着
重考虑耐波性、操纵性及航行中的稳性等航海性能。图1所示为游艇的L 与B
的关系曲线；图2为L 与L/B的关系曲线。
其回归方程为：B=0.2022*Lw+1.8 或 Lw/B=0.0633*Lw+2.1 (1)
图
图2 L与L/B的关系曲线
1 L 与B 的关系曲线
据统计L/B=2.5-4.1,远小于F N 在0.3左右的中速普通排水型船。其目的
在于增加艇体展弦比，以提高水动力性能。从图中可以看出，在艇长较小时，
对应的L/B较小，随着长度的增加，L/B呈增加趋势。
对B/d随艇长的变化统计值为：在艇长为14m 以下时的B/d=4.0-5.5；
艇长大于14m 时，B/d值较平缓，在5.2-5.7之间，其值比中速普通排水型船
高很多（如 FN 在0.3左右的渔船，其B/d≤3.0）。这是由于快速游艇在航行
状态受力复杂，对稳性要求较高的缘故。
另外，这些游艇的干舷值亦比普通排水型船的大，这一点与普通客船类
似，因为大的干舷对大倾角稳性有利。
1.2.2 船型
如上所述，FRP 游艇属于过渡型快艇或滑行快艇范围，型线以折角型为主，
尾部采用方尾。一般常见的有单折角形（即在平板龙骨与舭部折角之间的艇底板
有1道纵向折角线）和双折角形（即在平板龙骨与舭部折角之间的艇底板有2
道纵向折角线）。其特点是增加艇底板的褶皱，产生数个小滑行平面，在增加滑
行效率的同时，增加艇底板的刚性。舭部折角线还可以起到舭龙骨的减摇作用。
尾部采用方尾，方尾的相对宽度 fB =BT /BX (BT ：方尾宽度；B X ：艇的最大宽
度) 表征尾部的收缩程度。对于高速快艇，适当增加f B 可以增加尾部水压力作用
不使艇体的航行纵倾过大，同时还可使尾部水流收缩不致太快，从而增加了“虚
长度”，因而对阻力性能有利。另外，方尾还具有有利于尾部上甲板、舵机舱和
推进器等布置以及增加稳性，便于施工等优点。
对于F N >3.0的高速游艇，一般采用深V 型，底升角在首部较大，最大可达
60°，由舯向尾升角逐渐减小，到尾板处升角接近0°。以减轻高速航行中的首
部拍击现象，有利于耐波性。尾部采用较平坦的纵剖线，可以减小高速水流的能
量损失，也可以使纵中剖面面积不至于过小，有利于满足操纵性的要求。
1.2.3 纵稳性
与普通排水型船不同，因为小型快艇的L/B相对较小，导致纵稳心半径
小，据统计艇长在10m 以下的游艇，其H/LW =1.1-1.6（H--纵向初稳性高；L W
—水线长），因此保证纵向稳性是小型快艇设计中的一个重要问题。
应适当减小FRP 游艇的进水角，并使浮心位置后移，这对减小剩余阻力
是有利的。为了减少高速艇的“海豚”现象，建议适当地把重心往前移向艇舯，浮心位置应位于重心之后附近，使游艇在静水中处于轻微首倾，在航行中随着速度的提高，浸水线不断向后缩短，浮心逐渐后移与水动力所产生的升力作用线合成使游艇首部抬起，这时不至于因升力作用点沿纵向变化而远离重心发生过大的纵向摇摆，即有利于纵向稳性。笔者对艇长在10m 以下的小型游艇的浮心纵向位置LCB 进行了统计，其取值范围在舯后（7%-10%）L 。
对于深V 型滑行艇，建议使用文献[6]提供的计算方法。克莱门特将62系列模型的稳定性试验资料整理为 C L 对F NV 关系曲线，如图3所示。不发l cp /b
生海豚运动的限界曲线可以用如下方程式表示： C L 1. 8=2. 5 (2) l CP /b F NV
式中：l CP --压力中心，即重心在艇尾板前面的距离，m ；
b—重心纵向位置处的艇体宽度（包括防溅条在内），m ；
FNV —排水体积佛汝德数，C L --动载荷系数， C L =∆
122ρv B 2 （3）
式中：∆--艇的排水量，kg ； ρ--水的密度，kgfs 2/m4；
v --艇的航速，m/s； B—平均艇宽，B =B X +B T ，m ； 2
BX —艇中部折角线处宽度，m ；B T --艇尾板折角线处宽度，m 。
使用图3曲线的方法是，先用（3）式计算系数C L ；再计算C L 和F NV ，l cp /b
然后判断点（F NV ，C L ）是否在稳定区内。 l cp /b
1.2.4 快速性
过渡型快艇的棱形系数C p 值的选取与设计航速有关。一般按略小于“理
论最佳棱形系数”的原则选定。这是因为这种艇的经常使用速度往往低于设
计速度。取略小于最佳的棱形系数，对阻力性能是有利的，相反的如果取“最佳值”，使艇经常处于不利状态下。
航速粗估在设计工作和营运工作中都是比较重要的，根据统计并回归，游艇航速与主机功率存在如下关系： V =0. 282⨯(MHP 0. 843) L （4） ∆
式中：V —游艇航速，kn ；
MHP—主机总功率，kw ；
∆--游艇排水量，t ；
L—水线长度，m 。
若将估算航速的（4）式与游艇资料绘制成图4，能很好地反映游艇V /l 与MHP 的关系。质艇在35米以上远洋大型豪华游艇中占比例较多。
∆
M H P /
