专利名称：高速自扶正船复合材料船体制造方法
技术领域：
该发明应用于高性能复合材料船体制造领域，具体为高速自扶正船复合材料船体制造方法。
背景技术：
自扶正船具有恒稳性，如图1所示，即在船体横向翻转任意角度l， 2， 3下，复原力臂 4均大于零，通过复原力臂均可以恢复到正常状态。自扶正船属于船的一种，具备船体设计 一般规则，即船体的重心设计尽量低，使其稳定。然而，当自扶正船被翻转时，特别是180 角度，浮力主要依靠船体上层建筑，这就希望自扶正船的上层建筑体积大，排水量多，以提 供更大的浮力。上层建筑体积大，导致船体的重心位置上升，这与船重心设计相矛盾。同时， 自扶正船在恶劣海况下(甚至是强台风与恶劣海况的联合作用)救助时，船体发生翻转，其 上层建筑成为船底，'要求其具有足够的强度和抗冲击性能以保证人员的安全，增加上层建筑 重量，进一步提升了船的重心，加重了现有船重心设计的矛盾。自扶正船体建造需要在船体 重心设计矛盾中寻找平衡，采用传统的船体材料(比如木质、钢、铝合金)进行自扶正船的 建造，上层建筑的重量会导致船体重心上调，进而延长了结构自扶正所需时间，现有自扶正 船自扶正时间为10-20秒。先进复合材料及其结构的发展成为解决船体重心设计矛盾的一种 方法。海斯比船艇科技发展有限公司在研发自扶正船的过程中，应用了碳纤维、芳纶纤维及 高强蜂窝夹心结构建造船体上层建筑，既保证了船体原有的设计，又实现了上层建筑轻质高 强的目的，成功的建造了中国船舶史上首个全天候自扶正快艇，自扶正时间最快仅为2.8秒， 比国际上现有的6秒还要少3.2秒，最快速度达到了30节。在自扶正船制造过程中，我们采 用了船壳板真空吸附工艺和高温共固化，实现了船体结构的轻质高强。我们发明的制造方法 克服了现有的真空辅助树脂导入工艺固化时间长和最终的固化程度无法保证的缺点；改进了 真空辅助树脂导入施工工艺完成船壳板固化成型所导致的复合材料空隙率高的缺陷，最终实 现了降低船体制造周期，减少了复合材料的缺陷，提高其整体性能的目的。
发明内容
本发明提供一种高速自扶正船复合材料船体制造方法。其主要特征利用船用复合材料 树脂体系的固化动力学、流变学的研究结果指导船壳板铺层真空辅助树脂导入工艺和加强骨 材与船壳板共固化的高温固化时间。
图1自扶正船原理示意图。
附图1-正常状态示意图、2-翻转90度示意图、3-倒置状态示意图，4-不同角度下的复 原力臂图。
图2船用树脂体系固化工艺示意图。 附图5-室温平台温度、6-高温平台温度。 图3真空辅助树脂导入法成型工艺示意图。
附图7-复合材料、8-真空袋、9-挡块、10-脱模布、l卜导流布、12-树脂入口、 13-树脂出口。
图4加强骨材的结构示意图。
附图14-复合材料、15-芯材、16-船壳板。
具体实施方案
本发明提供一种自扶正船复合材料船体制造方法，其目的是制造出强度高、重量轻的高 性能船体以适应恶劣海况条件。首先确定船体树脂体系的固化性能模型和施工工艺控制点，
并将之指导船壳板和加强骨材的制造方法，具体制造方法如下 (a)船用复合材料固化工艺参数及工艺控制点的确定
船用树脂体系厂家所提供的固化工艺参数无法兼顾不同施工工艺，需要对其具体固化性 能进行研究。考虑到船体整体的制造方法，船壳板的复合材料树脂体系要与加强骨材复合材
料树脂体系保持一致；考虑到高温固化能够加快树脂体系固化速度、降低成型周期、提高复 合材料树脂体系固化程度性能的优点，选用的船用树脂体系具备室温和高温固化能力，其高 温固化温度与固化剂的高温固化温度保持一致。
