复合材料与钢结构无缝集成：FAUSST 混合接头技术
本文是我 2019 年 12 月专题文章《以复合材料轻量化船舶：消除障碍》的配套博客，分享更多细节和视觉资料。
HYCONNECT GmbH（德国汉堡）由造船工程师、汉堡海事技术中心（CMT，德国汉堡）10 年资深专家 Dr. Lars Molter 创立。CMT 是德国海事行业研发中心。“德国建造超级游艇和邮轮的公司都面临相同问题，”Molter 说。“客户想增加设备、增设甲板、加强隔音隔热或新设计特征，如曲面和集成照明。即使用铝或钢也能实现这些设计，但极其耗时耗资。”
船舶通常以焊接钢构件分段建造以加快装配，如图所示。FAUSST 接头系统使大型复合墙板或其他结构可焊接进钢框架，利用现有船舶生产方法实现轻量化建造。
混合结构中粘接的问题
Molter 等人看到了复合材料对船舶的益处，但当前船舶以钢建造。许多人致力开发全复合船舶，但同时存在显著机会用各类复合部件减轻船重和排放。然而难点在于如何将其连接至钢框架。“我们研究过粘接，”他解释，“但没有适用于所有船舶的标准化接头设计，且 SOLAS 中无粘接应用通用规则。”
国际海事组织（IMO，英国伦敦）发布的《海上人命安全公约》（SOLAS）法规要求商船用钢建造，直到 2002 年发布 MSC/Circ. 1002 允许替代设计。但这些替代方案需执行风险分析，证明替代设计建造等同于钢——过程漫长、昂贵且每艘船定制。
“我们问 DNV GL 会批准何种异材接头，”Molter 说。“他们说主要结构通常要求机械连接；纯粘接若无冗余紧固件难以轻易认证。”商用飞机也存在这类定制认证和监管机构要求冗余紧固件而非纯粘接主要结构的相同问题。“且粘接需控制环境和工艺，”他指出，这在焊接切割主导的船厂建造中很难。
FAUSST 接头
“所以我们需要免粘接但有机械连接的方案，”Molter 说。“我们一直想如何将纤维连接到金属？”CMT 在德国资助的 FAUSST（纤维与钢标准接头）项目中给出答案，与 Fritz Moll Textilwerke（德国阿尔特豪森）合作开发出一种混合经编织物，从 100% 玻璃纤维过渡到 100% 钢纤维。
织物架构设计使钢和玻璃纤维蜿蜒重叠，通过摩擦和交叉点机械咬合实现载荷传递。这种架构平衡了机械咬合的经编织物与承载的单向纤维。织物在电子控制经编机上以高达 100 米/小时速度生产。
下一步将其连接到金属连接件，可以是板材或空心型材。钢纤维经电阻缝焊（压力焊）用大铜电极轮焊接到连接件。Molter 解释这类似汽车点焊但改良为长连续缝焊。该工艺利用成熟稳健工艺高效生产单层或多层织物的 FAUSST 连接件。
这正是 HYCONNECT 销售的产品：焊接钢连接件的织物。“船厂或其复合结构供应商决定采用我们的接头系统，”Molter 解释。“他们指定接头载荷和钢连接件类型，我们设计生产 FAUSST 接头。交付后他们将其浸渍进复合结构，船厂再焊接进船舶钢框架。”
管理刚度和 CTE 失配
FAUSST 混合织物中钢纤维和玻璃纤维存在刚度失配。Molter 解释织物制造方式一定程度缓解此问题，“用 5-7 层纱线互锁，改变钢纤维延伸进玻璃纤维织物的距离。避免载荷传递大峰值。可通过修改层数和成分纤维调整刚度，如玻璃纤维百分比和方向等。”额外 ±45° 纤维可应对更高剪切应力，也帮助管理钢连接件与玻璃纤维复合材料间不同热膨胀系数（CTE）。“也可通过簇绒纤维贯穿增强设计更高载荷或特殊结构，”Molter 解释。
钢连接件与纤维增强塑料（FRP）厚度失配也须解决。“两材料中性轴必须对齐，”Molter 说。“通常通过将钢连接件边缘加工成 30° 锥度实现，实际形成锥形接头实现向 FRP 高效载荷传递。”
开发标准化接头系统
Molter 于 2018 年离开 CMT 创立 HYCONNECT 商业化 FAUSST 接头技术。公司与多行业合作伙伴和监管机构合作开展测试迭代接头设计。目标开发 FAUSST 接头产品“家族”。“增加 FAUSST 织物层数线性提升载荷能力，”Molter 解释。“基础产品可为四层 FAUSST 配 1 米扁钢，额定特定拉伸弯曲载荷。左侧有两三层低载荷等级产品，右侧有五六层高载荷等级产品。细节仍在敲定，目标是标准化、易用系统。”
四层 FAUSST 织物接头测试提供 217 kN/m 线性接头强度。FAUSST 接头产品力学表征仍在进行，但 Molter 指出其与粘接接头具有竞争力。“也允许用超声或 X 射线 100% 检测焊缝，”他补充。原型正为选定客户生产，2020 年将规模化。
同时，HYCONNECT 也获汽车公司和轨道应用制造商关注。“这项技术可用于金属嵌件，也见建筑施工潜在应用，”Molter 说。“越来越多行业看到混合结构价值和预装配半成品实现短装配时间的可能性。”
纤维