船舶耐波性理论在航海中应用的探讨[五篇范例]

第一篇：船舶耐波性理论在航海中应用的探讨

船舶耐波性理论在航海中应用的探讨

沈四林

摘要：对半个世纪以来，船舶耐波性理论的发展以及在造船中的应用作了概括地回顾，并对该理论应用于航海技术作了探讨，这将对航海技术的发展提供有价值的参考．

关键词:船舶；运动状态；耐波性理论

分类号:U661.323；U661.338

文献标识码：A

文章编号：1006-7736(1999)04-0026-05

A discussion on the application of ship 's

seakeeping theory to navigation

SHEN Hua(Navigation College,Dalian Maritime Univ., Dalian 116026,China)

Abstract：In this paper, the author makes a brief summary of the development of ship's seakeeping theory and its applications to ship design and building in the past half century, and discusses the possible applications of the theory to ship navigation.The author hopes that it will be of value to promote the development of navigation technique.Key words: ship;state of motion;seakeeping theory

船舶的航海性能包括：浮性，稳性，抗沉性，强度，快速性，操纵性以及抵抗甲板上浪，抵抗拍底和抵抗螺旋桨出水等，甚至还包括船上的设备，仪器和人的适应性．从广义上来讲，船舶耐波性可以理解为保证船舶能在海上安全航行，并保持完成各项基本营运任务的各种航海性能的综合．船舶耐波性理论为预报船舶在海上的运动状态提供了一种途径和方法． 半个世纪来船舶耐波性理论发展的回顾

1952年,丹尼斯和皮尔逊［1］将无线电噪音的理论应用于海浪，概率统计方法和谱分析成为研究不规则海浪的基本工具和手段，并开始把船舶运动看作为对海浪的一种响应．在这之前，各国学者主要是研究船舶在静水及规则波（波形为余弦曲线）中的运动．把不规则海浪和规则波联系起来的是皮尔逊海浪模型，波面升高

式中，ω，ε分别为规则波的频率和随机相位（0～2π）;A（ω）为波浪振幅谱;g为重力加速度.这个模型表明不规则海浪可以用无限个带有随机相位不同频率的规则波的叠加表示，同时，它还表明海浪的瞬时波面升高服从正态分布，进而可以证明海浪的幅值和波高服从雷利分布．应用概率论方法，可以计算出满足所需安全保证率要求的最大设计波高, 这将是估计船舶在波浪上受力和运动的主要的依据．

海浪谱表示波浪内部的结构，不同频率成分规则波所具有的能量，根据线性系统响应的原理，它同船舶运动谱之间有如下的关系

式中，Sζ（ω）为海浪谱；H1（iω）称为系统运动频率响应函数，它表示船舶输入和输出的特性．显然，获得系统运动频率响应函数就可以解决船舶在不规则海浪上的运动问题．1955年，科文.克劳科斯基应用流体动力学提出“切片理论”计算船舶的升沉和纵摇运动．以后，经渡边惠弘，格里兹玛，田才福造等人的不断改进.到70年代，新的“切片理论”成为预报船舶在波浪上摇荡性能的主要工具．因此，船舶的频率响应函数不但可以从模型试验得到，也可以用理论计算方法得到．根据船舶运动谱，可以预报船舶运动的各种特征参数．这就是谱分析方法应用于船舶运动研究的思路．

波浪弯距是确定船舶在波浪上总纵弯矩的关键问题．过去的强度规范是以标准波为基础，计算波浪（坦谷波形为标准波形）对船体的作用力．实际上,船舶在随机的海浪中航行时，波浪弯矩也是随机的，因此更为准确的办法是采用概率论的方法，确定波浪弯矩沿船长分布的规律和最大可能发生的波浪弯矩数值．1967年莫尔［2］发表了船模波浪弯矩的试验结果，1972年又发表了波浪弯矩有义幅值的计算公式．以后，刘易斯、奥奇等人根据波浪弯矩长期分布的谱密度，估计出船舶使用寿命期中可能发生的最大波浪弯矩值，作为可以接受的船体纵向强度破坏的概率设计标准［3］．目前，这个方法已被各国船级社采纳，成为指导船体结构设计的理论基础．

在恶劣天气中，由于出现了甲板上浪，拍底和螺旋桨出水等问题，为了保证船舶的安全，将人为地降低航速或改变航向．船舶在恶劣天气发生甲板上浪，拍底和螺旋桨出水事件的统计特性可应用耐波性理论方法进行预报．船舶在航行中发生上述现象取决于波浪与船舶的相对速度，并存在最小临界速度．在对船舶临界航速估算这方面，先后有奥奇、迈克尔、刘易斯、艾特森、北泽和细田等提出一些估算公式［4］．这些公式基本上都是以大风浪中发生甲板上浪，拍底和螺旋桨出水的概率超出一定界限为依据．例如，北泽和细田对集装箱船提出：甲板上浪概率的界限为0.01;拍底概率的界限为0.02;螺旋桨出水空转概率的界限为0.1．

由于海洋石油开发向深海发展，系泊船和浮动海洋结构的漂移成为关注的问题.实际上这是一个波浪与物体间相互作用的非线性问题，自70年代以来这个问题成为船舶耐波性理论研［5］究的一个新热点．

自60年代起，各国都先后建立起船舶耐波性水池，现在一些在理论上还不清楚的问题，如船在随浪和尾斜浪中的翻船，主要还需通过模型试验进行研究．

综合来看，船舶耐波性理论的发展，主要表现在两个方面:船舶流体动力学理论的发展和概率与数理统计理论的广泛地应用．现在，已经可以应用理论计算的方法来预报船舶在实际航行中的运动性能，按船主提出的船舶耐波性要求设计船舶在技术上已经可行． 耐波性理论在航海中应用的探讨

船舶耐波性理论在航海中的应用将是多方面的，下面就耐波性理论在航海中应用进行一些探讨．

（1）航线的优化设计

可以根据海洋中长期气候资料、海流及海浪资料，结合船舶航海性能和装载情况为船舶设计出一条航线，该航线具有最短的航行时间，最少的燃料消耗，最低的船损和货损等最优的性能指标．这条航线与地球表面两点间最短距离的大圆航线并不相同，原因在于,为了节能应考虑到充分利用海流和海洋风以提高船舶的航速，同时应避免船舶过大的摇摆，甲板上浪，拍底和螺旋桨出水而带来的危险．航线优化设计可以采用动态规划建立优化数学模型，其具体的数学形式包括,地球坐标系中的船舶运动方程，船舶在波中的航速计算式和最优值函数三部分．