V /L
图3系列62海豚运动界限图 图4 （3）式与实船资料比较
1.2.5 游艇材料
随着科技的发展，船艇设计的性能不断提高，人们对快艇速度的要求也在不断提高。快速游艇受到更高的强度负荷，这就要求其必须具备较高的强度和刚度。而具有刚性不足、强度有余特点的传统玻璃钢结构已不能满足现代高速艇的发展要求。
近几年对玻璃钢材料的改进主要体现在夹层结构、增强材料及树脂系统。对于夹层结构，目前采用夹心结构代替过去的单板结构。实践证明，夹心结
构在刚性方面明显地优于单板结构。目前国外出现了聚丙烯蜂窝状夹心材，
这种夹心材的抗弯、抗冲击强度都优于其它夹心材，而且还能达到阻燃效果，单位重量也低于其它夹心材，施工方法也比其它夹心材简单。
对增强材料和树脂系统的改进。近年来复合毡—合成纤维与玻璃毡组成的混合材料已得到应用。这种材料可提供更优的性能，更低的树脂含量，能更好地控制船体重量。例：将Kevlar 纤维与玻璃纤维组成混合增强材料，用于对强度负荷要求较高的高速船体上，仍能使船体重量减少12%，而且完全可以满足它的强度要求。
对表面胶衣系统的改进。现在世界上制造豪华玻璃钢游艇的厂家已开始使用一种称作Barrier coat的树脂。这种Barrier coat树脂用在胶衣层后面，湖制层前面。起到了一个胶衣层和湖制层之间压力传递和缓解的作用。有很好的防渗透能力。Barrier coat树脂与胶衣层和湖制层有着非常好的化学共溶性，非常强的粘接强度。在玻璃钢船艇上使用结果表明，Barrier coat 树脂层还能减少胶衣层的破裂现象。
2. 游艇受力分析及性能要求
2.1作用在船体上的力
船舶从建造、下水、停泊、航行及进坞修理等全部过程中，受到各种外力的作用，这些外力常常会使船体结构产生变形或损坏。船体受力主要有总纵弯曲力、横向载荷和其它局部力。
2.1.1 船体的总纵弯曲
船体的总纵弯曲是指作用在船体上的重力、浮力、波浪水动力和惯性力等而引起的船体绕水平横轴的弯曲。它由静水总纵弯曲和波浪总纵弯曲两部分迭加而成。
（1）船体静水总纵弯曲
船舶在静水中受到的外力有船舶及其装载的重力和水的浮力。重力P 的方向向下，浮力D 的方向向上。重力和浮力在静水中处于平衡状态，即重力和浮力大小相等方向相反，作用在同一铅垂线上，见图5-a ）。
但对于船体的某一段，重力和浮力的大小并不相等，如图5-b) 所示。重力
大的一段有下移的趋势，浮力大的一段有上移的趋势。由于船体是一整体结构，各段不可能发生上下移动，在船体结构内必然有内力产生，使船体发生弯曲。当船体中部向上弯曲时，称为中拱弯曲；当船体中部向下弯曲时，称为中垂弯曲。船体弯曲时，在船体内产生弯曲力矩，弯矩的最大值在船体的中部，向首尾部逐渐减小，见图5-c) 。由于船舶装载情况及船体浸水部分形状总是变化，因而船体各段重力和浮力的不平衡也总是存在。
图5 船体静水总纵弯曲 图6 波浪中的总纵弯曲
a)中拱弯曲 b)中垂弯曲
（2）船体波浪总纵弯曲
在波浪状况下，船体内产生的总纵弯矩会比静水中大。当波长与船长相等或接近时，船体的弯曲最严重。
其弯曲形式如图6所示：
（a ）波峰在船中时——中拱弯曲——甲板受拉伸、底部受压缩； （b ）波谷在船中时——中垂弯曲——甲板受压缩，底部受拉伸。
2.1.2 作用在船体上的横向载荷
船体在静水或波浪中，它的各部分结构还受到局部的水压力和货物等横向载荷，会产生局部弯曲及其它局部受力情况。
作用在船体上的其它力有：船体上机器和螺旋桨运转时的振动力，船首端的波浪砰击和水面漂浮物的撞击等局部的外力，油船的油货舱内液体的晃动载荷，以及船舶进坞或搁浅时受到船底下墩木或河床的反力作用等。
此外，船舶在波浪状态下航行，由于升降、俯仰和摇摆等运动而产生惯性力，这对船体结构会产生不利的影响，例如船舶横摇时会引起肋骨的歪斜
和船体的扭曲。
2.1.3 其它局部受力情况
作用在船体上的其它力有：船体上机器和螺旋桨运转时的振动力，船首端的波浪砰击和水面漂浮物的撞击等局部的外力，油船的油货舱内液体的晃动载荷，以及船舶进坞或搁浅时受到船底下墩木或河床的反力作用等。
此外，船舶在波浪状态下航行，由于升降、俯仰和摇摆等运动而产生惯性力，这对船体结构会产生不利的影响，例如船舶横摇时会引起肋骨的歪斜和船体的扭曲。
2.2 船壳性能要求
作为良好的船壳材料应该具备以下一些特点：
1.质量轻强度大；
2.耐腐蚀好、能够抗海生物附着，从而更加适应在海洋环境中使用；
3.能够吸收高能量，冲击韧性好，这样船舶不易因一般的碰撞、挤压而损坏；
4.导热系数低，隔热性好；
5.船体表面能达到镜面光滑，色彩多样，从而可以建造结构复杂、款式多样、外形美观的游艇；
6.可设计性好，能按船舶结构各部位的不同要求，通过选材、铺层研究和结构选型实现优化设计；
7.整体性好，可以做到整个船体无接缝和缝隙；
8.船体成型简便，可以批量生产，低价制造；
9.易于保养，使用寿命长，维修成本低。
3 玻璃钢船壳结构设计
