碳纤维增强塑料（CFRP）在船舶围栏上的最新研讨与应用

往常，在运输汽车等大型货物运输船舶中，为了避免作业人员从货舱或通道不慎坠落，需求在货船内各个中央插放金属立柱，并牵上绳索，但由于每艘需求数百根，因而插放立柱的作业效率十分差，而且不扫除在作业中由于立柱掉落惹起的意外事故的可能性。

因而，本研讨的目的在于，运用轻量、高刚性的资料CFRP替代金属资料试制围栏立柱，以处置上述问题。

01

实验措施

◆ 1. CFRP立柱的设计及试制

实验采用的CFRP立柱以现行的铁制立柱的规格为基准（外径：φ=30mm，内径：φ=26mm、壁厚=2.0mm），立柱下端插入船体底座的部分及上部穿绳索的部分是与不锈钢粘接而成。对CFRP管及金属部件清洗后，运用双液混合型粘接（Cemedine 公司 EP-008粘接剂）中止粘接。

◆ 2. CFRP立柱及金属立柱的机械性能评价

用岛津制造所的资料检测实验设备（AG-I50kN）检测CFRP和金属立柱的机械特性。将立柱固定在与船舶上的立柱底座同样尺寸的铁管作为插入用底座，并将立柱水平插入，在立柱顶部（距底座995mm）处，垂直方向向下施加以100N为单位施加载荷，能够目测其挠曲量的变更。此外，在应力最集中处，及插桶底座处装置应变丈量仪，丈量轴向及圆周方向的弯曲应变（如图 1、图 2、图3所示）。

图1 可拆卸围栏立柱载荷实验概略图

图2 可拆卸围栏立柱物性测试措施（左：金属资料 右：CFRP）

图3 可拆卸围栏立柱物性测试措施（左：弯曲测试 右：应变测试）

◆ 3. 经过三点弯曲实验测试CFRP管材的弯曲特性

为了对CFRP管的不同管壁厚度中止弯曲刚性及强度的评价，准备了内径相同（φ26），管壁厚度不同的3种CFRP管（t=1.0、1.5、2.0mm），运用前端半径为5mm的压头，在距离支点450mm处、以压入速度5mm/min，分别中止了三点弯曲实验。

另外，经过依据弯曲弹性模量及截面外形计算出的截面二次力矩，中止弯曲刚性的评价。

◆ 4. CFRP管材立柱在船舶上的实践现场实验

为了考证在实践船舶上的应用状况，将此次试制的CFRP管材的立柱装置托付船舶上的工作人员中止实地操作，并听取了他们对运用的感受及效果。

02

结果与剖析

◆ 1. CFRP管材立柱的设计与试制

如图4所示本次试制的CFRP管材的立柱（壁厚2mm，用于替代当前铁管立柱产品）的外观。立柱顶部和中间部位装有绳索环，在底部油与插入船体底座的钩状结构（如图5）。与当前运用的铁管立柱的比较如图6所示，外形与尺寸完整一样。

图4 CFRP立柱的外观及尺寸

图5 CFRP立柱各个部位（左：顶部 中：中间部分 右：底部）

图6 立柱外形的比较（上：金属制 下：CFRP制）

目前运用的金属材质的立柱重量约为3000g/根，而CFRP立柱的重量是760g，完成了约 75%的轻量化。

◆ 2. CFRP管材和金属管材立柱的机械特性的测试

（1）CFRP管材立柱的机械特性的测试

如图7、图8所示，CFRP管材立柱的挠曲量及应变量的测定结果及实验后的破坏状态。在载荷500～600N时，一切试样在紧缩侧因纤维的断裂而产生破损，破坏前的最大挠曲量平均值为130mm，紧缩侧的长度方向（轴向）变形平均为6000με。此时的应力值依据CFRP的纵向弹性系数（75GPa）及应变的实测值，推算为450MPa左右。