地球坐标系中的船舶运动方程为［6］

式中，（，θ）表示船舶地理位置（纬度，经度）；（UE，UN）表示海流速度的东和北方向的分量；α为船舶航向角；Δt为时间间隔;V为航速;R为地球平均半径．

船舶在波中的航速计算为

V＝V0（p）－VW(h,δ，p）

（4）

式中，V0（p)为船在功率p(B.H.P.)时的静水航速;h为有义波高;δ为相对波向角；VW为计及功率、波高、相对波向角后对船舶在波中航速的修正项，曾经提出过许多计算公式，可从有关资料中找到．

取最短航行时间为最优值函数，其递推的形式为

在计算时可以选取船舶航线起点和终点，用大圆线连接，并在两侧等间距地布置若干条大圆线，建立计算的网格，在船舶从一个网格节点到下一个网格节点的时间间隔内可设定船舶航速不变．显然，确定船舶在波中的航速是问题的关键之一，从船舶耐波性的角度，已经作了大量的研究．研究结果表明,当波浪有义波高在某界限以下时，航速将随波浪中阻力和风阻力的增大而减少，称为船舶在波中的失速；当有义波高在某界限以上时，航速主要受甲板上浪，拍底的限制，并随有义波高的增大而减小，此时应确定船舶的最大允许航速．现在可以用耐波性理论估算或模型试验的方法得到影响航速的有义波高的界限，以及失速的大小和最大允许航速．显然，由于海浪谱及其谱分析方法在应用中的局限性，实际航线应根据近期的天气和海浪预报进行适当修正．

（2）智能船舶驾驶

计算机辅助决策系统是实现船舶自动化驾驶的重要环节，其中有关船舶航行安全评估系统可以吸收船舶耐波性研究的丰富成果结合模糊逻辑判断得出．在这个方面笔者曾经作了一些有意义的探讨［7］，现说明建立评估模型的方法．

船舶倾覆的危险主要发生在尾斜浪或顺浪情况.首先应确定发生倾覆的危险因素，选择波向角，航速，波能集中比率和横稳性高作为引起船舶倾覆的四个危险因素，然后根据具体情况将危险分为四个等级．最重要的是确定各个危险因素对各危险程度的隶属函数.由于海浪的随机性,船舶倾覆事件也必然是随机事件，各个因素引起船倾覆的统计概率可以从船模倾覆系列试验中获得．在多数情况下，可以认为隶属函数具有正态分布的特征，其数学形式为

式中,a,b为待定的系数;Pi(ξ)为概率分布函数．由于每个危险因素在评估中的影响程度不同，对每个因素应配置不同的加权系数，称为权重．评估模型采用加权平均型

式中，ai为权重;rij为评估矩阵（i表示第i个因素，j表示四个危险等级），选择适当的概率值作为进入各危险等级的阈值;c为综合评定参数，取0.70为临界值．

对于多因素引起的船舶安全问题，主要包括船舶结构安全，装（卸）载安全，大风浪中航行安全等,原则上都可以采用上述方法建立安全评估模型．但是，由于建模的工作量非常庞大，目前看到的成果还很少．

（3）非标准重大件货的系固

非标准重大件货指海上油田井架，大型工业成套设备，机车车辆，高速船舶，大型变压器等，这些货物的共同特点是重量大，尺寸大，如果系固不当就会造成货物滑移、倾倒,酿成重大事故．决定系固方案和系固强度的技术关键是计算出作用于货物上的运动惯性力的大小和方向．由于运动惯性力取决于船舶在波浪中的运动性能，因此,耐波性理论为解决这类问题提供了相应的理论基础和各种经验计算公式．从安全角度出发，人们仅对可能出现的极大值有兴趣，如波高、横摇和纵摇角度以及垂荡幅度的极大值等，应用耐波性理论可以获得这些最大值的概率估计值，笔者曾对这个问题进行过讨论［8］．

作用于货物重心的合成运动惯性力为

式中,Fx,Fy分别为与甲板平行沿纵向和横向的惯性力;Fz为与甲板垂直方向的惯性力．单位重量产生的各个分力的计算公式分别为

式中,m,θm分别为最大纵摇和横摇角；Tφ，Tθ分别为最大纵摇和横摇周期； lx，ly，lz分别为货物重心至船重心的坐标距离；Tz,zm分别为最大垂荡周期和幅值，上述船舶运动参数可以根据耐波性理论求得．理论方法计算惯性力的好处，不但可以获得力的大小和方向，而且可以估计发生的概率，从而为系固结构的强度可靠性分析作好准备，这是其他计算方法所欠缺的．当然，理论计算也存在计算步骤多等缺点，但在计算机性能日益强大的今天, 这些缺点不会影响理论计算方法的推广和使用．

（4）船舶运动状态极短期预报［5］

由飞机在航空母舰的起降而提出的对船舶在未来极短期内运动要素的预报，使得现代控制理论在船舶耐波性研究中的应用引起广泛的注意．船舶运动状态极短期预报要解决的问题是，根据船舶运动的历史纪录能准确地预报船舶在以后几秒及十几秒内运动的幅值、速度和加速度．自适应滤波技术的采用可以免除船舶运动的先验统计知识，自动调节自身的参数．自适应滤波器的数学模型为

式中，为k-i 时刻的估计值．对式（16）可以利用递推最小二乘法，用新值代替旧值进行辨识，它的递推形式为

式中,P 为状态转移矩阵．

采用相位差分GPS技术，可以实现对船舶运动参数的测量，结合自适应滤波器的应用，船舶运动状态极短期预报在精度和可靠度上将有根本性的提高．可以相信，这项技术将在船舶自动化驾驶和船舶海上作业方面发挥重要作用． 结 论

上面的讨论仅根据笔者的知识和理解，实际上还有一些地方没有涉及到．在我们即将进入21世纪之际，回顾半个世纪来船舶耐波性理论的发展和在造船业中的应用所取得的成就，对于航海技术在其发展的过程中吸收和采用耐波性理论研究成果会有很好的参考价值．同时，我们也相信船舶耐波性理论在下一个五十年的发展中也将十分关注在航海领域中的应用．

作者简介：沈 华(1948～)，男，副教授

作者单位：大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026 参 考 文 献

［1］ Denis M St，Pierson W J Jr.On the motion of ships in confused seas［J］.Trans SNAME ,1953.56-74．

［2］ Moor D L.Longitudinal bending moment on models in seas［J］.Trans SNAME, 1967,109:117-165.［3］ 陶尧森.船舶耐波性［M］.上海：上海交通大学出版社，1985.184-211.［4］ 练 淦.海上船舶性能预报方法［M］．北京：国防工业出版社，1978.86-162． ［5］ 船舶耐波性专辑［J］.中国造船增刊,1991.1-58．