3.1 玻璃钢的特点
目前使用比较广泛的船壳材料是玻璃钢，因为玻璃钢可以满足很多作为船壳材料所需的特殊性能，并且要优于很多传统船壳材料：
1 轻质高强
玻璃钢的相对密度在1.5-2.0之间，只有碳钢的1/4-1/5，可是拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP 的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa 以上。
2 耐腐蚀性能好
玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种
油类和溶剂都有较好的抵抗能力。
3 热性能良好
玻璃钢热导率低，室温下为1.25-1.67kJ/（mhK ），只有金属的1/100-1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
4 可设计性好
（1）可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可
以使产品有很好的整体性。
（2）可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐
瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。
5 工艺性优良
（1）可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工
艺。
（2）工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易
成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。
3.2 玻璃钢复合材料的泡沫夹层结构
尽管玻璃钢作为一种造船材料已经确定无疑，然而，在实践中人们发现
玻璃钢应用于造船方面还有很大的潜力。当初玻璃钢能够成为新兴船壳材料并逐渐发展成为最重要的船壳材料之一的原因就在于其质量轻强度高，而现在就要在保证其强度的基础上进一步减轻其重量，以提高其性能，由此想到了在玻璃钢材料中添加泡沫夹层。
泡沫芯材为孔隙材料芯材，可以起到减轻结构的重量，增加结构的刚度，
提高结构的强度等作用。夹层结构一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这五个要素组成了一个整体的夹层结构。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁（见图7），上下面板（翼板）主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由横向力产生的剪应力（见图8）。
图7 工字梁和夹层结构的对比 图8 夹层结构对称间支梁的弯曲
为了使夹层结构的各要素能协同承载，面板与芯材之间的粘接层必须能
传递荷载，这样至少应具备和芯材一样的强度。通常，如果加载以后，夹层结构的芯材发生破坏，其破坏位置一般位于粘接层下面的芯材部分，因为粘接层芯材表面的孔隙中由于填充了胶粘剂／树脂，提高了粘接层泡沫的强度。选择正确的胶粘剂对夹层结构的强度也有非常重要的意义，通常在选择胶粘剂的时候除了强度以外，还需要考虑使用温度、烟雾条件及其与芯材的面板材料的兼容性。如果选择与面板材料共固化，则胶粘剂或胶膜的固化条件需要与面板的共固化条件相一致。
表1 夹层结构和非夹层结构的刚度和重量之对比
表1中的结构构造是常见的FRP 船舶中的铺层设计。可以看出，在弯曲刚
度相近的情况下，夹层结构的重量比非夹层结构减轻很多。
泡沫夹层结构的优点还有：良好的隔热和隔音性能、抗冲击损伤性能及施工简便性等。在夹层结构中由于芯材是孔隙材料，整个夹层结构的导热系数和R 值均比非夹层结构低。由于层合板的层数减少，降低了铺层制作成型的工作量，同时因为夹层结构的刚度较高，减少了加筋的数量，这有利于冲击荷载的扩散。此外，孔隙芯材还能降低船舶航行中的噪声。
3.3 玻璃钢夹层结构的设计
高速船为了减轻船体重量, 在舷侧板、甲板、舱壁板、尾封板(通常为胶合
板芯) 和上层建筑甲板室的壁板采用玻璃钢夹层结构。这些板的基本受力形式有横向弯曲、板面内压缩和剪切等。由于夹层结构中芯材性能较低, 故在进行夹层结构设计时有一些特殊要求。
3.3.1 玻璃钢夹层结构弯剪强度设计
玻璃钢夹层结构弯剪时剪切强度主要由芯子承受, 面板仅起部分作用。相对
于航空产品结构, 船用夹层结构的面板是较厚的, 故在船舶设计的规范中应计及此影响。
设夹层板条梁的跨距即板格短边长为S , 受均布载荷P , 则夹层板条梁端点
处剪应力τ最大为 τ=0. 5PS /d （5）
式中d 为夹层板面面板中心线间的距离。夹层板总厚度，t =d +t f ，t f 为面
板厚度。
