青島永泰長榮
標題: 船舶氣囊下水的力學計算及工藝優(yōu)化 [打印本頁]
作者: jimosea 時間: 2024-2-3 15:45
標題: 船舶氣囊下水的力學計算及工藝優(yōu)化
縱觀世界工業(yè)的發(fā)展趨勢，從批量流水定型生產方式向適應多元變型的柔 性生產方式轉變已成定局；再看我國船舶行業(yè)的發(fā)展，沿海和內河中小型船廠 造船模式的改造已迫在眉睫。 一種極為靈活的修造船企業(yè)模式正在悄悄地取代 傳統(tǒng)的修造船企業(yè)模式而引起造船生產組織的一場變革，而氣囊下水正是在這
場變革中應運而生的高適應能力的“柔性下水技術”。
目前，船用氣囊下水工藝技術已非常成熟，兩項船用氣囊標準：《船舶上排、
下水用氣囊》CB3795-1996 和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》CB3837-1998
的頒布，更是為船用氣囊下水工藝提供了理論依據(jù)。但隨著采用氣囊下水船舶 尺度的增大，下水過程中的不確定因素增加，船用氣囊下水的風險也隨之增大， 因此要解決下水安全問題這一發(fā)展瓶頸，就必須不斷提高氣囊的承載能力和制 定更加合理的下水方案。為此，本文圍繞氣囊的力學計算和下水工藝方案的制 定展開討論，并對現(xiàn)有氣囊技術水平下的下水船重界限做出預估，以期達到提
高氣囊的下水能力，增加這種柔性下水方式的經濟性和安全性的目的。
本文首先以自由狀態(tài)下氣囊受壓前后主應力變化為依據(jù)，討論內壓的變化 規(guī)律，研究單個氣囊的技術參數(shù)和各參數(shù)間的相互關系，并采用有限元方法對
氣囊的強度理論研究進行了初探，為后續(xù)下水計算做準備。
其次，討論氣囊下水工藝兩個階段的實際操作和技術要求，研究氣囊下水 第二階段船體的運動和受力情況，并分別采用傳統(tǒng)靜力學方法和改進后的彈性
計算方法，解決尾浮時艏部氣囊的超負荷承壓的計算。
再次，是本文的重點：在前兩章研究的基礎上，以15800t 散貨船實船為
例，設計不同的下水工藝方案，并從安全性、經濟性、合理性三個方面對不同
方案進行比較，進行方案選優(yōu)。
最后，總結本文研究的主要結論，提出研究中存在的不足之處，并指出進
一步研究的發(fā)展方向。
關鍵字：柔性下水技術，船用氣囊下水工藝，承載能力，有限元分析，彈性計
算方法，優(yōu)化方案
Abstract
Lets look at the developing trend of the world industry,the diversified soft mode of production must be instead of the batch flowline production.The small and medium shipyards must transforn the shipbuilding mode along the coast and river in the internal ship industry of our country.The conventional shipbuilding mode has being changed by an new flexible mode which will arousing a transform of shipbuilding production organization.Ship launching with airbag which is a flexible technology of high adaptability emerges as the times require along with the
transform.
Although the technology of ship launching with airbag is perfect at present,it has higher risk of dangerous along with the augment of launching ship's weight and the increasing of the indeterminate factors.We must advance the loading carrying capacity of airbag and make more reasonable launching project to settle the safety problems which restrict the development of this flexible technology.So this paper discusses the airbag's mechanic calculation and how to make the launching project. For the intent of improving the launching carrying capability and the economical efficiency it also estimates the highest launching weight under the technical level in
existence.
First according as the main stress changing when the airbag is impressed under the freedom station,this paper discusses the changing rule of the inner pressure and research airbag's limited strength by the finite element analysis method.It also analyzes the technology factors and correlations of the technology factors of the
single airbag to prepare for the later calculations.
Secondly this paper discusses fact operations and technology requirements during the two steps of the launching courses.It also analyzes the movements and forces of the hull during the second step and calculates the exceeding loading of the airbag under the stem when the stern is floating by two manners of the traditional
static calculation and improving elastic calculation.
Thirdly this paper designs different process programs for the 15800T Bulk Carrier and optimizes the project considering the safety and the economical
efficiency in the base of two before chapters.It is also the emphasis of the paper.
Finally summarize the conclusions and the defects of the research and indicates
the development direction of the further research.
