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复合材料在军用舟桥装备中的应用

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  • 发布日期:2010-10-08 10:25
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  • 技术区域:广东湛江市
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摘要:  本文分析了舟桥装备用复合材料的优点,重点阐述了玻璃钢和泡沫塑料的特点,详细介绍了若干应用实例。

关键词:  军用舟桥  破璃钢  泡沫塑料

1  概  述

    战时为了保障部队及兵器的高速机动,维持前线和后方的交通畅通,保证军事物资的顺利补给,舟桥装备对战争有决定性的作用。浮桥结合、架设迅速,便于撤收和随军转移。它受河流深度、河床地形和土壤性质等地理特征的影响小,具有固定桥脚桥梁无法比拟的优点。按照战术要求,还可以灵活地使用桥脚舟拼组成门桥实施渡河。它适用于宽大江河和复杂的水文环境[1]。现代战争对军用舟桥有很高的技术要求:①具有足够的承载能力。现代武器装备,尤其是坦克和自行火炮等主战兵器,重量都日益增加。战场物资消耗量大,补给物资的运输任务极其繁重。②快速架桥。部队的快速前进往往是争分夺秒,因此要求结构简单,技术难度低,以简化作业过程。③机动性好。关键在于减轻舟桥器材的自重,这往往与承载能力的要求相矛盾。④有足够的抗毁伤能力。战场环境恶劣,所用材料对火烧及震动应有抵抗力,桥脚舟具有良好的抗沉性,结构能经受局部破坏。

2  舟桥装备适用复合材料

    我军的舟桥装备,包括带式舟桥、桥脚分置式舟桥以及轻型渡河器材(冲锋舟和汽艇等),几乎全部采用钢材。钢材的优点在于强度高,塑性和韧性好,弹性模量高,各向受力均匀,性能可靠,设计计算理论成熟。在舟桥装备的使用中,钢材也暴露出许多突出的缺点。比如重量大,严重影响装备的机动性能和战场架设速度,耐腐蚀性差,维修保养费用高等。复合材料在舟桥装备中的应用已开始起步。其主要忧点是比强度高,可在保证承载能力的前提下降低装备自重,运输架设轻便,因而有利于提高机动性能和架设速度等技术指标。它的可设计性好,能够按照结构的受力要求,通过选择组分和结构选型实现优化设计,满足军事装备的苛刻要求。战时军用浮桥通载频繁,工况复杂,随时可能遭受爆炸产生的冲击破坏作用。纤维增强复合材料可吸收一定的冲击能量,减震性能和疲劳强度好[2]。另一突出优点是耐腐蚀,可适应恶劣的上作环境.在化工建筑和永久性地下(水下)工程中表现优秀[3]。舟桥装备使用复合材料能大大增强抗腐蚀性能,简化维修保养,延长使用寿命,在全寿命期内具有较好的经济性。

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   由此可见,复合材料在舟桥装备中的应用乃大势所趋。纵观现有研究工作,在适用于舟桥装备的复合材料中讨论最多的有两种,玻璃钢和泡沫塑料。玻璃钢用做结构材料;泡沫塑料用做飘浮材料,以提供浮力。

2.1  玻璃钢

    玻璃钢在军事工业上应用十分广泛,已经成功用于制造飞机导弹上的受力结构件。实际上,在二战期间发明玻璃钢后,最早的应用就是军事工业。全玻璃钢的侦察艇、登陆艇、扫雷艇早已经问世,并已造出1000t级的玻璃钢舰艇。1982年,北京密云县建成一座玻璃钢蜂窝箱粱公路桥,跨径20.7m,宽9.2m,载重80t左右[5]。玻璃钢在造船和桥梁方面的应用是玻璃钢适用于舟桥装备的有利佐证.并可为其提供设计参考。玻璃钢的主要缺点在于抗冲击性能不足,在潮湿环境中易产生老化,必须采取一定的表面防护措施,才能应用于舟桥装备。目前普遍采用有机复合涂层。研究表明,表面防护层能较大增强复合材料的耐环境老化能力和抵抗外力对表面的划伤。军用装备特别关注玻璃钢的防火性能,建筑工业有类似的要求[6],这一难点已基本解决。玻璃钢的工艺方法成熟,成型简单方便,易实现机械化和自动化生产,制造成本低,生产周期短。

2.2  泡沫塑料

    以聚氨酯为代表的泡沫塑料,密度小,能提供大的漂浮力,是理想的漂浮材料。它们的比强度高,生产工艺成热,发泡方法简单实用,成型方便,广泛使用于漂浮、救生和打捞装置。美军曾用泡沫塑料制成靶船,可供射手连续射击而不沉没。聚氨酯泡沫塑料的化学稳定性好,能耐多种有机溶剂,若带有致密的保护表皮层,则对复杂环境的适应性更强。实践证明,其性能经得住较长时间的考验。此外,泡沫塑料制品的适应性强,可通过改变原料和调整配方得到不同特性的产品,经济性能优良[3]