中国船级社的《海上高速船入级与建造规范》中规定, 夹层结构的许用剪切
应力 [τ]=0. 35τs （6）
τs 为为夹层结构板的弯剪强度, 可以表示为 τs
式中 =k τc （7） f τc 为芯材的剪切强度，k 为系数，与泡沫塑料的品种及 d /t 有关， k ≥1是表征面板对弯剪强度的贡献。通过对试验结果的回归统计, 得
出下列统计曲线公式：
对于聚氨酯泡沫塑料为： k =4. 19(d /t f ) -0. 523 （8）
7 k =1. 29[(d /t f 3) 1/2]-0. 55 （9）
对于聚氯乙烯泡沫塑料为： k =7. 91(d /t f ) -0. 863 （10）
k =1. 42[(d /t f 3) 1/2]-0. 76 1 （11）
对于胶合板芯为： k =1. 33(d /t f ) -0. 113 （12）
用式( 7) ～( 12) , 并用许用剪切应力, 可按式( 5) 求出d 。
通过上述统计分析, 得出下述简化公式（适用于d /t f =6~12 范围）：
PU 芯夹层板： k =1. 86-0. 06(d /t f ) （13）
PVC 芯夹层板： k =1. 66-0. 067(d /t f ) （14）
胶合板芯夹层板： k =1. 14-0. 012(d /t f ) （15）
3.3.2 夹层结构骨材的弯曲强度设计
通常玻璃钢船体的板, 不论是单板还是夹层板, 都是借助骨材来加强的。这
些板从局部强度角度看, 主要承受与板表面垂直的横向载荷, 因而支撑板的骨材主要受弯曲。中国船级社的《海上高速船入级与建造规范》中, 根据弯曲强度提出了骨材的最小剖面模数要求(包括骨材的有效带板) 。
3.3.2.1 骨材本身的剖面模数
通过试验实测证明, 对于PU 、PVC 泡沫塑料骨材, 泡沫塑料可视为无效芯材, 计算剖面模数时可忽
略不计。对于胶合板芯和松木芯的骨材, 芯材应视为有效芯材, 这种骨材的弯
曲刚度D 及惯性矩J 按下二式计算 ：
D =E f J f +E c J c （16）
J =J f +E c /E f J c （17）
式中J f 、J c 为惯性矩, E f 、E c 为弹性模量, 其下标 “f ”表示玻璃钢, “c ”表示芯材。
在计算骨材的剖面模数时, 应计及玻璃帽型腹板和芯子受剪变形对弯曲应
力增加的影响。实测结果说明:对于空心及无效芯材的骨材, 弯曲应力增加至
1. 5～1.7 倍; 对于胶合板、松木芯骨材, 弯曲应力增加至1.2 倍左右。
另外, 在实际成型骨材中多少有一些工艺质量缺陷, 通过人为皮芯脱胶骨材
( 脱胶面积随机, 分别为10%,20%,30%) 试验表明, 由于皮芯的随机脱胶, 使骨材弯曲强度降低10%左右。
3.3.2.2 有效带板宽度
玻璃钢帽型骨材及其附连翼板(简称 “带板”) 在承受弯曲时, 带板上的应力分布沿板宽度方向是不均匀的。从试验实测的应变分布, 按下式求出实测的有效带板宽度b e
b
b e =⎰ε(y ) dy /εm ax （18）
max 式中b 为骨材间距; ϵ(y) 、ϵ分别为应变、最大应变。
3.3.3夹层结构纵桁的剪切强度设计
针对玻璃钢高速艇的船底纵桁或龙骨在受到船底波浪冲击力作用时, 纵桁或龙骨的跨距端点处将受到最大剪切力的作用, 通常玻璃钢高速艇的船底纵桁或龙骨采用高矩形剖面, 以胶合板或松木为芯材外包玻璃钢的夹层结构梁形式。通过试验及分析认为, 夹层结构纵桁剪切强度计算可按包括玻璃钢表皮在内的横剖面面积, 许用剪切应力可采用芯材的许用剪切应力( 即不计及玻璃钢表皮对纵桁剪切强度的影响) 。
根据以上公式可以计算出理论上船壳的厚度，以及表面玻璃钢硬质层与夹层
泡沫芯材厚度之比。但是在实际制造过程中，玻璃钢船壳厚度与船体长度有关，其平均厚度约为艇长的千分之一（对于具有大面积非支撑加强的扁平船体的机动艇，壁厚往往要增加百分之二十）。对于玻璃钢夹层结构，泡沫芯材夹层占总厚度的3/4,两面玻璃钢硬质层厚度占1/4，这样的比例可以保证作为船壳的强度要求，同时将质量降到最低。
3.3.4 结构设计图及尺寸
（1）游艇整体结构及船体尺寸如图9：
图9 游艇外观及尺寸
（2）船壳玻璃钢泡沫芯材示意图及尺寸如图10(图注尺寸为船壳厚度的理想平均值
)
图10 玻璃钢泡沫芯材尺寸
针对上面的设计图所示的游艇，其艇长为5.22m ，船壳厚度约为艇长千分之一，实际制造中往往还会预留10%~20%的壁厚，所以船壳总厚度约6cm ，再由船壳玻璃钢硬质层与泡沫芯材厚度比为1︰3，由此可得船壳玻璃钢复合层尺寸，如图10所示。
4. 泡沫芯材的选择