Key words: flexible launching technology,ship launching with airbag technology, loading carrying capacity,finite element analysis,elastic calculation method,
optimize project
第 1 章 緒 論
隨著世界工業(yè)的發(fā)展，從批量流水定型生產方式向適應多元變型的柔性生 產方式轉變已成定局。船舶制造業(yè)的對象一直以單件非重復型產品為主，所以
引進柔性生產方式的概念更有其必要性。
從國內中小型船舶行業(yè)的發(fā)展來看：沿海造船業(yè)發(fā)展迅速，但受地理環(huán)境 限制，再擴大發(fā)展往往困難較大；而內河中、小型船廠發(fā)展較慢，然潛力很大， 再擴展可能性較大，這兩種型式的船廠都具有改造的迫切性與可行性。而下水
設施的選定對中小型船廠的擴建和改造起著舉足輕重的作用，不同的下水設施
除經濟可行性外，投資大小也相差甚遠。鑒于中小船廠的特點，下水設施當以 安全可靠、投資少、操作簡單、實施方便、占地少、日常維修費用低、利于日 后擴大下水能力等諸方面進行考慮，而氣囊下水正是符合要求的高適應性下水
方式。氣囊下水新工藝以其：省工、省時、省力、省投資、機動靈活、安全可
靠、綜合經濟效益高的七大優(yōu)點，成為了引起傳統(tǒng)修造船模式改變的“柔性下
水”技術。
氣囊下水工藝是指以氣囊為主要工具，將船舶從河岸坡道上滑入水中的技 術和方法，是我國獨創(chuàng)的一項造船新工藝。而與之相對應的兩項船用氣囊標準： 《船舶上排、下水用氣囊》CB3795-1996 和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》 CB3837-1998 也是完全由我國造船技師、企業(yè)家和標準化工程師經過千百次造 船實踐，總結經驗得出來的。這二項標準的頒布和氣囊下水工藝的實施對世界 造船業(yè)的發(fā)展產生了深遠的影響， 一個在更廣泛領域應用“柔性下水”技術的
新時代正在悄悄地向我們走來。
1.1 氣囊下水工藝的發(fā)展歷史與應用現(xiàn)狀
我國的氣囊下水工藝的發(fā)展經歷了整整一代人的努力。1981年，山東省小 清河航運局針對內河船廠缺乏下水滑道的實際情況，首先提出了將承壓氣囊置 于船下滾動下水的設想，并于同年在山東小清河船廠試驗成功，就此拉開了氣
囊下水工藝發(fā)展的序幕。
1.1.1 氣囊下水工藝的發(fā)展歷史
從1981年至1990年十年間，由于氣囊承載能力的不足，船用氣囊下水的 重量始終徘徊在500噸以下。直到90年代，隨著氣囊原材料的改變，囊體結構 和制造工藝的不斷改進，氣囊的承載能力有了明顯提高，下水船舶的重量不斷 創(chuàng)造新紀錄。1994年9月底，舟山船廠運用第四代氣囊下水了一艘長69.8米， 寬14.8米，下水重量達900噸的30車/122客位的車客渡船。1995年10月6 日，湖北省浠水船廠使用第四代氣囊下水一艘8000載重噸的寬體甲板駁。該駁 長91.5米，寬24.4米，深5.5米，自重1200噸下水噸位首次突破千噸大關。 96年試制成功的第五代高壓氣囊是由六層尼龍簾布繞成型的橡膠氣囊，爆破壓
力創(chuàng)1.11MPa 的新記錄。
2000年高承載力揉壓氣囊的研制成功，是氣囊下水工藝飛躍的又一里程碑。 2002年10月17日，萬噸級油船“舟海油28”采用濟南昌林氣囊容器廠制造的 高承載力氣囊一舉成功下水。該船總長138m 寬19m 排水量15000 t, 下水時 重量達到4000t, 開創(chuàng)了萬噸油船應用氣囊下水的新階段。2005年4月28日， 浙江省一艘8100立方耙吸挖泥船，用34個高承載力氣囊移位成功下水。該船 長126m 寬22m 重達5400t, 下水重量首次突破5000t大關。今年初氣囊下水 重量又報捷訊，1月1日由樂清市江南船業(yè)有限公司建造的“瑞盛10號”輪， 采用最新的第六代高壓氣囊安然下水。該船長165m、寬24.5m、型深14m 、自
重約6800t, 載貨量達23000t, 創(chuàng)下了氣囊下水船舶自重最大的新記錄。
1.1.2 氣囊下水工藝的應用現(xiàn)狀