［6］ 郭 禹.航海学［M］.大连: 大连海事大学出版社, 1999.399-416.［7］ 沈 华，邹开其，黄鼎良.尾斜浪中操船危险性综合评估［J］.大连海事大学学报，1997, 23(4):11-14.［8］ 沈华.重大件货物单元惯性力计算［C］.大连海事大学校庆暨中国高等航海教育90周年论文集（航海技术分册）,大连:大连海事大学出版社, 1999.37-41.收稿日期：1999-05-05

第二篇：重庆交通大学操纵性与耐波性总结

操纵性

1.船舶操纵性定义及研究内容

操纵性：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能。即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。

研究内容：航向稳定性、回转性、转首性及跟从性、停船性能。

2.船舶附加质量的含义及与物理质量比例的大致范围

附加质量：附加惯性力与船的加速度成比例，其比例系数称为附加质量。（作不定常运动的船舶，除了船体本身受到与加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度，根据作用与反作用原理，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。）附加质量：mx≈（0.05~0.15）m my≈mz≈（0.9~1.2）m

附加惯性矩Jxx≈（0.05~0.15）Izz Jyy≈（1~2）Izz Jzz≈Iyy I是质量惯性矩

3.漂角、航向角和水动力中心的含义

漂角：船舶重心处的速度矢量V与x轴正方向的交角称为漂角β。并规定速度矢量转向x轴顺时针方向为正。

航向角：船首指向的方向和船舶在水面上的真实轨迹之间的夹角。

4动坐标系统速度转换到大地坐标系统公式：XX0cosY0sinYY0cosX0sin

5、线性水动力导数Yv,Nv,Yr,Nr的物理意义

水动力的位置导数Yv是一个较大的负值。

水动力力矩的位置导数Nv是一个不大的负值。指的是v引起的升力系数/力矩系数水动力的旋转导数Yr的绝对值不是很大，其符号由船型决定，可正可负。

水动力矩的旋转导数Nr是一个很大的负值。指的是r引起的水动力系数/水动力矩系数

6、线/角加速度水动力导数的物理意义及数值大小判断

水动力的线加速度导数Y.是一个相当大的负值。指的是附加质量 V

水动力矩的线加速度导数N.是一个不大的数值，其符号取决于船型。指的是由V引起的V

附加惯性力矩系数

水动力的角加速度Y.是一个较小的值，其符号取决于船型 r

水动力矩的角加速度导数N.是一个很大的负值。指的是回转加速度引起的船舶附加rr

惯性力系数/惯性力矩系数

7、野本方程及物理意义

野本方程：Tr+r=Kδ..物理意义δ：船舶的惯性力矩、阻尼力矩和舵力矩的作用下，进行的缓慢转，首运动，可以

用下列式子近似表示：Ir+Nr=MδN为船舶回转中的阻尼力矩系数，I为船舶回转中的惯性力矩系数，M为舵产生的转首力矩系数。T=I/N,K=M/N由此可知，T是惯性力矩系数与阻尼力矩系数之比，T值大，表示船舶运动过程中收到的惯性力矩大，阻尼力矩小。而K是舵转首力矩系数与阻尼力矩系数之比。K值大，表示舵产生的转首力矩大，而阻尼力矩小。

8:稳定性衡准数,位置力臂和阻尼力臂表达式

答:稳定性衡准数 CYvNrNv(Yrmu1)C>0表示船舶具有直线稳定性,C<0表示不具

NV有直线稳定性.位置力臂lv阻尼力臂lvlr→直线稳定性 YV

9.直线,方向,位置稳定性的定义

直线稳定性:船舶受瞬时扰动后,最终能恢复到直线航行状态,但航向发生变化.方向稳定性:船舶受扰后,新航线为与原航线平行的另一直线.位置稳定性:船舶受扰后,最终仍按原航线的延长线航行.10.船舶是否具有直线稳定性的判断方法（同8）

11.船舶回转运动三个阶段的定义

回转运动的三个阶段:转舵阶段:船舶从开始执行转舵命令起,到实现命令舵角止的阶段过渡阶段:从转舵终止到船舶进入定常回转的中间阶段定常阶段:在回转运动中,过渡阶段终了,船舶运动参数开始稳定,达到新的平衡阶段,称为定常阶段

12.船舶回转圈的特征参数及其定义（画图）

回转圈的特征参数:定常回转直径D:在回转运动中,船舶进入定常阶段后的回转圈的直径战术直径:船舶首向改变180゜时,其重心距初始直线的横向距离纵距Ad:自转舵开始时的船舶重心沿初始直线航向至首向改变90゜时的船舶重心间的纵向距离④正横距Tr:船舶转首90゜时,其重心至初始直线航线的横向距离⑤反横距K:船舶离开初始直线航线的回转中心的反侧横移的最大距离

13.回转性指数(K)和应舵指数(T)无因次化方法

K,T无因次:K'lvK()T'T(0)一般船舶K1.2~3.0。T值为0.8~6或1左右 lv0

14.回转指数和应舵指数对船舶操纵性的影响

回转性指数K大,表示回转性好,定常回转直径小;应舵指数T小,表示船舶的稳定性和跟从性好.15、一般船舶回转性指数和应舵指数的大致范围

回转性指数K’的大致范围为1.2~3.0

应舵指数T’的大致范围0.8~6或1左右

16、什么是船舶的转舵指数？其数值与船舶的转首性的关系？

1k'

转首指数p≈，P代表操舵后船舶移动一个船长时，用以判断操舵效应的每单位舵角2T'

引起的首向角改变值。P值越大，船的转首性越好，船越容易改变航向，P＞0.3可以保证船舶拥有合理的转首性。

17、菲尔所夫船舶定常回转速降估算公式

VcR2

2V0是回转初速，回转直径越小，回转时漂角就越大，则回转速降就2V0R1.9L

越大。

18、船舶回转过程中横倾变化的基本特征及近似计算公式

基本特征：先内倾后外倾

Vd近似估算公式： R1.10(ZG)hL219、船舶操纵性试验种类和实验目的回转试验：测量船舶回转圈，从而确定船舶回转时的各要素

Z性操纵试验：测定回转性指数K和跟从性指数T

螺线试验、逆螺线试验、回舵试验：评价船舶的直线稳定性

20、《船舶操纵性暂行标准》规定的操纵性衡准

（1）回转能力（2）初始回转能力（3）偏航修正和航向保持能力（4）停船能力

21、舵设计时偏重回转性还是稳定性的设计依据 2

可以采用系数 sL

CBB作为初步考虑的依据

S ≥9时，舵设计应偏重回转性要求

S≤7时，要侧重稳定性的要求。

22:舵设计的主要内容。

答：舵的数目和形式的选择。舵的尺度和形状的设计。舵力及多杆扭矩计算和舵机功率估算。

23作用在舵上的无因次水动力系数物理含义。（画图）

答：升力系数Cy，阻力系数Cx，法向力系数CN,切向力系数CT,水动力合力系数C，水动力矩系数CM。在机翼理论中，以升力系数、阻力系数和压力中心系数Cp与攻角α的关系曲线来全面表达其水动力性能。