玻璃钢/复合材料（FRP/CM）中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC ）、聚苯乙烯（PS ）、聚氨酯（PUR ）、丙烯腈-苯乙烯（SAN ）、聚醚酰亚胺（PEI ）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI ）等泡沫，其中PS 和PUR 泡沫通常仅作为浮力材料，而不是结构用途。目前PVC 泡沫已几乎完全代替PUR 泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外。
4.1 泡沫芯材的发展历程
严格意义上讲，第一种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材是使用异氰酸酯改性的PVC 泡沫，或称交联PVC 。第一个采用PVC 泡沫夹芯的夹层结构是保温隔热车厢。交联PVC 的生产工艺是由德国人林德曼在上世纪30年代后期发明的。二次大战以后法国将该工艺列入战争赔偿中，由克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司（Kleber Renolit ）开始生产Klegecell 交联PVC 泡沫，主要是一些用在保温隔热车厢中的低密度产品。
上世纪50－60年代，克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司给几家欧洲公司发放了PVC 泡沫的生产许可证。另外两家美国公司，B.F 歌德雷奇（B.F Goodrich ）和佳士迈威（Johns-Manville ）也买到了许可证开始生产，但是几年以后就停产。当所有的生产许可证都过期以后，交联PVC 的生产工艺过程转为公开。进入70年代以后，多数原来的欧洲许可生产厂家也已停产。目前两个主要的生产厂家是戴博（Diab ）公司的Divinycell 和Klegecell 系列PVC 泡沫及爱瑞柯斯（Airex ）公司的Herex 系列PVC 泡沫。
20世纪40年代后期，林德曼使用高压气体作为发泡剂，制造出未经过改性的PVC 泡沫，也叫线性PVC 泡沫。
英国于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美国道化学有限公司用
挤出法大批量的生产聚苯乙烯泡沫塑料。
第二次世界大战期间，德国拜尔的试验人员对二异氰酸酯及羟基化合物的反应进行研究，制得了PUR 硬质泡沫塑料、涂料和粘合剂。1952年，拜尔公司报道了软质聚氨酯泡沫塑料的研究成果。
1993年，加拿大的ATC 公司开始生产SAN 泡沫。其制造工艺和线性PVC 相似。PMI 泡沫是由德国罗姆（Rohm ）公司于1966年首先用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯热塑性树脂在180下发泡并交联制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的技术，接着日本的积水化学公司于1967年使用辐射交联方法制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
4.2 常见泡沫芯材的性能和应用
交联PVC 泡沫：这种泡沫是由热塑性的PVC 和交联热固性聚氨酯组成，通常简称交联PVC 泡沫，其主要产品型号为 Divinycell、Klegecell 以及Herex C。交联PVC 的强度和刚度比线性PVC 的高，但是韧性要差。交联PVC 泡沫的热稳定温度为120℃。所以在和环氧预浸料共同使用时，需要注意PVC 的热蠕变性能。使用温度范围为-240℃－+80℃，并且能够耐多种化学物质腐蚀。尽管PVC 泡沫是可燃材料，但阻燃型的PVC 泡沫可用于有严格防火要求的结构中，例如列车车厢等。但是需要注意的是PVC 在燃烧以后，会产生HCl 。
PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。PVC 泡沫主要用在一些不需要压力罐的工艺中。选择固化工艺方法时，应虑及PVC 泡沫在温度升高时会释放气体，在采用RTM 工艺时需要注意。交联PVC 泡沫通常用于船底、舷部、甲板、舱壁及上层建筑中。主要厂商有Airex 和Diab 公司，有多种不同的型号和密度可供选择。
线性PVC 泡沫：这类泡沫具有高的韧性、良好的抗冲击性能、能量吸收性能和耐疲劳性能。线性PVC 泡沫的强度和刚度相对交联PVC 来讲要低。在施工过程中需要注意的是，树脂中的笨会渗透到泡沫里面，使树脂固化不完全，同时引起泡沫降解。这种泡沫通常用于船体受冲击荷载比较大的部位，例如船底和舭舷部。目前主要产品是Airex 公司的Airex R63系列。
PS泡沫：曾广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其具有重量轻（40kg/m3），
成本低，易于机械加工等主要优点，但因力学性能差，很少在高性能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂同时使用，因为树脂中含有的苯会降解泡沫。