近幾年，我國灘涂造船業(yè)的興起促進了船用氣囊下水工藝的推廣和發(fā)展。 由于其不需要整規(guī)的場地，海邊沙灘、河岸淤地均可利用，其柔性的特點既彌 補了場地不平的缺陷，寬大的接觸面積也使船底承壓均勻。其省工、省時、省 投資、機動靈活、安全可靠等顯著優(yōu)點，為中、小型船廠的技術改造和發(fā)展， 提供了廣闊的前景。2006年8月通過的《船舶工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》已將船舶 氣囊下水納入了基本要求的范疇，規(guī)定二級一類及其以下的各級各類企業(yè)生產 的船舶允許采用氣囊下水的方式，二級一類船舶生產企業(yè)最大允許生產180m
的船舶。這一規(guī)劃的頒布，更為氣囊下水工藝提供了發(fā)展的契機。
船舶氣囊下水工藝不僅推動了我國造船業(yè)的進步，也越來越受到國外同行的關注。2006年5月27日，土耳其黑海船業(yè)公司利用青島魯航氣囊廠生產的 45只直徑1.8米、長18米氣囊，成功下水了一艘自重7000噸的散貨船。隨后， 馬來西亞 C.E.Ling Enterprise Sdn.Bhd.公司又引進我國的氣囊下水新工藝，下水 了一艘自重300多噸的拖船，由于一切順利，該公司在07年初再添置20只氣 囊。除馬來西亞外，新加坡、印度尼西亞、日木等客商也來華考察此項新工藝， 我國首創(chuàng)的氣囊下水新工藝在東南亞地區(qū)得到新一輪推廣。2006年8月間，“卡 特里娜”颶風登陸美國西海岸，統(tǒng)計有2209艘船只在美國海灣沿岸擱淺失事。 美 國TITAN 海事救撈公司專程來昌林廠考察和購買了一批氣囊空運美國，在搶 險救災中發(fā)揮了巨大作用。該公司使用后非常滿意，在一個月內連續(xù)訂購一批， 共創(chuàng)匯20萬美金，成為中國氣囊向發(fā)達國家市場挺進的前奏。昌林氣囊廠又先
后于2008年2月和3月分別為印度、越南客商完成200只高壓氣囊的大訂單。
1.2 氣囊下水工藝目前的發(fā)展瓶頸和研究局限性
根據(jù)目前船舶氣囊下水工藝發(fā)展情況來看，隨著采用氣囊下水船舶尺度的 增大，下水過程中的不確定因素增加，風險也隨之增大了，因此安全問題成為
制約氣囊下水工藝發(fā)展的瓶頸。
1.2.1氣囊下水工藝目前的發(fā)展瓶頸
要解決下水船舶重量增加所帶來的安全問題，氣囊本身的強度成了首當其
沖的因素。只有不斷提高氣囊的承載能力，才能保證船舶下水的安全。
另外，氣囊下水的操作規(guī)程和管理制度，也給船用氣囊下水工藝的安全生 產帶來了隱患。制定詳細的下水方案和嚴格執(zhí)行下水工藝操作規(guī)程，是保證船
舶安全下水的又一重要環(huán)節(jié)。
1.2.2 氣囊下水工藝研究的局限性
主要從氣囊本身的力學研究和下水工藝方案兩方面來說。
1)對于氣囊強度理論的研究，雖然以前做了很多工作，譬如氣囊的壓縮性 能測試揭示了氣囊在壓縮過程中內壓變化的規(guī)律，但畢竟還很有限，存在著理論 研究方面的許多空白。近幾年來，在材料力學和結構力學領域，應用有限元分析
來研究結構強度已很普及，開展氣囊強度理論有限元分析的研究已勢在必行。
強度理論研究不僅要從靜態(tài)受壓著手，更要著眼于滾動過程中動態(tài)受壓變
化，實船下水過程中氣囊壓力變化情況，應成為研究的重點。
2)下水工藝方案的制定，應圍繞下水過程中可能出現(xiàn)的危險而采取的應對 措施進行展開。由于研究深度的有限，很多安全隱患還無法預計和加以避免， 再加上船廠下水方面不按正確的工藝進行操作，下水失敗的例子也時有發(fā)生。
因此，必須對實際下水工藝合理與否進行更加深入的研究。
1.3 論文的研究內容和目的
1.3.1 論文的研究內容
本文的研究內容主要包括以下三個方面：
1)建立自由狀態(tài)下氣囊的受壓模型，以受壓前后主應力變化為依據(jù)，討論 內壓的變化規(guī)律，研究單個氣囊的技術參數(shù)和各參數(shù)間的相互關系，并利用有
限元方法分析氣囊的強度理論，為后續(xù)的下水計算做準備。
2)將船舶氣囊下水工藝過程分為兩個階段，分述各階段的實際操作和技術 要求。研究氣囊下水第二階段入水后船體的運動和受力情況，并分別采用傳統(tǒng) 靜力學方法和改進后的彈性計算方法，解決尾浮時艏部氣囊的超負荷承壓的計
算。
3)以15800t 散貨船實船為例，設計不同的下水工藝方案，并從經濟性、
合理性和安全性三個方面綜合考慮，選取最優(yōu)方案。