24；敞水舵水动力性能曲线的解读。

在某一攻角范围内，升力系数Cy随攻角α的增大而增加。当α较小时，Cy与α呈线性关系：随着α的增大，舵上水流在弦向叶背上某点开始分离，Cy与α不再保持线性关系。随着攻角的继续增加，水流分离的范围扩大，系数Cy随增加更慢。当舵叶背上水流产生大面积分离时，Cy迅速下降，这种现象称为失速，对应的攻角为失速角，用cr表示。

25：不同展弦比的升力特点。

展弦比大，小攻角升力系数大，失速角小；展弦比小，小攻角升力系数小，失速角大。

26.舵设计时通常采用的剖面形状、展弦比和叶厚比。

舵设计展弦比为1.5~2,厚度比：典型桨是0.15~0.18，一般取0.12~0.18我国内河船是0.18~0.24剖面形状为NACA型和茹可夫斯基型。27：舵设计时需要船舶设计师做的主要工作？

用于舵设计的Cy、Cp曲线展弦比换算，把曲线展弦比换算成实际λ对应的Cy、Cp曲线船桨后舵水动力计算④根据水动力计算结果进行舵机扭矩计算。

28：改善船舶操纵性的有效措施

提高直线稳定性，增加中纵剖面尾部面积，中纵剖面面积形心后移，最好使形心处于重心之后。例如：增加呆木，增加尾倾，切去前锺，前倾首柱实践表明中横剖面面积和船尾形状的微小变动都对船舶操纵性有明显的影响.耐波性

1.船舶摇荡主要类型 横摇、纵摇、垂荡

风浪要素：风速，即在水面规定高度上风的前进速度；风时，即稳定状态的风在水面上吹过的持续时间；风区长度，即风接近于不变的方向和速度在开敞水面上吹过的距离风浪种类：风浪、涌浪、近岸浪

3.规则波：波面可以用简单函数表达的波浪.。余弦波：波形轮廓是余弦曲线的规则波。w2A波高为波幅的两倍，波幅A波峰或波谷到静水面间的垂向距离

圆频率ω:轨圆运动的周期为波浪周期，轨圆运动的角速度为波浪圆频率

4.深水条件下波长、周期、波速之间的关系

2T0.8 1.56T2C1.25 g

5.史密斯效应：在深水中，由波浪引起的压力变化与轨圆半径的变化具有相同的规律，即随着水深的增加，压力变化以指数规律衰减。

126.波浪能量与波幅之间的关系EgA 2

7.三一平均波幅又叫有义波幅，他是把侧得的波幅按大小依次排列，取最大1/3的平均值。有义波幅接近海上目测的波幅，通常用于衡准风浪大小。

8.风浪谱密度的使用以及使用条件（366）

已知风浪谱密度和频率响应函数，求船舶运动等的谱密度。

已知风浪谱密度和由测量分析中得到运动的谱密度，从而可以求得频率响应函数。

在某一海区用已知频率响应函数的船舶，测量其运动谱密度，从而可以得到该海区的风浪谱密度。

12.船舶摇荡运动的频率响应函数的理解

Yy()yA()A式中分子代表输出，是船舶摇荡值（横倾角、纵倾角、或升沉距离）；分母代表输入，是波浪的波幅，波幅可由a02A中波倾角替换，则频率响应函数为

AA2A2Y()K，代表遭遇频率 Aa0gam0g

14.水质点m的合力沿着波面的法线方向，此合力称为表现重力。

mK0，0m0是有效波倾角的幅值，称为有效波倾，它代表 对船舶整个水下体积

起作用的波倾；K是有效波倾系数，K应小于1，它是船体形状、船宽与波长比、吃水和重心位置等的函数，也是波浪频率

15.影响横摇固有周期的因素及计算式 横摇固有周期：的函数。DhD:船的排水量h:船的初稳性高 'IXX

2 船的固有周期：T

影响因素：排水量、初稳性高、以及船舶对纵轴ox的总惯性矩Ixx包含实际惯性矩和附加惯性矩。

16.横摇阻尼力矩系数、衰减系数、横摇调谐因素、无因次衰减次数，放大因数

横摇阻尼力矩系数：由横摇自由运动试验得到阻尼系数。

N1(s)称为衰减系数，它表征阻尼和惯性对横摇衰减影响的程度。'Ixx

T称为横摇调谐因数，它等于波浪的频率与横摇固有频率之比。T

称为无因次衰减次数，他表征了阻尼，惯性和复原力矩对横摇的影响，是表征横摇

性能的又一重要参数。

A/m表示横摇幅值与有效波倾之比，称为放大因数，它表征了船舶在规则波中横摇大小0的程度。

18.船舶的主要减摇装置及效果

①舭龙骨②减摇鳍 它是减摇效果最好的主动式减摇装置，设计的好的减摇鳍在任何情况下都可以使横摇幅值保持在3°之内。③减摇水舱，分为主动式和被动式两种，主动式水舱的效果很好，设计的好的被动式水舱可以使横摇幅值减小一半左右。

减摇效果的比较：减摇鳍>主动式水舱>被动可控式水舱>被动式水舱

19.用流体力学理论研究纵摇问题时做的基本假定。

①假设船舶是一个刚体，忽略它的弹性变形。②不考虑水的粘性和可压缩性③假定作用在船体上的是微幅规则波④假定船舶摇荡的幅值是微小的。

20.纵摇、横摇、垂荡周期和无因此衰减系数的比较。

纵摇和垂荡的固有周期是接近的，这里指的固有周期实际上是在静水中的自由摇荡周期，对于一般船型大约在2～5s之间，约为横摇固有周期的1/2。纵摇无因次衰减系数0在0.3～0.5之间，而横摇只是在0.05～0.07之间。垂荡与纵摇相类似，垂荡的无因此衰减系数z在0.3～0.4之间。