PUR泡沫：与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR 泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度是150℃左右，吸声性能良好，其成形非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR 泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。国内国外有众多的生产厂商。
SAN泡沫：它属于热塑性材料，如加拿大ATC 公司生产的Corecell 泡沫，主要是针对船舶市场而开发的。发泡制作工艺和线性PVC 的工艺基本相同。性能也和线性PVC 基本相同，热稳定性能比线性PVC 好，相当于普通交联PVC 。大多数情况下，在船舶结构中可以用SAN 泡沫代替线性PVC 泡沫。
PEI泡沫：由聚醚酰亚胺/聚醚砜发泡而成，具有很高的使用温度和良好的防火性能，不过其价位相对较高，但是这种泡沫可以在兼有结构要求和防火要求的部位使用，其使用温度为-194℃－+180℃。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在飞机和列车内使用。目前市场上有Airex 公司的Airex R82 PEI泡沫。
PMI 泡沫：在相同密度的条件下，PMI 是强度和刚度最高的泡沫材料。其高温下耐蠕变性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。PMI 泡沫经适当的高温处理以后，能满足190℃的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，适用与环氧或BMI 树脂共固化的夹层结构构件中。PMI 泡沫是采用固体发泡工艺制作，其为孔隙基本一致、均匀的100%闭孔泡沫。目前市场上有德国德固赛（Degussa ）公司生产的ROHACELL 和日本积水化学公司生产的FORMAC 之PMI 泡沫。
5 泡沫芯材的加工使用方法
5.1泡沫芯材的加工
机械加工泡沫芯材：大多数泡沫芯材可以使用木工工具加工或成形，包括带锯，车削，穿孔，打磨和仿形。在切割过程中，因为材料的导热系数低 ，高密
度泡沫的给进速度应略低一些，否则材料会发热，甚至烧焦。在加工泡沫以前，最好先和制造厂家联络，因为每种泡沫的性能都有不同的特点。加工泡沫材料时，使用的锯条要求相邻的锯齿拌开，这样在锯切过程中，通过锯齿带出切割过程中产生的锯屑，然后用真空装置吸除。
特殊分格板：对于不同的用途，泡沫芯材的厂家可以提供各种不同的分格板，满足各种夹层结构外形的需要。其一面用玻璃纤维网格粘接，泡沫切成1" x 1" 的正方形小块，这样泡沫板就可以自由变形；另外一种是两面切割，或三个方向切割。泡沫还是切割成1" x 1"的正方形小块，但是切割的深度是整个厚度的2/3。这样泡沫板芯材有了一定的自由变形能力，但是这样切割的主要目的为了使树脂流动，且手糊过程中排出气体，此外一般厂家还可以提供表面有沟槽的泡沫芯材，表面沟槽的深度一般为0.12" ，在面板相对较厚情况下，用作真空注射过程中的树脂流动通道。
5.2泡沫芯材的使用
材料的准备：泡沫材料必须在干燥的环境下保存，否则会影响其与面板的粘接。同时，对于PMI 泡沫应予以特别的注意，因为PMI 泡沫在吸水后，热蠕变性能会下降。泡沫上的灰尘应使用真空吸尘器吸除，或用压缩空气吹除，但要记住，千万不能用水或什么其他的液体冲洗。冲洗的结果只能使灰尘进入泡沫表面的开孔中。某些强烈的溶剂（例如丙酮）还有可能降解表面的泡沫材料，降低芯材与面板的粘接强度。清洁干净的泡沫表面与面板粘接后，一般粘接强度不会出什么问题。
FRP 泡沫夹层板的制作：泡沫几乎适用于所有的FRP 成型制作工艺。复合材料夹层结构的主要成型工艺有：手糊／喷射成型，真空袋／注射成型及预浸料／热压罐成型等。
在手糊／喷射工艺中，芯材与面板之间的粘接非常重要。一般常见的船舶泡沫夹层板依次由胶衣层，短切毡层，外面板FRP 铺层，泡沫芯材和内面板FRP 铺层。必须注意的是在内外面板与泡沫之间，需要加上一层特别的粘接基层，将泡沫与面板材料粘接。这层的材料是CBA （Core Bond Adhesive，例如Divilette, Corebond, Baltekbond 等）或富树脂的CSM （短切毡）。CSM 的最小厚度为
225g/m2，树脂与纤维的重量比为3：1左右。CSM 浸润树脂以后，在泡沫表面涂覆与层合板相同的树脂，以填充泡沫表面的开孔，然后埋入CSM 中。泡沫芯材埋入CSM 或CBA 的过程可以使用真空袋辅助均匀加压。