1.3.2論文的研究目的
本文的研究目的主要包括以下兩個方面：
1)以提高下水的安全性為目的，在現(xiàn)有氣囊和相關下水設備技術條件的基
礎上，制定合理的下水工藝方案。
2)以提高氣囊的下水能力，增加這種柔性下水方式的經濟性和實用性為目
的，提出對氣囊下水研究的新方法和方向。
1.3.3 論文的課題支撐
自選題目
第2章船用下水氣囊的型式、技術分析和氣囊強度 理論的有限元分析
本章主要包括船用下水氣囊的定義和型式、氣囊的質量、氣囊受壓模型的
建立、單個氣囊的技術參數(shù)的分析及氣囊強度理論的有限元分析。
2.1 船用下水氣囊的定義、型式、規(guī)格與標記
2.1.1 船用下水氣囊的定義
船用下水氣囊的定義包括下水氣囊定義及與氣囊相關的重要定義。
1)船用下水氣囊是船舶氣囊下水的專用下水設備，在陸地移動大型構件和 在水中打撈沉船均是船舶上排、下水用氣囊派生的用途。起重氣囊，是使船舶產 生垂直起升或下降位移的氣囊。滾動氣囊，是配合并保證船舶順利實現(xiàn)縱向位移
的氣囊。
2)低壓氣囊，是指工作壓力為0.03/D~0.069/DMPa的氣囊。中壓氣囊，是指 工作壓力為0.07/D~0.099/DMPa 的氣囊。高壓氣囊，是指工作壓力為
0.10/D~0.14/DMPa 的氣囊。
3)工作高度，是指船舶上排或下水時，氣囊被壓縮后的實際高度。工作壓力， 是指氣囊通過自身壓縮而使船舶升墩，達到該船舶在下水時所需工作高度的囊
內壓力。
2.1.2 船用下水氣囊的型式
船用下水氣囊的型式如圖(2- 1)所示。ab 段為囊頭， bc 段為囊體，cd 段 為囊尾。D為囊體公稱直徑，L。為囊體長度，L 為囊體總長。
[attach]8688[/attach]
圖(2- 1)氣囊型式
2 . 1 .3船用下水氣囊的規(guī)格
船用下水氣囊的規(guī)格由囊體的公稱直徑D 與囊體長度L,決定。囊體公稱直 徑D 有0.8、1.0、1.2、1.5、1.8和2.0m 六種不同尺寸。囊體長度L,則按實際需 要而定。則氣囊總長度L=L+1.732D。
2.2 氣囊的質量
氣囊是船舶采用氣囊下水工藝的最重要的工具，加強對氣囊的質量控制研 究是大型船舶氣囊上下水安全的保證。氣囊的質量取決于材料、結構和生產控
制三個要素。
2.2.1 氣囊的材料
氣囊的材料主要是橡膠和簾線。橡膠是基礎材料，采用品質好的橡膠可以
提高與簾線的粘接強度，提高耐磨性和抗老化能力，提高使用壽命。
2.2.2 氣囊的結構
氣囊的結構主要是指簾線的布線方向。對于多層結構來說，氣囊囊壁強度 的各向均衡性非常重要。氣囊在不同的工作高度下，其主應力方向也不同，當 主應力方向與簾線布線方向不一致時，布線薄弱的方向就決定了氣囊的承載強 度。因此，多層簾線的分布盡量做到各向強度的均衡性，以保證不同的主應力 方向。
2 . 2 . 3氣囊的生產控制
同樣的材料和結構，由于氣囊制作工藝不同其強度相差也很大。以新一代 高壓氣囊為例，其采用的新的“硫化模式”,使氣囊各層之間更加密實；“整體 雙面壓合”的施工新方法，也基本消除了氣囊各層之間的氣泡和脫層現(xiàn)象。
2.3 氣囊受壓模型的建立
氣囊在受壓變形的工作狀態(tài)時，囊壁中的主應力方向發(fā)生了變化。由氣囊 的結構可知，當主應力方向與簾線布線方向不一致時，布線薄弱的方向就決定 了氣囊的承載強度。因此要研究氣囊的承載能力，就必須先了解氣囊在受壓變形時的應力情況。本節(jié)重點討論氣囊在受壓變形前后，囊壁中主應力的方向和
大小變化。
2.3.1 自由狀態(tài)下主應力
船舶下水用氣囊在不受壓時形如梭形，見圖(2-1)。當囊體充入一定壓力
的壓縮空氣后，囊壁四周均勻受壓，壓力垂直作用于囊壁，將其分解為軸向力(平
行于氣囊長度方向)和徑向力(沿氣囊直徑周向分布)。
[attach]8689[/attach]
式中： F—— 軸向力
P?—— 初始內壓力
D—— 氣囊直徑
πD—— 囊壁周長
則囊壁單位周長所受軸向力為：[attach]8690[/attach]
(2-1)
(2-2)
氣囊直徑方向單位長度的徑向力：
F,=P。D
此徑向力由上、下兩邊的囊壁承擔，則囊壁單位長度所受的徑向力為：[attach]8691[/attach]
(2-3)
(2-4)
比較式(2-2)和式(2-4)顯然有：σ,=2σ?
囊壁上某一點的主應力(合成應力)可由下式求得：
σ,=√o?+o2=√(2o?)32+o?=√5o?