树脂体系的固化工艺参数通过树脂固化动力学研究确定，固化动力学主要是研究树脂体 系固化程度(以下綠固化度)与温度和时间关系，其数学表达式为
<formula>formula see original document page 4</formula> (1)
其中/(a)机理函数，尺(r)是速率常数，并服从Arrhenius方程
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)
其中v4是指前因子，五。是表观活化能。建立树脂体系的固化度和温度时间的关系，需求机
理函数/(")，活化能五。和指前因子^，这部分工作是通过非等温DSC(差示扫描量热仪)和相关固化动力学模型求的，这里选择动力学模型为等转化率模型。船壳板真空辅助树脂导入 工艺控制点通过树脂凝胶点控制，即树脂体系粘度的突增。凝胶点的确定是通过树脂体系室 温的流变实验确定，自扶正船体树脂体系的凝胶时间为l个小时。而且，通过公式(l)确定 树脂在室温下凝胶点所对应的固化度，其固化度为0.40。
自扶正的复合材料船体制造方法采用了二平台温度固化工艺，如图2所示。第一平台温 度5为室温，时间T1控制在树脂体系凝胶时间之前(小于等于1个小时)，主要针对船壳板 的真空辅助树脂导入法制造方法。第二平台温度6为高温平台，这里我们选择固化温度80 摄氏度，通过公式(1)和(2)计算，时间T2为2个小时。因此，船壳板采用了真空辅助树脂 导入法完成室温制造过程，拆除真空辅助树脂导入法工装，与加强骨材一起放置固化炉中， 高温完成共固化过程。
(b)自扶正高速船复合材料船体制造
(1) 真空辅助树脂导入法常温制造船壳板
船壳板的施工工艺采用真空辅助树脂导入法，这种方法可以提高复合材料中的纤维含 量，实现的复合材料部分压实功能，其具体工艺如图3所示。铺放复合材料层7，每层之间 有少量的胶体粘结，保持固定的布放方式。在复合材料铺层的上部布置具有一定空隙率的脱 模布IO，脱模布10'上部布置更大空隙的导流布11，其外部用真空袋8封闭，在复合材料水 平位置布置挡块9，防止树脂的水平流动(即坐标轴X方向)。在真空袋两侧分别布置导入树 脂口 12和导出树脂口 13，导入树脂口 12直接与树脂容器相连，导出树脂口 13与真空泵相 连。导入树脂口将因袋中负压的原因，使树脂吸入袋中，通过导流布和脱模布进入复合材料 铺层。其技术的关键在于控制树脂的流动性，即树脂的凝胶时间,流变实验确定为l个小时。 如果复合材料铺层按照传统的真空辅助树脂导入工艺继续固化成型，树脂中的空气因真空袋 负压的原因驱赶其向铺层顶部流动，流动的过程中树脂体系将继续发生了一定程度的固化， 所以最终的结果很可能造成空气泡滞留在铺层厚度的某个位置，增加了复合材料中空隙率， 降低了复合材料整体性能，直接采用真空辅助树脂导入法制造出的船壳板将无法满足自扶正 船体轻质高强的目的。因此，自扶正船壳板制造方法采用分阶段方式，即自扶正船壳板铺层 室温下完成真空辅助树脂导入工艺，拆除树脂真空辅助导入工艺的工装后进行固化。这种分 阶段制造方法制造自扶正复合材料船体上具有创新性，可减少了固化成型过程中复合材料的 空隙率。
(2) 预浸料铺层实现骨材的铺放