图7 CFRP立柱的应变和弯曲量（n=3）

图8 CFRP立柱的破坏状态

（2）金属立柱的机械特性测试

关于金属立柱，中止了与2-1同样的实验，其结果如图9所示。

图9 CFRP立柱的应变和弯曲量（n=2）

即便在载荷最大值1000N时也未察看到断裂等破损，最大挠曲量平均值为70mm，紧缩侧的轴向应变平均值为1500με。依据铁的纵向弹性模量（200GPa）和应变的实测值，推测此时的应力值为300MPa 左右。关于金属制立柱由于在600N负荷左近挠曲及应变持续增大，因而发作塑性变形，确认在1000N负荷后除荷时外形不会恢复（参照图10）。

图10 金属立柱的塑性变形（左：实验前 右：实验后）

依据以上结果可知，若将金属立柱发作塑性变形的时点视为破损的状况下，金属立柱及CFRP立柱的最大载荷值均为600N。

◆ 3. CFRP管材的三点弯曲实验

关于运用CFRP管材的立柱，除了与试制品运用的CFRP管材相同壁厚（t=2.0mm）的管材之外，还对不同壁厚的其他两种管材（t=1.0mm、1.5mm、内径 φ26），中止了三点弯曲测试（如图11）。

图11 CFRP管的3点弯曲实验（左：最大压力 右：无载荷）

三点弯曲实验的结果如下：

最大载荷在管壁厚t=1.0mm、1.5mm、2.0mm的状况下，分别平均为550N、940N、1480N，运用这些值计算出的弯曲强度分别为平均114MPa、130MPa、150MPa。依据弯曲弹性模量及截面外形计算出的截面二次力矩进一步求出的弯曲刚性，在t=1.0mm、1.5mm、2.0mm的状况下，分别为 3.4×108N·mm2、5.6×108N·mm2、8.5×108N·mm2，最大载荷、弯曲刚度均与管道厚度的三次近似曲线吻合（如表1，图12）。

表1

图12 CFRP管壁厚度与最大载荷和弯曲强度的关系

三点弯曲惹起的变形，固然在固定处正下方的纤维发作断裂，但作为结构体没有断开，依据树脂的特性推测具有接近延展性资料的特征。

◆ 4. CFRP立柱在船舶上的实地应用

在某公司建造的船舶上，实践设置了CFRP管材的立柱，对运用时的作业性的进步效果中止了调查（如表2、表3、图13）。由于立柱轻量化，使作业效率大幅度进步，为此遭到现场工作人员的好评。

表2 实地实验条件

表3 CFRP立柱的运用效果调查结果

图13 船内实践装置实景

03

总结

为了将CFRP管材的立柱实践应用于船舶，经过与现行产品中止比较和在船舶上实地实验中止了研讨，结果得到了以下结论。

• 能够制造出于现行金属产品同样外形尺寸的CFRP产品。而且，CFRP产品的重量约为760g，与现行的金属制产品的3000g相比，重量约减轻了75%。
• 关于CFRP和现行的金属立柱，测定了对前端施加载荷时的周向和长度方向的应变量以及对长度方向轴的挠曲量。其结果，CFRP立柱，在负载500～600N时，一切供试体在紧缩侧因纤维的断裂而产生破损，破坏前的最大挠曲量平均为130mm，紧缩侧的轴向应变平均为6000με。
• 金属立柱在载荷最大值1000N时也未察看到断裂等破坏，但从载荷600～700N时开端产生塑性变形，最大挠曲量平均为70mm，紧缩侧的轴向应变平均为1500με。
• 由此，在将金属立柱发作塑性变形开端的时点，被视为遭到破坏的状况下，CFRP立柱具有与金属立柱简直相同的载荷值。
• 三种不同管壁厚的CFRP立柱（t=1.0、1.5、2.0mm、内径 φ26），经过三点弯曲实验中止评价，由于最大载荷和弯曲刚度与CFRP管壁厚度的三次近似表白式分歧，因而能够中止设计。另外，关于变形，作为结构体来看，显现出接近延展性资料的特性。
• 关于船舶的实地实验，经过对作业人员的讯问调查，由于完成了轻量化，作业效率大幅度进步，遭到工作人员的好评，有助于船舶内作业的省力化。