其主應力與軸線的夾角為α=arctg2=63.4°。
2.3.2 壓扁狀態(tài)下的主應力
當氣囊在船底下被壓扁以后，上下表面呈平面形狀，兩側表面仍呈半圓形， 見圖(2-2)。由于內部容積變小導致內壓升高，設氣囊壓扁狀態(tài)下的內壓為p。
[attach]8692[/attach]
圖(2-2)氣囊受壓后形狀變化
氣囊壓扁后，假定氣囊筒體的周長不變，[attach]8693[/attach]
則單位長度的軸向力可按下式計算：
[attach]8694[/attach]
氣囊直徑方向的徑向力為： F,=pH
(2-5)
(2-6)
(2-7)
此徑向力由上、下兩邊的囊壁承擔，則囊壁單位長度所受的徑向力為：[attach]8695[/attach]
(2-8) 徑向力與軸向力的比值： (2-9)
當 H/D=1/2時， [attach]8696[/attach] 主應力與軸線的夾角為[attach]8697[/attach]
當 H/D=1/5 時： [attach]8698[/attach]主應力與軸線的夾角；[attach]8699[/attach]
由此可見，氣囊工作高度不一樣，主應力的方向也不一樣。
由公式(2-6)和(2-8)可知，氣囊壓扁后，囊壁中的軸向力和周向力都 會隨高度H的減少而降低，對囊壁的強度有利，所以氣囊下水時宜盡量降低氣
囊的工作高度。
2.3.3 壓縮前后內壓變化理論規(guī)律
如果氣囊在壓扁過程中不泄氣的話，氣囊壓扁之后，內壓會迅速升高，導
致囊壁應力增加。設氣囊自由狀態(tài)下的內容積為V?, 內壓力為(1+p。),那么當
氣囊被壓扁，變形量為x 時，則如下恒等式成立：
[attach]8700[/attach] (2-10)
依據(jù)氣囊內壓增高引起的囊壁伸張可以忽略不計，氣囊內容積的改變大體 上與橫剖面面積的改變成正比，則當氣囊工作高度為H 時，前后橫剖面積分別 為：[attach]8701[/attach]
(2-11)
[attach]8702[/attach]
(2-12)
式中： S—— 氣囊橫剖面面積
由式(2-10)則有前后壓力變化： [attach]8703[/attach]
進一步簡化可得： [attach]8704[/attach] (2-13)
即為不同氣囊相應工作高度H下的工作壓力
當 H/D=1/2時，即氣囊直徑壓縮50%時，囊內壓力為初始壓力(自由狀態(tài))的
1.5倍。
2.3.4 壓縮前后內壓變化實際規(guī)律
上述結論是從物理學的基本定律得出的，實際氣囊壓縮時，氣囊形態(tài)的變化 并不規(guī)則，會有少量的彈性伸張，所以實際的壓力變化規(guī)律要通過壓縮性能試驗
才能獲得。
圖(2-3)為對 D=1m、L=2m、初始壓力為0.03MPa 的氣囊壓縮性能進行全 面測試后所作的一條典型的測試曲線，可以得出如下的內壓與變形量的回歸公
式：
y=0.3202x2-0.0468x+0.0328 (2-14)
式中：y—— 氣壓/MPa
x—— 變形量，指直徑降低值/m
[attach]8705[/attach]
變形量(%)
圖(2-3)氣囊內壓與形變量關系
根據(jù)這一公式，當D=1m的氣囊壓縮至H=0.2m時，內壓將從0.03MPa 飆升至
0.2MPa, 提高了6.67倍。
其主應力變化為：初始時根據(jù)式(2-2)有
σ?=p?14;σ,=√5o,=0.56p。
壓扁至0.2m,即 H/D=1/5時，根據(jù)式(2-5)有
[attach]8706[/attach]
σ?=√ Gm2+O2=√ (10o-1o?/9)2+0?2=1.49??=0.894p。
由此可見，盡管氣囊壓扁后，軸向力和徑向力都有所減小，強度情況有所 改善，但主應力還是提高了1.6倍，而且主應力方向與軸向的夾角由63.4°改變到
48°,這為強度計算提供了充分的依據(jù)。
2.4 單個氣囊的技術分析
單個氣囊的技術參數(shù)包括氣囊的直徑、工作高度、工作壓力和每米承載力， 有了前述對氣囊的直徑、工作高度、工作壓力的定義，以及單個氣囊受壓變化 規(guī)律的討論，現(xiàn)就單個氣囊的各項技術參數(shù)和相互關系進行研究。
2.4.1 氣囊的直徑和工作高度
選取氣囊直徑D時應主要考慮受壓后氣囊的變形高度H, 即實際工作高度。
由2.3.2節(jié)可知，氣囊壓扁后，囊壁中的軸向力和周向力都會隨高度H的減少
而降低，對囊壁的強度有利，所以氣囊下水時宜盡量降低氣囊的工作高度。但 過低的H值，易造成船體下水過程中觸地。因此， 一般選取 H=300~400mm 較合