21.求顶浪航行时纵摇谐摇波长的方法。

VTe0.78TeVTe0.78Te222VT22

e 将船舶纵摇固有周期或垂荡固有周期代替

Te带入上式求出的就是纵摇谐摇波长。

22.最大能量波长和最大有义波长的定义和确定方法

（1）对应谱密度曲线的峰点的单元波，在不规则波的组成中含有最大的能量，称为最大能量的单元波，其波长称为最大能量波长最大能量40w/3

（2）波长超过一定范围的波，它在整个单元波中占有很小的比例，不具备使船产生很大横摇的能量，这个波长界线称为最大有义波长 最大有义,最大有义 ≈60w/3 

23.针对纵摇运动的主成分波和有义成分波的划分方法

（1）主成分波：波长等于船长的单元波和最大能量单元波之间的单元波，称为主成分波，他们对纵向运动起着主要的作用。

（2）有义成分波：波长等于3/4船长的单元波和最大有义波之间的单元波，称为有义成分波。在有义波区间之外的单元波，对船舶纵向运动不产生明显影响。

24.纵摇运动临界状态的划分方法

（1）亚临界区域：以某一航速航行的船舶，当谐摇波长小于3/4船长时，则定义该船处于亚临界区域。

（2）临界区域：当船舶的谐摇波长位于主成分波区间时，这时波浪给予船舶较多的能量，因而产生激烈的运动，称为临界区域。

（3）超临界区域：当谐摇波长大于最大有义 时，称为超临界区域。

介于亚临界区域与临界区域之间的称为亚临界过渡区域。

介于临界区域与超临界区域之间的称为超临界过渡区域。

25.船舶初稳性高对船舶横摇运动的影响？

初稳性高是船舶安全的重要衡量标准，同时也是横摇的重要参数。

初稳性高影响横摇固有周期，减小初稳性高h时，横摇固有周期T增加，横摇缓和幅值减小。但要注意的是，为了船舶的安全，在任何情况下都必须保证h具有适当的数值，如果h过小，不仅降低了船的抗风能力，而且在顺浪时，当波峰位于船中时，有可能丧失稳性而倾覆。同时也要估计到有自由液面的油水舱往往比设计的理想情况多，初稳性高要留有一定的余地。

改变初稳性高最有效的方法是改变重心位置。重心Zg提高，h下降，T显著增加。对于因重心过低而使T过小的船，在设计中可以采取一些措施改善。

第三篇：外部性理论在环境保护中的应用

外部性理论在环境保护中的应用

摘要：外部性理论是环境经济学的理论基础。它一方面揭示了市场经济活动中一些低效率资源配置的根源，另一方面又为如何解决环境外部不经济性问题提供了思路。环境经济政策体系是国际社会迄今为止，解决环境问题最有效、最能形成长效机制的办法。外部性内部化是制定环境经济政策的出发点所在。从环境的外部性理论入手,分析我国环境问题的现状,利用外部性理论,提出解决我国的环境污染问题的对策。关键词：外部性 环境经济政策 环境保护

1、外部性含义

a）外部性是在没有市场交换的情况下，一个生产单位的生产行为（或消费者的消费行为）影响了其他生产单位（或消费者）的生产过程（或生活标准），如果

Fi=f（Xi，Xi，Xi，···，Xi，Xj，）i≠j 则可以说生产者（或消费者）j对生产者（或消费者）i存在外部影响。其中Fi是生产者i的生产函数或消费者i的效用函数；Xi是生产者（或消费者）i的内部影响因素；Xj是生产者（或消费者）j对i施加的影响。

b）外部性是指当某个企业的经济行为（或某人的消费行为），经过非价格手段，直接地、不可避免地影响了其他企业的生产（或其他人的效用），并且成为后者自己所不能加以控制的情况时，对前者来说就存在外部性问题。实际上，外部性是指一个经济主体的行为对另一个经济主体的福利所产生的影响并没有通过市场价格反映出来。

外部性的产生，实质上是社会边际收益或社会边际成本与私人边际收益或私人边际成本之间存在着差异。当存在外部性时，人们在进行经济活动时所依据的价格，既不能准确地反映社会边际收益也不能准确地反映社会边际成本，由于价格信号失真，据此做出的经济活动决策会使社会资源配置发生扭曲，不能实现帕累托最优。因此，只要存在外部性，资源配置就不是有效的。

在环境资源日益稀缺的情况下，环境资源的无产权和零价格制度，致使其生产和消费中存在私人边际成本与社会边际成本以及私人边际收益与社会边际收益的差异，导致了环境资源的竞争性使用和环境质量的不断降低，产生了环境外部性问题。当存在环境外部性问题时，厂商的利润最大化原则并不能导致环境资源配置的帕累托最优状态。

外部性对私人收益与社会收益、私人成本与社会成本相比较,可以分为外部经济性和n

m

23m

n外部不经济性。外部经济性是指一种经济行为给外部造成的积极影响,使他人减少成本,增加收益。外部不经济性是指在经济活动中,由于决策者在自己承担的成本之外,带给他人或社会以额外的成本或负担,从而使社会成本大于私人成本的现象。

2、环境问题中的外部性

环境问题不仅仅关系到人类生存的条件，对经济发展也有一定的影响。目前,环境污染问题成为世界各国关注的焦点。环境的外部性分为外部经济性和外部不经济性，外部经济性主要是微观主体通过自己的活动给其他群体所处的环境带来积极的影响。如上游居民种树，保持水土，下游居民得到质量和数量有保障的生产和生活用水。外部不经济性是指微观主体通过自己的活动给其他群体所处的环境带来消极的影响。环境污染便是外部不经济性的典型实例，有学者称其为资源的无效率配置，因为产生外部性的行为人其私人成本要小于社会成本。假设河流的上游有一个钢厂，下游有一个渔场，钢厂造成河流的污染使渔场受损，钢厂产量越高，渔场损失越大。而钢厂作为肇事者，却无需对渔场给予任何补偿。由于钢厂厂主在生产时只考虑其私人成本和个人利益最大化，无需考虑河流受到的影响，而使渔场受到损害，尽管这种损害是无意的。外部性之所以存在的一个根本原因, 在于河流作为一种公共资源的特殊性。

3、探索环境保护的途径

外部性理论阐述了由于资源的无偿共享性(即有竞争性和无排他性), 导致了厂商们单纯追求自身利益的最大化而无需对资源和环境负责, 从而引发环境问题的大量存在。为此, 必须引入一些特定因素对厂商行为形成约束, 才能尽可能减少上述破坏环境的行为发生。

政府的宏观调控职能在此发挥着至关重要的作用。环境规划和管理近些年被国内外的实践证明是一条行之有效的途径, 它通过运用法律、行政、经济、教育等综合手段来实施环境管理。

一、法律限制。在一个法制社会，这是解决上述问题的最常规方法。法律由国家制定和认可，其稳定性与强制性使受害者的权益受到最有力保护。美国经济学者斯蒂格里兹认为，“ 运用法律系统解决外部效应有一个很大的优点，受害者有直接的利益，因此受害者比政府更愿意弄清有害事件是否发生。” 法律的公开公正性通过整个审判过程可以得到足够的体现，受害者不会受到集团压力的影响。但是从另一方面来讲，法律措施也显出一些弊端。一是诉讼成本问题。诉讼环节的复杂和费用的昂贵使一些私人受害者望而却步。二是在存在多数受害者情况下，很难阻止“ 搭便车”(free riders)现象, 每个人都想让他人去起诉，如果成功，自己便可坐享其成。