在使用真空袋的工艺中，如果泡沫芯材是有切口的分格板，在加压以后，泡沫均匀地压入粘接基层中，树脂或CBA 就填入泡沫切口。大多数的真空袋工艺的过程是：在底部面板铺层的基础上，先加泡沫粘接基层，再铺设泡沫夹层，然后使用真空袋将泡沫压入粘接基层中。当采用真空辅助成型工艺时，则需要在泡沫上面覆盖一层剥离层，剥离层外面是透气毡，透气毡的外面才是真空袋膜。剥离层常常采用一层薄的尼龙膜，而透气毡的作用是使真空压力能均匀施压在泡沫的表面。
另外一种能确保泡沫芯材的切口能被全部填充的方法是使用树脂注射工艺。其工艺过程为：先将未浸胶的玻璃纤维和芯材铺设在模具中，再使用真空袋密封，待抽真空以后，注入树脂，浸润纤维和芯材。通常将树脂分散传递到构件各个部位的方法是利用泡沫芯材表面的沟槽或切口，来引导树脂的流动。采用这种工艺方法制作的夹层结构具有纤维含量高、铺层时间不受限制、不需要手糊树脂并进行压实等优点。
另外一种高端的工艺过程是预浸料／热压罐或真空袋成型。由于PVC 泡
沫通常的固化温度不超过80oC ，在加温加压以后，泡沫孔隙中的气体会释放出来，从而破坏芯材与面板之间的粘接。但如果PVC 泡沫经过特殊的热处理，则可以达到120oC ，1Bar 以上，例如Divinycell HT, Klegecell TR, 和
Airlite/Herex C71，而且热处理还会提高泡沫的热尺寸稳定性，即泡沫的热蠕变性能。
6 玻璃钢游艇模型船壳的制作
玻璃钢船体的制作工艺有多种，其中比较常见的有两种，第一种是直接
制作木质阴模，在模具上成型FRP 船壳，这种方法适合于一条或几条船的生产，特点是成本低廉，制作简单。第二种是先制作木质阳模，再用阳模翻制F RP 阴模，利用FRP 阴模成型船壳。后一种方法适合于批量生产。下面介绍的是玻璃钢模型船体利用上述两种方法的制作流程。
6.1 阳模法制作模型船壳
使用阳模法制作模型船壳简单，比较适合初次制作模型的爱好者。但由于工艺的特点，表面比较粗糙，误差比较大，外型需修整加工。其制作过程如下：
（1）制作阳模可用木材、发泡塑料、石蜡等材料。将所选材料放置在平整的工作台上，再依据图纸按模型的船长、宽、型深的最大轮廓尺寸制成长方体坯料。
（2）按线形图在坯料上放样。在俯视面、侧视面、和端面上分别画出甲板边线、中纵剖面和尾板轮廓线。
（3）用锯、刨、铲、锉等手段去掉上述三种轮廓线以外的多余部分，形成阳模雏形的模坯。
（4）按线形图各站号的线型，用硬卡板纸或塑料板做成卡板。在模坯上个战位处按相应的卡板进行加工。加工过程中，要随时用相应号位的卡板测量，务必使加工处的线形与卡板线形相吻合。把各个站点的线型依次加工并及时将两个站号之间的多余部分修整掉。但要特别注意两个站号之间不是直线，而是弧线。如果做了纵剖线卡板，在这一过程中要配合使用。这是保证模型与图纸是否一致的关键所在，一定要严格要求，仔细加工。
（5）各站均加工到位后，用卡板进行最后的校整，吻合后用砂纸把模具全面打磨光顺。
（6) 对模具进行表面喷漆处理，与其他模型表面处理的流程和方法一样。一般喷漆要进行3-8遍，直至看不到表面的木纹，很光滑为止。如对表面还不十分满意，可再多打几遍腻子、多喷几遍漆，直到满意为止。至此一个准确的M 级帆船模型外形胎具就完成了。
（7）在使用模具前，一定要让模具的漆彻底干透。选用0.1-0.3毫米厚的直纺玻璃纤维布，按照船体的大小，剪裁成足以盖严阳模的布块；逐一放到烤箱里进行15分钟的加热，温度控制在130-150℃，以去掉残留在纤维表面的蜡质，有利于树脂胶能充分渗透到玻璃纤维之间。若没有烤箱，此工作可在电炉上进行，对玻璃布进行加热烘烤去除蜡质。
（8）涂刷脱模剂。在阳模表面喷、涂一层聚乙烯醇溶液（也可选用化工商店的其他类型的脱模剂）。喷涂要进行2-3遍；待第一遍干透，在喷或刷第2、
3遍。如没有脱模剂，可在阳模表面均匀地涂一层汽车上光蜡，再涂一层黄油或凡士林。这道工序看似简单，但非常重要。模具表面都要涂到，不能遗漏。
（9) 配置环氧树脂胶液。准备工作完成后，才能配置环氧树脂胶。目前可用于裱糊玻璃布的环氧树脂胶种类很多，各有特点，爱好者应根据自己的具体情况选用, 由于环氧树脂的牌号很多，性能不同，即使同一牌号，因生产厂家不同，质量和性能也有差异。因此，在大量配置环氧树脂胶前最好先进行小计量试验，以确定最佳配方。这样才能做到心中有数。环氧树脂胶的配方由环氧树脂、增塑剂（二丁脂）、固化剂（乙二胺、二乙烯三胺等）组成。环氧树脂的固化机理是一个化学反映过程，对组成成分的重量比例要求非常严格。任何比例上的变化都会对固化和船壳质量造成影响，因此必须严格掌握。具体配比要按使用说明书进行，根据实际需要用量，按比例准确称重，混合在一起，充分搅拌后就可以用于蒙船壳了。
（10）裱糊船壳时最好两人配合进行，戴好医用手套，作好个人防护。将剪裁好、去腊的玻璃布覆盖在阳模上；把配好的胶液均匀地往玻璃布上涂刷，并顺着玻璃布的纤维走向反复涂刷；使胶液尽量浸润纤维，但不要在纤维间的胶过量。一层糊好后，再蒙第二层玻璃布，重复上一过程。这样层层进行。每层的气泡一定要挤压出去。一般糊三四层即可。蒙完最后一层后，随即用塑料薄膜覆在其外面拉紧，把气泡和多余的胶液挤出来，并使外表面比较光滑。