適。
現(xiàn)取同為第四代產品的 D=0.8m,1.0m,1.2m 的一組不同直徑的氣囊，選擇 一個滿足H值的最佳直徑。將這組不同直徑的氣囊，應用等溫條件下的氣體狀
態(tài)方程，分別計算在不同H值時，內壓P 和承載力T 的變化值。
現(xiàn)假定：氣囊長為6.5m,表面積不變，氣體溫度不變，實際承壓面長為4.8m,
氣囊初始壓力P=0.025MPa,計算結果見圖(2-4)。
[attach]8707[/attach]
圖2-4 (a)H-P 圖
從圖2-4 (a) 曲線可知，氣囊超載變形時(即 H=100mm),D=1m 氣囊內壓 升高達0.13MPa, 接近氣囊材料的極限強度(爆破壓力為0.133MPa), 故 D=1.0m 和 D=1.2m氣囊不宜采用。再由圖2-4 (b) 曲線可知，在H=300~400mm 范圍內，
選定 D=0.8m是適宜的。
[attach]8708[/attach]
圖2-4 (b)H-t 圖
由此得出結論：相同變形的情況下，大直徑氣囊比小直徑內壓增加要大， 較易達到材料的極限壓力。因此，根據(jù)實際工作高度H來選擇氣囊直徑D時，
要考慮由D變形到H后，內壓增加不致超過材料極限強度。
2.4.2氣囊的工作壓力及壓力范圍的劃分
1) 氣囊的工作壓力
《船舶上排、下水用氣囊》CB/T3795-1996中規(guī)定的氣囊的工作壓力，是指 氣囊在靜態(tài)條件下充氣壓力的界限值，應該是氣囊工作壓力的最小保證值。氣囊 的囊壁屬于纖維增強的橡膠復合結構，屬于彈塑性材料的范疇，其強度受人工操 作技能的影響較大，存在著一定的不確定性。鑒于此，每一批氣囊都須做爆破試
驗，以得到其爆破壓力p?, 由爆破壓力換算為允許工作壓力有：[attach]8709[/attach]
(2-15)
式中： p。—— 氣囊初始工作壓力/MPa
p.— 爆破實測壓力/MPa
D?—— 爆破試驗用氣囊直徑/m
D—— 工作氣囊的直徑
n—— 安全系數(shù)
2)氣囊工作壓力范圍的劃分
氣囊的工作壓力是一個籠統(tǒng)的概念，鑒于安全系數(shù)n 的取值不同，氣囊的
工作壓力也亦不同，現(xiàn)就氣囊工作壓力范圍的三種不同劃分方法分別予以討論。
(1) 氣囊的安全壓力范圍
氣囊的安全壓力，主要針對氣囊的“允許過載壓力”和“安全過載系數(shù)” 而言。標準規(guī)定的氣囊的工作壓力，是指氣囊在靜態(tài)條件下充氣壓力的限界值， 應該是氣囊工作壓力的最小保證值。氣囊在靜態(tài)工作條件下，它的工作壓力應當
說是“可控的”,這主要針對頂升船體的狀態(tài)或船體在移動前的狀態(tài)。
(2)氣囊的過載壓力范圍
在船體的下水過程中，氣囊內部壓力的變化無法控制，而壓力超過設定壓力 的現(xiàn)象必定存在，這時就需要對氣囊的“過載壓力”和“過載系數(shù)”進行討論。 氣囊在下水過程中，會產生多大的“過載壓力”,是一個不確定的問題，必須對
多組下水過程中氣囊的壓力變化實施跟蹤測試，得出統(tǒng)計規(guī)律。
而至于“過載系數(shù)”定多少是安全的，這涉及安全系數(shù)的問題。氣囊下水 工藝推廣初期，安全系數(shù)取2~3,實踐證明是可行的。而現(xiàn)今標準中規(guī)定的(允 許)工作壓力是根據(jù)爆破壓力取n=4.5計算出來的，應當說其安全裕度是相當高
的，對于承擔高風險作業(yè)的船用下水氣囊來說也是合理的。因此，安全系數(shù)從初期的2~3擴大到現(xiàn)行標準的4.5,把擴大的安全裕度作為“允許過載壓力系數(shù)”是 符合實踐的。據(jù)此，“安全過載系數(shù)”可取標準規(guī)定的工作壓力的1.5~2.0倍， 動態(tài)時取低值，靜態(tài)時取高值。確定了安全過載系數(shù)，就可以確定氣囊在各種工 況下的允許過載壓力。如果氣囊在工作過程中瞬間出現(xiàn)的壓力不超過允許的過
載壓力，則認為是安全的。
(3)氣囊的安全警戒壓力范圍
氣囊安全閥是用來釋放過壓，以避免因內壓超過允許過載壓力而未控制所 造成的嚴重后果。安全閥的釋放壓力是根據(jù)氣囊的工作壓力(即最小工作壓力保 證值)加以設定的， 一般取工作壓力保證值的2.5倍。此時，安全系數(shù)為1.8,尚
有安全裕度，但已到達危險的邊緣。
綜上所述，氣囊使用壓力的定義可劃分為三個不同概念的范圍：
①安全工作壓力范圍——在標準規(guī)定的工作壓力保證值以下的區(qū)域是安全