    泡沫塑料的力学性能与泡孔特性有密切关系。漂浮器材使用的泡沫塑料均为闭孔结构,泡孔具有单胞性。每个泡孔都是一个独立的漂浮元件,刺破或打穿时对整体的漂浮性能影响甚微。漂浮用泡沫塑料的密度较小,而表面强度往往偏低。这一缺陷有两种解决方法:①在材料表面覆盖一层玻璃纤维增强树脂;②利用特殊发泡工艺在高强度蒙皮中整体成型。两种方法的增强效果都很好。泡沫塑料的另一重要指标是阻燃性能,对于军事装备尤为重要。它应具有不易着火,火焰传播性小,发烟量少,燃烧时生成的有害气体少等特性。硬质聚氨酯泡沫塑料在加入阻燃剂后,可较好的满足阻燃性要求。

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3  应用实例

    (1)网架实心舟。目前军用舟桥器材的桥脚舟均为钢结构形式,因自重受到严格限制,大多数制式单舟内部未设水密隔舱。当结构受到局部破坏时,钢结构空心舟体的抗沉性能很差,难以满足战时装备抗毁伤能力要求。钢结构舟体的使用寿命因腐蚀问题受到严重影响,除锈防腐的保养工作耗费大量的人力物力。考虑到复合材料的诸多优点,若用轻质复合材料制成实心舟体,则可在相当程度上改进其使用性能。网架作为新型受力结构在承载时内力分布更为合理。其分析理论和设计制造方法日臻成熟。随着化学工业的发展,泡沫塑料的密度、强度、阻燃和耐老化等性能已具备用于制作承重桥脚舟的条件。因此,可以采用以复合材料管材网架作为受力结构,并在内部填充发泡材料作为军用舟桥器材的舟体(简称网架实心舟) [4]。网架实心舟的承载能力与相同尺寸的钢结构桥脚舟大致相当,对现有舟桥装备配套器材基本无需改动,却具有钢质空心舟无法比拟的抗沉性能和耐腐蚀性能,而且自重较轻,使用寿命更长。与钢舟相比,网架实心舟的制作无需复杂的工艺流程,生产方法简单高效。遵循“平战结合”的思想,可以在平时储存制作网架实心舟所需的杆件和球节点,战时再快速组装生产。如此即可节约桥脚舟的贮存场地和费用,免去平时的保养维护工作,延长装备的使用寿命。

    (2)门桥增浮材料。门桥是武器装备渡河的主要方式之一。由于大量主战兵器的吨位显著增加,

部分级别的制式门桥吨位偏低,因此迫切需要研制出相应器材,能在不改变门桥原有结构、不影响原有操作的前提下快速提高门桥的承载力并适当提高其抗沉性。用泡沫塑料制成浮块单元,作为增浮器材通过适当方式加挂于门桥桥脚舟舷外,即可达到提高门桥承载力的目的。增浮器材的应用方便灵活,无需对现有的舟体做任何改动,也不影响拼组和结合漕渡门桥的其他操作,而且较好地满足了浮性、稳性和拖航性等方面的要求。泡沫塑料浮块上的连接结构适用于浮块之间的相互连接,因此可根据需要将浮块单独拼组为渡人浮筏、轻型浮桥和渡送轻型车辆的浮筏,达到了一物多用的目的[7]。泡沫塑料价格低廉,生产工艺成熟,提高舟桥装备承载力的效果显著,免去了研制新型装备的繁琐过程和巨额费用,体现了复合材料优良的经济性能。   

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   (3)军用船艇。玻璃钢船体自重轻,可增加有效装载,减少阻力,增加航速,节省燃料,提高经经效益。复合材料不同于金属材料,它是在制造材料的过程中即形成构件,免去了钢材所需的复杂加工工艺,可设计性好,加工成型方便,尤其受船舶工业的欢迎。玻璃钢具有良好的抗磁、隔音、电绝缘性能和不反射雷达波等特点,特别适合军事装备,广泛用于扫雷艇和巡逻艇等[8]。玻璃钢船艇的制造已不存在任何实质性的问题,开发重点是如何在性能与稳定性方面、经济与安全方面取得优化协调[9]。秦皇岛玻璃钢厂曾生产过班用冲锋舟,但仍处于试生产阶段,与定型生产和大量装备部队的要求尚有差距。

4  结束语

    复合材料用于军事装备的优异性能是毋庸置疑的。从长远考虑,其应用大有前途。发展复合材料并不是要丢弃传统材料。传统材料的应用已有数百年的历史,它有自己独特的优势,短期内不可能被完全代替。近年来,传统材料领域在积极发展新工艺、新理论,以充分发掘材料性能的潜力。应用复合材料时时应考虑与传统材料的混合使用,仔细研究它们的连接方式,求得性能的最佳结合。   

 

参考文献

1 洪修和.浮桥结构与计算.南京:解放军理工大学工程兵工程学院,1982

2崔金泰.航空工程材料学.北京:国防工业出版社,1990

3 钱志屏.泡沫塑料[M].北京:中国石化出版社,1998

4 复合材料网架实心舟可行性研究.南京:解放军理工大学濒海工程研究室,2001

5 蔡国宏.先进复合材料在桥梁中的应用现状和展前景.中国交通,2001(1)

6 蒋汉生,金义洪.FRP在建筑领域的应用.玻璃钢/复合材料,1999(2)

7 用发泡复合材料提高门桥承载力和抗沉性技术研究.南京:解放军理工大学濒海工程研究室,1998

8 王瑞,武玲.船舶用玻璃钢及其性能分析.中国纺织大学学报.2000,26(3)

9 闫宠.玻璃钢渔船产业化的发展与推广.玻璃钢/复合材料,1999(1)
 

 
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