二、行政督导。政府的行政管理手段一直以来都具有灵活、简便和有效的特点。相对于法律手段而言，这种措施更适合在小范围使用，结合地方特点，制定与使用更灵活而有针对性。当由于外部性导致市场调节失灵时，政府将充当“ 第二只手” 调节资源的最优配置。例如, 厦门PX是个化工项目，投资逾百亿，但距离人口密集区过近，有环境污染之险。从2004年2月国务院批准立项，到2007年3月105名政协委员建议项目迁址，厦门PX事件开始进入公众视野，6月1日市民集体抵制PX事件，及至厦门市政府宣布暂停工程，PX事件的进展牵动着公众的眼球；从二次环评、公众投票，到最后迁址，地方政府与公民百姓，从博弈到妥协，再到充分合作，留下了政府与民众互动的经典案例。

三、税收与补贴。经济手段的最大特点，在于它触动了厂商们最敏感的神经——对利益的关心，从而直接干预自身的经济行为。当然，针对环境污染和资源遭受掠夺情况来看，主要应采取向污染者征税原则，这就是著名的“污染者付费原则”。在最佳排污量被确定的前提下，超过的部分即被称为外部费用，以此作为征收排污税的标准。这就会出现：

边际私人成本=边际社会成本+边际外部费用-排污税； 当排污税=边际外部费用时，边际私人成本=边际社会成本。

私人成本的增加将促使厂商或抬高价格，或限定产量，产量便会达到新的均衡。在通常情况下，厂商们会因交税而不得不限制污染行为，但是，少量的税却不会影响大生产商的行为，对于有利可图的产品，厂商们不会因交税而限产；另外，最佳排污量的确定也会使一些厂商打“ 擦边球”，也就是使污染量尽可能接近并小于这个数字。总之，经济手段不会像行政与法律手段带有指令性或强制性，对一些污染行为只能限制，不能禁止。

四、绿色教育。绿色教育包括生态意识、可持续发展和环保意识三个方面，其中生态意识是后两个的重要基础。党的十八大报告将中国特色社会主义事业总体布局从 “四位一体”扩展为“五位一体”，包括经济、政治、社会、文化、生态。生态文明建设的提出，使得全社会、全人民范围内重视资源、保护环境的思想深入人心。这里政府有关机构的宣传和倡导至关重要。可以通过新闻媒体将可持续发展和环保意识渗入到每个公民思想之中，并通过高等院校的绿色教育培训出运用环境科技制定公共政策的专业人才。污染企业要把清洁生产、污染预防、污染治理纳入整个生产经营计划，只排污、不治污的投机行为将会给予严厉打击。毫无疑问，治污所耗用的资金和技术将使产品成本有所提高，但随着环境技术的改进和创新，将带来劳动生产率的提高；同时，符合环保标准的产品也会深受消费者的青睐，从而为企业带来更多的利润。

五、自愿协商是不要政府干预,让市场自己来达到最优的一种完全自由化的市场方法。该方法是以科斯为首的一些经济学家们的主张。他们认为,只要有了设计适当的产权, 就可以靠有关当事人的自愿协商或判断解决外部性问题。在环境保护领域, 排污权交易制度就是科斯理论的一个成功运用。当然,科斯理论也存在诸如在市场化程度不高的经济中,科斯理论不能发挥作用等局限性。

4、我国的环境经济政策

环境污染及其外部不经济性的实质是私人成本的社会化, 所以要从根本上解决水污染问题, 也只有将这种外部成本内部化, 即让排污者产生污染的外部费用进入他们自己的生产或消费决策,由其自己承担或内部消化 , 即环保界普遍接受的“污染者负担”或“污染者付费”原则。4.1征收环境税

外部性的产生归结于生产无效率,这是因为投入品的价格没有正确地反映出社会成本。所以英国的经济学家庇古在20 世纪30 年代提出了向污染者征税,以矫正其投入品定价过低问题。对造成我国的环境污染的行为征收“庇古税”,即把环境污染和生态破坏的社会成本,内化到生产成本和市场价格中去,再通过市场机制来分配环境资源的一种经济手段。征收的税率取决于污染的边际损失,并不因企业排污的边际收益或边际控制成本差异而有所区别；环境税只是相对于排污量而征收,与企业的产量没有直接的关系。4.2排污收费

排污收费制度是由政府首先给所有产生污染的企业确定一个污染标准,企业按照这一标准交纳排污费。在市场机制的作用下,企业会根据自己利润最大化的原则来决定自己的污染物排放量和产品产量。实行排污收费有以下优点:第一,企业拥有一定的自主权。每个企业都可以根据自己的边际控制成本在减排污治理与排污缴费之间进行选择,有利于激励企业实行减少污染。第二,可以降低政府的监督、管理成本。从政府管理的角度讲,政府不再干涉企业具体的生产决策,只是确定企业从事的经济活动是否会导致污染,污染的量是多少。这样,降低了政府用于环境监督管理的费用。第三,排污收费是国家的财政收入,可以用于清洁生产补贴和建设公共的污染治理设施。4.3排污权交易 实施排污权交易首先要建立合法的污染物排放权力(通常以排污许可证的形式表现),并允许这种权力像商品那样被买入或卖出,以此来进行污染物的排放控制。排污权交易的优势是明显的:首先,成本最小。治理成本低的企业可以多减排,把多余的许可证拿到市场中出售。而治理成本高的企业少减排,不足的排污权到市场中去购买,从最后的效果来看,污染的减排总是由治理成本低的企业来完成,所以从总体上降低了污染治理的成本。其次,绿色环保组织可以买入排污许可证而不卖出,以实现污染物排放总量的减少和环境水平的提高。最后,政府可以根据国家的环境目标卖出或买入排污许可证,从而实现政府对环境总水平的调控。

参考文献

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第四篇：材料在航空中的应用

题目：

材料在航空中的应用

学 生： 南冬冬 学 号： 201103020121 院（系）：

资源与环境 专 业：

服装设计与工程 指导教师： 王秀峰

2013年6月10日

材料是人们生活和生产必须的物质基础。也是人类进化的重要里程碑。材料科学主要研究材料的成分、分子或原子机构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性能之间的关系。它是一门边缘新科学，主要一固态物理和固态化学、晶体学、热力学等位基础，结合冶金化工及各种高新科技术来探讨材料内在规律和应用。材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物