船体的骨材是结构的主要承重件，其强度的优劣直接影响到整个船体结构性能。因此， 骨材的铺放材料选择预浸料的形式。图4给出了骨材结构的截面示意图，包括复合材料部分14和芯材部分15。复合材料部分14主要是提供强度支持，芯材15第一提供形状支持，第二 增大骨材的惯性距。制造过程中，首先将芯材做成加强骨材的形状。利用树脂浸润芯材外表 面，保证芯材与复合材料的粘结性能，然后将复合材料预浸料进行铺放。骨材铺放完毕后， 将其放置到船壳板16需要加强的位置(船壳板已经完成室温制造)。在放置加强骨材部布少 许树脂，将骨材与船壳板连接一起。(3)船壳板与骨材的高温共固化 船壳板真空辅助树脂导入工艺的工装拆除后，与加強骨材通过高温共固化形成整体，即 船壳板和加强骨材裙成船体，将其放入高温固化炉中进行固化。整个船体放入高温固化炉中， 打开温度开关，将其调整到高温固化平台的温度。复合材料固化成型高温固化时间主要参考 树脂体系固化动力学所计算的完全固化时间，实际固化时间大于计算时间2小时，即自扶正 复合材料船体高温固化时间为3个小时，保证树脂体系的固化完全。通过复合材料固化度实 验，获得了我们制造方法的固化度平均数为0.92，高于室温下同样树脂体系的固化程度0.81。 而且，固化所需的时间少于室温固化的5小时，降低了复合材料船体制造周期。(c)自扶正船复合材料船体制造方法优点我们所发明的自扶正船复合材料船体制造方法优点之一:根据船壳板的具体工艺，采用 了二个平台的固化策略，即室温制造阶段辅助树脂导入法，降低了复合材料中树脂含量，在高 温阶段，拆除其工装进行固化，可以减少复合材料中的空隙率。优点之二:加强骨材采用预浸 料铺放，保证纤维体积含量和施工质量。优点之三在于高温共固化可以保证树脂固化完全， 减少制造时间，提高船体整体性能。应用此法制造的船体，其纤维体积含量高、缺陷少、制 造时间短。
权利要求
1.本发明提供一种高速自扶正船复合材料船体制造方法，其主要特征在于，利用船用复合材料树脂体系的固化动力学实验和流变实验确定其工艺参数，复合材料制造工艺周期包括室温固化和高温固化(80度)两个平台，时间分别为1小时和2个小时，时间参数直接指导船壳板铺层的真空辅助树脂导入工艺和加强骨材与船壳板共固化的高温固化时间；
2. 根据权利要求1所述的商速自扶正船复合材料船体制造方法，其主要特征在于，自扶 正船壳板制造方法采用分阶段方式，即自扶正船壳板铺虔室温下完成真空辅助树脂导入工艺， 拆除树脂真空辅助専入工艺的工装后进行固化，可减少了固化成型过程中复合材料的空隙率:
3. 根据权利要求1所述的离速自扶JE船复合材料船体制造方法，其主要特征在于，复合 材料固化成型高温固化时间主要参考树脂体系固化动力学所计算的完全固化时间，实际固化 时间为3个小时，大于计算时间2小时，这种措施保证树脂体系的固化完全，提高复合材料 整体性能。
全文摘要
本发明涉及的高速自扶正船复合材料船体制造方法，和其他制造方法相比，应用此法制造的船体，其纤维体积含量高、缺陷少、制造时间短，进而实现重量轻、强度高的船体结构，满足自扶正船体结构在恶劣海况下的工作。本发明的高速自扶正船复合材料船体制造方法主要分为二部分第一部分利用复合材料船体树脂体系的固化动力学实验和流变实验确定自扶正船复合材料船体制造工艺参数。第二部分自扶正船壳板采用分阶段制造工艺，常温下完成铺层的树脂导入后，拆除树脂真空辅助导入工装，与加强骨材一并完成高温共固化。
文档编号B29C70/54GK101564894SQ20081021747
公开日2009年10月28日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者军 施, 青 曾, 胡照会 申请人:深圳市海斯比船艇科技发展有限公司