的工作壓力范圍，氣囊的充氣壓力或設計的承載壓力應當不超過這個范圍；
②安全的過載壓力范圍——氣囊在工作過程中允許瞬間超壓，如果氣囊在
短時間內的過載壓力不超過保證值的2倍，則被認為是允許的；
③安全警戒壓力 安全閥設定的壓力，當氣囊內壓超過這個壓力時，安全 閥開始釋放并保持這個壓力，工作人員應當積極采取措施降低壓力到安全范圍
之內。
2.4.3 氣囊承載能力的計算
在初始壓力和工作高度確定的情況下，就可以來計算氣囊的承載力：
氣囊承載力Q=P·S·103(KN)
式中： P—— 內壓 (MPa)
S 氣囊承托船體之正投影面積， S=BL(m2),B
正投影寬度與長度
1)由式(2-13)可知，氣囊在工作高度H時的工作壓力為
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結合式(2-5)氣囊工作寬度B 可得：
[attach]8710[/attach]
(2-16)
與L 分別為[attach]8712[/attach]
[attach]8714[/attach]
(2-18)
(2-19)
由第四代氣囊 D=0.6m 氣囊的爆破壓力為1.01MPa, 根據(jù)各公稱直徑的低 壓、中壓和高壓氣囊的爆破壓力和安全系數(shù)不得小于4.5的規(guī)定，取n=4.5 算得
不同工作高度下的氣囊內壓力和每米氣囊的承載能力，見表(2-1)
表 (2-1)氣囊每米承載力
每米氣囊承載力 |
| | | 囊體的系統(tǒng)承載能力(KN | /m) |
| | H/D=0.2 |
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2.4.4 單個氣囊各技術參數(shù)之間的關系
以D=0.8m氣囊為試驗對象，假定氣囊承壓長度為4.8m, 在給定不同初始壓
力下，計算各工作高度時的內壓和承載力變化，以研究工作高度、工作壓力及承載力之間的關系。
表(2-2)氣囊不同工作高度下的內壓與承載力
| | 氣囊內壓變化 MPa | 氣囊承載力t |
| | 初始壓力 0.0265 | 初始壓力 0.0357 |
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1)如表(2-2)所示，在初始壓力0.0265MPa條件下，當內壓上升到0.0664MPa 時，承載力為30.41t。而在初壓為0.0357MPa 時，當內壓上升到0.0677MPa 時，
承載27.54t。
由此可得：直徑相同的不同初壓的氣囊，內壓上升到相同數(shù)值時，初始壓
力小的承載能力大。
2) 如表(2-2)所示，在工作高度同為0.4m情況下，初壓為0.0265MPa的
氣囊承壓力為10.46t, 初壓為0.0357MPa的氣囊承壓力為14.08t。
由此可得：直徑相同的不同初壓的氣囊，在相同工作高度下，初壓小的氣
囊承載能力小。
由表(2-2)中數(shù)據(jù)做工作高度與承載力關系圖(2-5),如圖所示兩條不同
的擬合曲線： y=2.3109x?733 (初壓為0.026MPa) 和 y=2.8898x?73 (初壓為
0.0357MPa)。 在初壓為0.026MPa氣囊的擬合曲線中插值承載力為21.67t時的工 作高度為0.225m, 而初壓為0.0357MPa的氣囊在相同承載力下的工作高度為
0.3m。
由此可得：直徑相同的不同初壓的氣囊，在相同承載力的情況下，初壓小
的氣囊工作高度小，變形量大。[attach]8715[/attach]
圖 (2-5)工作高度與承載力關系圖
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圖 (2-6)工作壓力與承載力關系圖
3)如表(2-2)中數(shù)據(jù)做工作壓力與承載力關系圖(2-6),如圖所示兩條 不同的擬合曲線： y=3×10?x2+0.0014x+0.0205 (初始壓力為0.026MPa) 和 y=-2×10?x2+0.0014x+0.0276 (初始壓力為0.0357MPa)。在初壓為0.026MPa 氣囊的擬合曲線中插值承載力為21.67t時的工作壓力為0.0523MPa, 而初壓為
0.0357MPa 的氣囊在相同承載力下的工作壓力為0.0586MPa。
由此可得：直徑相同的不同初壓的氣囊，在相同承載力下，初壓小的工作
壓力小。
2.5 氣囊強度理論有限元分析的初探