理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。

航空航天大多是在极端条件下进行的，所以对材料的要求很高。经过几十年的航空航天材料研究，研制出了纳米颗粒炸药、碳纳米管高硬度材料、铝氧纳米管材料和新型密封材料、电子绝缘聚合物材料、新型“热塑料”材料以及原子级硅记忆材料和铝－硅合金等，并发现了纳米孔隙网材料等。而且新材料工艺也取得了重大突破：采用温轧法、粉末冶金法、非晶复合技术工艺、急速凝固法、树脂膜浸渍法和等温化学气相浸渗法制造出了高强度合金材料、梯度功能材料以及抗损伤复合材料编制机等。与此同时，新材料在航空航天应用上也有重大进展，形状记忆合金、量子隧道效应复合材料等高性能材料得到了广泛应用；火箭尾喷管应用纳米复合涂层、火箭发动机涡轮泵应用陶瓷基复合材料叶盘；采用复合材料排布机编制燃料箱；采用红外材料制成手提式定向反射仪以及用氮化物基材料制造出电子器件等

复合材料在航空中的应用

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维由于具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能，因而使其成为一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代增强纤维。

目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。

碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强塑料碳纤维的含碳量在90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一一种强度不下降的物质。此外，它还兼具其它多种得天独厚的优良性能，更可贵的是，碳纤维与其它材料具有很高的相容性，兼备纺织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大的设计自由度。这就使得碳纤维成为纤维增强材料中发展最迅速、应用范围很广、适于不同领域要求的纤维材料。研制大型飞机要突破许多关键技术，其中一项是“先进复合材料结构设计技术”，这项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长，特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。自玻璃纤维与

有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，而且性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。

碳纤维复合材料在航空领域的具体应用 碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。

碳纤维树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。

碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。

直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者” 直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

纳米材料在航空中的应用

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于传统材料的物理和化学性质。利用纳米材料这些独特的性质。可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能的材料．开辟出新的材料生产途径．以满足传统材料所不能达到的要求．尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求。应用纳米材料可减小航天器电子元器件的体积和质量．并提高其可靠性。纳米材料的发展方向主要有功能纳米材料及结构纳米材料纳米材料在航天器结构材料上的应用 1．金属及金属基复合材料晶粒细化是提高金属材料强度最有效的方法之一。利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法，就是把纳米陶瓷粉体均匀分散于合金中．以提高合金的成核速率．同时抑制晶粒长大．从而起到晶粒细化的作用。抑制材料使用过程中微裂纹的扩展．提高产品的强度。例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米硅粉添加到金属基体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中。可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。

(1)纳米氮化钛应用于合金钢、铁纳米氮化钛具有硬度和热稳定性高、粒度小，以及分散性好的特点。在钢水冷却结晶过程中．纳米氮化钛成为晶核相．可大大增加成核数量，减小晶粒尺寸．达到细化合金晶粒的效果．使合金的综合性能大大改善。

(2)纳米碳化硅应用于银基复合材料通过向基体中加入均匀、细J．J＼，具有良好稳定性的颗粒．达到弥散强化合金的目的．是制备高强高导合金材料的重要途径之一。纳米碳化硅对于银合金来说是一种有效的增强相．当纳米碳化硅的质量百分含量为l％时．强化效果佳．材料的抗拉强度可达39IMPa．相对电导率为60．2％，强度和耐磨性均有所提高。(3)纳米碳化硅弥散强化铜基复合材料高强高导铜基复合材料在集成电路的引线框架 各类点焊、滚焊机的电极、触头材料，电枢、电动工具的换相器等电子设备中具有广泛的用途。但铜合金的高强度和高导电性一直是一对互相矛盾的特性．一般只能在牺牲电导率和热导率的前提下改善铜的力学性能，以获得高强度。采用纳米碳化硅稳定弥散强化铜基材料是解决 这一矛盾的较好方法 通过向基体中加入均匀、细小，具有良好稳定性的纳米碳化硅颗粒以达到弥散强化铜合金的目的．已成为制备高强高导铜基复合材料的研究热点。

(4)纳米碳化锆应用于硬质合金纳米碳化锆是一种重要的高熔点、高强度和耐腐

蚀的高温结构材料 纳米碳化锆用于硬质合金材料中．可提高材料的强度和耐腐蚀性等性能。

纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化性。研究表明，用纳米碳化硅、碳化锆、碳化钛、氮化钛、碳化硼等粉体作为金属表面的复合涂层．可获得超强耐磨性和润滑性．其耐磨性比轴承钢高100倍．摩擦系数为0．06～0．1．同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性。在液体火箭发动机关键零部件中应用纳米技术．可大大延长这些零部件的使用寿命 4．特种密封材料发动机出现故障最多的是各种密封面的失效．密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素．和用纳米材料改性密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末极大地改善其密 性能。目前。密封橡胶所用的增强剂多为纳米级炭黑．若改用纳米氮化硅使其拉伸强度提高1 4倍．并改善其耐磨性和密封性。

将纳米金属粉添加到固体火箭推进剂中．可显著改善固体推进剂的燃烧性能。例如，在固体火箭推进剂中添加纳米级铝粉或镍粉．推进剂燃烧效率可得到较大提高、燃速显著增大。含有纳米金属铝粉的固体推进剂燃速比含有常规铝粉的固体推进剂的燃速高5 20倍。

总而言之, 材料的不断发展可以极大的促进航天事业的发展。航空材料也变得多种多样，例如现在的智能材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础，而随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。

第五篇：复合材料在航空中的应用

《飞行器设计与工程专业技术讲座

（三）》结课报告

班级：

学号：

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日期：2016年 10月09日

复合材料在航空中的应用

前言

现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料[1] 对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。2003～2008年间中国年均增速为15%，印度为9.5%，而欧洲和北美年均增幅仅为4%。

一．复合材料的简介

复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

二．在航空中常用的复合材料

60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×10厘米（cm），比模量大于4×10cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。

目前航空航天领域应用较广的复合材料航空主要包括树脂基复合材料、金属基复合材料、碳基复合材料和陶瓷基复合材料。

1．树脂基复合材料

树脂基复合材料有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛、石英／酚醛、碳／酚醛、涤纶／酚醛材料和以不同树脂为基体的低密度烧蚀材料。其中玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和石英／酚醛材料属于碳化--熔化型烧蚀村料，适用于中等焓值和中等热流密度的工作环境再入飞行器和中等推力的固体火箭发动机防热材料；碳／酚醛材料属于碳化--升华型烧蚀材料，适用于能发挥升华效应的较高焓值和较高热流密度的工作环境，可用于更远距离再入飞行器和高性能固体火箭发动机喷管等；涤纶／酚醛材料和低密度烧蚀材料适用于高焓、低热流和较长时间再入的航天飞行器如返回式卫星和飞船等。树脂基介电--防热材料有高硅氧／聚四氟乙烯材料，它属于升华--熔化型烧蚀材料，烧蚀过程中不生成碳，具有良好的透波性能，烧蚀性能与高硅氧／酚醛相匹配，用作航天器天线窗口材料。

先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后 二者。目前用途最广的主要有碳纤维复合材料(CFRP)和芳纶纤维复合材料(AFRP)。CFRP 具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料[2]。AFRP热稳定性好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力。国外近年致力于将该种材料用于制作军、民用飞机的“光谱屏蔽”材料,其关键性能指标------抗冲击性能相当出色。