（11）固化条件: 一般可以常温固化，在摄氏25度以上，自然放置12小时就能凝固；24小时就能固化。如果没有烘箱，可在环氧树脂胶初步固化后，把模具连同船壳一同放在强烈的阳光下爆晒4-6小时。有烘箱的话，可将模具连同船壳一同放置于100℃的烘箱里，经过3个小时的处理。这样不但固化时间缩短，船壳强度会有很大提高。但要注意，必须慢慢地逐步往上升温，到达所需温度并保持一定时间后，再慢慢把温度降下来；不能马上打开烘箱，回到自然温度。
（12）脱膜： 经过24小时以上的完全固化后，清除覆在船外的塑料薄膜，修去模具外面的飞边，就可以将船壳从阳膜上脱下。用钢板尺或长而薄的塑料板条，顺着两舷向船壳与模具间的缝隙中往里插，使缝隙逐渐扩大，再沿船舷将船壳往外扒。要渐次进行，每次幅度不能过大，逐渐脱下。然后去掉多余的
毛边，擦净内表面，用有机溶剂清除脱模物质（有利模型组装），这样船壳就完成了。
6.2 阴模法制作模型船壳
制作表面光洁度高的船壳，采用阴模工艺比较适宜。要制作出好的阴模，
一定要先做一个高质量的阳模，方法如前所述，阳模做好后在它的外面再蒙一层玻璃钢，并进行仔细的打磨喷漆，使其表面非常平滑光洁，用于翻制阴模。其制作工艺过程与在阳模上糊船壳一样。下面介绍做模具的方法。
（1）作为模具需要很高的强度，这样才能保证不变形。一般其厚度在0.5-0. 8毫米，用料远远多余糊船壳。为了增厚快，可选用厚玻璃布。使用的胶液可选用价格便宜的不饱和树脂。其配方与环氧树脂胶有所不同。
（2）翻制阴模要先在涂了脱模剂的阳模上涂一层胶，业内人士称为胶衣；待3-4小时胶衣初步固化后，即可在胶衣层上蒙玻璃布，涂树脂胶。要一层一层地糊，达到所需厚度为止；一般6-8小时固化；12小时后即可脱模。在这一过程中进行加温效果更佳。
（3）修整阴模。充分固化后将阴模具从阳模上脱出。阴模具表面应当非常平整光洁。如偶有小气泡孔或不平整，需仔细修补和抛光。
（4）在用阴模翻制船壳时，最好采用环氧树脂胶。具体过程与前阳模方法相同。使用阴模翻出的船壳，其表面光洁度是相当好的。
结论
随着游艇在全世界范围内的流行，必然会有更多的前沿科技应用到游艇制造上，而泡沫芯材在造船行业的应用也越来越普遍，泡沫芯材有各种各样不同的类型、密度和使用方法。在使用、设计泡沫芯材夹层结构的过程中，芯材的选择非常关键。必须考虑到使用环境、固化方法、荷载要求和综合成本等诸多因素。 参考文献
[1] R.Sunseeker. International Limited SUNSEERK INTERNATIONAL .
2004. England.
[2] R. Celebrity. Boats Corporation CELEBRITY. 2001. Canada.
[3] R. BAYLINER. AQUATIC SUPPLIES DIRECTORY. 2001. America.
[4] R. Fairline. Corporation FAIRLINE. 2004. England.
[5] Vinson J R. The behavior of sandwich structures of isotropic and composite Materials. CRC. 1999.
[6] 邵世明. 王云才. 高速艇动力学. 上海交通大学出版社. 1990. 9~120.
[7] 王胜国. 玻璃钢船结构发展趋势. 江苏船舶. 1997. 19~20.
[8] 周祝林、张长明. 舰船用玻璃钢夹层结构设计基础. 中国造船. 2004. 43~48.
[ 9] 李明、李华彦、张莹 . 现代玻璃钢游艇综述. 船舶. 2006. 1~5.
[ 10] 张信田. 聚氯乙烯泡沫塑料夹层结构在现代造船中的应用. 纤维复合材 料. 1990. 35~41.
[11] 薛忠民. 中国股和材料/玻璃钢工业50年. 玻璃钢/复合材料. 2009.
[12] 石勇、朱锡 等. 水中夹层复合材料表面声反射的研究. 哈尔滨工程大学学 报. 2006. 181~184.
[13] 张汝光. 玻璃钢蜂窝夹层结构的平压破坏形式和强度预测. 玻璃钢. 1999. 1~8.
[14] 周祝林、吴群益 等. .高速船玻璃钢夹层结构件原材料力学性能分析. 玻璃 钢. 1996. 1~8.
[15] 谢克磊、曲春艳、王德志 等. 聚甲基丙烯酞业胺(PMI)泡沫塑料的制备及 研究进展. 化工新型材料. 2008. 34~36.
[16] 刘峰. PMI 泡沫壳体夹层结构设计及力学性能研究. 哈尔滨. 哈尔滨工 业大学. 2011.
[17] 安洋. 复合材料层壳结构参数优化设计及其稳定性分析研究. 西安. 西 北工业大学. 2007.
[18]王华吉. 复合材料蜂窝夹层结构制备及其力学性能分析. 哈尔滨. 哈尔滨工 业大学. 2010.