標準中規(guī)定的工作壓力是根據(jù)爆破壓力取安全系數(shù)n=4.5計算出來的，而氣 囊的囊壁是纖維增強的橡膠復合結構，屬于彈塑性材料的范疇，決定其極限強 度的是抗剪應力t 。如果氣囊在充氣壓力的應力大于其極限抗剪應力，氣囊就會 爆破，此時對應的充氣壓力就是氣囊的爆破壓力。因此，本節(jié)從爆破壓力入手 研究氣囊的強度理論，并用有限元方法分析氣囊在各充氣壓力下的應力應變情
況。
2.5.1 氣囊的爆破壓力
氣囊的強度受人工操作技能的影響較大，存在著一定的不確定性，實際使用 的過程中，為了控制氣囊的質量，采用定期進行爆破試驗的方法，來提供氣囊 在不同工藝、結構型式下的綜合力學性能。到目前按為止，氣囊的爆破試驗仍 然是驗證氣囊質量的重要手段，它提供了氣囊在一定工藝和結構型式下的綜合 力學性能，爆破壓力是在爆破過程中記錄下的實測數(shù)據(jù)。
2000年12月研制成功的第一代高承載力揉壓氣囊是由六層尼龍簾布纏繞成 型的橡膠氣囊，其爆破壓力達1.65MPa。相比96年的第五代產品，在層數(shù)和囊 壁厚度相同的前提下，爆破壓力提高了1.486倍(第五代氣囊的爆破壓力為 1.11MPa)。 由爆破壓力換算到直徑為1m氣囊的工作壓力，前者為0.22MPa, 而
后者僅為0.148 MPa。
氣囊的爆破試驗成本較高，而且不適用于大尺度的實用氣囊，根據(jù)相似性 理論，可將小尺度氣囊的試驗結果換算到其他直徑的氣囊。但這種換算方法存
在著尺度效應，因此尋求更為精確的方法就顯得尤為重要。
2.5.2 氣囊強度理論的有限元分析
本節(jié)在前述氣囊強度的研究方面只是從理論上建立了氣囊受壓模型和對氣 囊的壓縮性能測試揭示氣囊在壓縮過程中的內壓變化中做了展開，研究內容和 范圍都非常有限。如今，在材料力學和結構力學領域，應用有限元分析來研究 結構強度已經非常普及，但國內對于氣囊強度的有限元結構分析的研究還是一 片空白。鑒于此，本節(jié)對氣囊強度的有限元結構分析進行了初探，以氣囊自由
狀態(tài)時充氣加壓為研究模型，討論氣囊在各充氣壓力下的應力和應變情況。1)有限元方法的定義和應用
(1) 有限元方法的定義
所謂有限元法 (Finite Element Method) 就是關于連續(xù)體(連續(xù)結構)的一 種離散化的數(shù)值計算方法，亦即在力學模型上近似的數(shù)值方法，它的基本思路 是：假想地將連續(xù)體(連續(xù)結構)劃分為有限多個單元。這些單元都由具有一 定自由度的節(jié)點相互連接而成。這樣，原來的連續(xù)體(連續(xù)結構)就變成為由 有限多個單元裝配而成的離散結構，原有連續(xù)體的無限個自由度的問題就變?yōu)?離散結構的有限多個自由度的問題。結構有限元法一般選擇簡單的函數(shù)近似地 表達單元內位移變化規(guī)律，利用力學推導建立單元的平衡方程式，再把所有單
元的方程組集合成表示整個結構的力學特性的代數(shù)方程組，最后引入邊界條件
求解代數(shù)方程組而得到數(shù)值解。
(2)有限元方法的應用
如今，有限單元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問 題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定問題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈 性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力
學、傳熱學領域。
2)有限元方法的基本步驟
有限單元法的分析過程，概括起來可以分為以下六個步驟：
(1)結構的離散化
(2)選擇位移函數(shù)模式
(3)分析單元的力學特性
(4)計算等效結點力
(5)集合所有單元的剛度方程，建立整個結構的平衡方程
(6)求解未知節(jié)點位移和計算單元應力
3)氣囊極限強度的有限元分析步驟
由于氣囊的材料是超彈性不可壓縮的，具有變化的結構剛性，因此采用非 線性分析方法來研究氣囊在各充氣壓力下的應力和應變。鑒于實際爆破試驗多 采用D=0.6m的氣囊，因此確定研究對象為D=0.6m 、L=1m 、 壁厚為10mm的高 壓氣囊，其爆破壓力為1.65MPa, 正常工作最小壓力為0.22MPa 。氣囊材料的參
數(shù)為：彈性模量E=40MPa, 泊松比μ=0.45(20℃時)。
(1)有限元模型的建立
[attach]8717[/attach]
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