2.金属基复合材料

金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。而在我国仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅5000吨左右,与国外差距较大[3]。

3.陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料

陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料。目前美国和西欧各国侧重于对陶瓷基复合材料在航空和军事应用上的研究。美国国防部一直把这项技术列入重点投资项目,仅1992年美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达3500万美元[4]；法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD-SEP火箭试验发动机已通过点火试车,并使结构减重50%[5]。国内从20世纪90年代初开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道。

我国获得应用的陶瓷基耐高温防热／透波阻及防热，透波，承载多功能复合材料主要为二氧化硅基复合材料。二氧化硅基透波复合材料是以二氧化硅材料为基体，采用高硅氧纤维织物或石英纤维织物作为增强体，经浸渍增密、热处理、防潮处理等工艺技术途径制备的复合材料，具有优良的防热、耐热、透波、承载及抗冲击等功能。

三.应用现状

1.飞机机身上的应用

先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。

飞机用复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件, 可获得减轻质量(20-30)% 的显著效果。目前已进入成熟应用期,对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑, 其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止, 战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右,新一代战斗机将达到40%;直升机和小型飞机复合材料用量将达到(70-80)%左右, 甚至出现全复合材料飞机。[5]“科曼奇”直升机的机身有70% 是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量,以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕奇”为了减轻质量,将采用复合材料代替金属机身。使用复合材料,未来的联合运输旋转翼(JTR)飞机的成本将减少6% ,航程增加55% ,或者载荷增加36%，以典型的第四代战斗机F/A-22为例复合材料占24.2% , 其中热固性复合材料占23.8%,热塑性复合材料占0.4%左右。热固性复合材料的70% 左右为双马来酰亚胺树脂(BMI,简称双马)基复合材料[6]，生产200多种复杂零件,其它主要为环氧树脂基复合材料,此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年来,国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板, 比原铝合金结构轻21kg, 减质量30%。北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3。双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。在316℃这一极限温度下的环境中,复合材料不仅性能优于金属,而且经济效益高。据波音公司估算,喷气客机质量每减轻 1kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。

2.航空涡轮发动机上的应用

由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。

(1)树脂基复合材料

凭借比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好,阻噪能力强的优点,树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。如JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26%；F136发动机采用与F110-132发动机相似的复合材料风扇机匣,使质量减轻9kg。

(2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料[7]

凭借密度小(有的仅为镍基合金的1/2),比刚度和比强度高,耐温性好等优点,碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。

(3)陶瓷基复合材料[8]

目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/3-1/4),力学性能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料,已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器),并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。

3.航空隐身材料上的应用

新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和突防能力，具有至关重要的作用。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和热塑性树脂基复合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已经得到了某些应用。

四.发展前景

复合材料是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料,在未来的研制中涡轮发动机材料必须在抗拉强度、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。提高复合材料高耐热性、强度和韧性是发展复合材料的关键,今后在耐高温材料上应重点研制结构陶瓷、陶瓷复合材料, 和微叠层复合材料。同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度。

参考文献

[1]中国复合材料网

[2] 科学研究动态监测中心.战略高技术研究动态监测快报[R].成都: 中科院成都文献情报中心, 2005 [3] 孙晋良.当前中国尖端材料发展的现状和趋势[R].上海: 中国复合材料学会, 2004.[4] OKOJIE R S, SAVRUN E, NGUYEN P, et al Relirbility Evaluation of Direct Chip Attached Silicon Carbide Pressure Transducers[A].3rd International Conference on Sensors[ C].Vienna, Austria: 2004.24-27.[5] 张佐光.功能复合材料[M].北京: 化学工业出版社, 2004.22-30.[6] 邓云, 王欣, 李建国, 等.新型海冰调查设备--冰样压缩机[J].海洋技术, 2006, 25(1): 50-53 [7] 张世银, 汪仁和.多功能冻土三轴试验机的研制与应用[J].试验技术与试验机, 2007, 47(1): 67-70 [8] 高向群, T.H.Jacka.人造冰和冰芯冰蠕变和方位组构发展对比[J].冰川冻土, 1995, 17(4): 343-349

对所学专业的认识和发展的打算

飞行器设计与工程专业（代码 082501）属于工学大类，航空航天类。一般设有飞行器设计、飞行力学与控制、直升机设计、空气动力学、飞行器结构强度等专业方面，主要研究的是各种航天飞行器，包括人造卫星、宇宙飞船、空间站、深空探测器运载火箭、航天飞机等空间飞行器及导弹的设计。

飞行器设计与工程专业毕业生一般可从事飞行器结构工程、民用机械、交通运输工程、船舶与海洋工程、工业与民用建筑工程、软件工程等方面的设计与科研、教学工作，从事航天器、火箭、导弹等的设计、实验、研究、运行维护等工作，还可从事航空和其他国民经济部门的技术和管理工作。主要从事飞行器(包括航天器与运载器)总体设计、结构设计与研究、结构强度分析与试验，并从事通用机械设计及制造的工作。

随着我国经济实力的强大，在国际上的地位逐渐提高，以及国际间综合国力竞争的日趋激烈，国家会对本专业相关职、行业的发展给以足够的重视。而且，次新科技革命的兴起、信息化时代的到来，对飞行器设计与工程专业的教育与科研也是一次极大的推动。借助这样的国际环境和国内经济的发展，以及良好的政策氛围和广阔的消费市场，本专业在未来肯定会有一个质与量的飞跃。

由于国家大力发展航空及相关事业，所以近年来飞行器设计与工程专业的毕业生在找工作时真可谓炙手可热、供不应求，北京、上海、西安等地航天科技院所的骨干和其他高新技术的研制与开发人员多半是从这一专业走出。但本专业的毕业生在择业时，应时刻谨记自己肩上的历史重任，把在学校所学到的过硬专业知识无私地奉献给祖国的蓝天事业，力争将“好钢用在刀刃上。”不要因为贪图了眼前一时的利益，被暂时物质利益所诱惑，而放弃了自己多年的专业学习。我国的空间技术研究的历史还不是很长，这方面的后备人才非常短缺。而培养出一个专门人才，国家会付出太大的代价，太多的时间。如此，出于对国家的利益，择业时的选择应该拿准。近年来，本专业的毕业生还有一个趋势——出国深造。这种选择未尝不可。到国外学习了他人先进的技术，再回国为祖国的空间技术献计献策献力，走一条“师夷长技以制夷”的捷径，可以缩短自己在黑暗中摸索的时间。

个人的计划打算是，毕业后先不急于寻找工作，先去读研深造，等自身有了较强的专业知识和较高的能力水准后再投入到工作中去!从而可以发挥更大的价值！