青島永泰長榮
標(biāo)題: 船舶氣囊下水的力學(xué)計(jì)算及工藝優(yōu)化 [打印本頁]
作者: jimosea 時(shí)間: 2024-2-3 15:45
標(biāo)題: 船舶氣囊下水的力學(xué)計(jì)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(chǎn)方式向適應(yīng)多元變型的柔 性生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變已成定局；再看我國船舶行業(yè)的發(fā)展，沿海和內(nèi)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(chǎn)組織的一場變革，而氣囊下水正是在這
場變革中應(yīng)運(yùn)而生的高適應(yīng)能力的“柔性下水技術(shù)”。
目前，船用氣囊下水工藝技術(shù)已非常成熟，兩項(xiàng)船用氣囊標(biāo)準(zhǔn)：《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(fēng)險(xiǎn)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(xué)計(jì)算和下水工藝方案的制 定展開討論，并對(duì)現(xiàn)有氣囊技術(shù)水平下的下水船重界限做出預(yù)估，以期達(dá)到提
高氣囊的下水能力，增加這種柔性下水方式的經(jīng)濟(jì)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(yīng)力變化為依據(jù)，討論內(nèi)壓的變化 規(guī)律，研究單個(gè)氣囊的技術(shù)參數(shù)和各參數(shù)間的相互關(guān)系，并采用有限元方法對(duì)
氣囊的強(qiáng)度理論研究進(jìn)行了初探，為后續(xù)下水計(jì)算做準(zhǔn)備。
其次，討論氣囊下水工藝兩個(gè)階段的實(shí)際操作和技術(shù)要求，研究氣囊下水 第二階段船體的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并分別采用傳統(tǒng)靜力學(xué)方法和改進(jìn)后的彈性
計(jì)算方法，解決尾浮時(shí)艏部氣囊的超負(fù)荷承壓的計(jì)算。
再次，是本文的重點(diǎn)：在前兩章研究的基礎(chǔ)上，以15800t 散貨船實(shí)船為
例，設(shè)計(jì)不同的下水工藝方案，并從安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性三個(gè)方面對(duì)不同
方案進(jìn)行比較，進(jìn)行方案選優(yōu)。
最后，總結(jié)本文研究的主要結(jié)論，提出研究中存在的不足之處，并指出進(jìn)
一步研究的發(fā)展方向。
關(guān)鍵字：柔性下水技術(shù)，船用氣囊下水工藝，承載能力，有限元分析，彈性計(jì)
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(chǎn)方式向適應(yīng)多元變型的柔性生 產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變已成定局。船舶制造業(yè)的對(duì)象一直以單件非重復(fù)型產(chǎn)品為主，所以
引進(jìn)柔性生產(chǎn)方式的概念更有其必要性。
從國內(nèi)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(kuò)大發(fā)展往往困難較大；而內(nèi)河中、小型船廠發(fā)展較慢，然潛力很大， 再擴(kuò)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(shè)施的選定對(duì)中小型船廠的擴(kuò)建和改造起著舉足輕重的作用，不同的下水設(shè)施
除經(jīng)濟(jì)可行性外，投資大小也相差甚遠(yuǎn)。鑒于中小船廠的特點(diǎn)，下水設(shè)施當(dāng)以 安全可靠、投資少、操作簡單、實(shí)施方便、占地少、日常維修費(fèi)用低、利于日 后擴(kuò)大下水能力等諸方面進(jìn)行考慮，而氣囊下水正是符合要求的高適應(yīng)性下水
方式。氣囊下水新工藝以其：省工、省時(shí)、省力、省投資、機(jī)動(dòng)靈活、安全可
靠、綜合經(jīng)濟(jì)效益高的七大優(yōu)點(diǎn)，成為了引起傳統(tǒng)修造船模式改變的“柔性下
水”技術(shù)。
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(shù)和方法，是我國獨(dú)創(chuàng)的一項(xiàng)造船新工藝。而與之相對(duì)應(yīng)的兩項(xiàng)船用氣囊標(biāo)準(zhǔn)： 《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(biāo)準(zhǔn)化工程師經(jīng)過千百次造 船實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)得出來的。這二項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的頒布和氣囊下水工藝的實(shí)施對(duì)世界 造船業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響， 一個(gè)在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用“柔性下水”技術(shù)的
新時(shí)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(yīng)用現(xiàn)狀
我國的氣囊下水工藝的發(fā)展經(jīng)歷了整整一代人的努力。1981年，山東省小 清河航運(yùn)局針對(duì)內(nèi)河船廠缺乏下水滑道的實(shí)際情況，首先提出了將承壓氣囊置 于船下滾動(dòng)下水的設(shè)想，并于同年在山東小清河船廠試驗(yàn)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(jié)構(gòu) 和制造工藝的不斷改進(jìn)，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(jì)錄。1994年9月底，舟山船廠運(yùn)用第四代氣囊下水了一艘長69.8米， 寬14.8米，下水重量達(dá)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(guān)。 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(jí)油船“舟海油28”采用濟(jì)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(shí) 重量達(dá)到4000t, 開創(chuàng)了萬噸油船應(yīng)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(gè)高承載力氣囊移位成功下水。該船 長126m 寬22m 重達(dá)5400t, 下水重量首次突破5000t大關(guān)。今年初氣囊下水 重量又報(bào)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(hào)”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(dá)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(yīng)用現(xiàn)狀
近幾年，我國灘涂造船業(yè)的興起促進(jìn)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(diǎn)既彌 補(bǔ)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(shí)、省 投資、機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，為中、小型船廠的技術(shù)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(jí)一類及其以下的各級(jí)各類企業(yè)生產(chǎn) 的船舶允許采用氣囊下水的方式，二級(jí)一類船舶生產(chǎn)企業(yè)最大允許生產(chǎn)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(jī)。
船舶氣囊下水工藝不僅推動(dòng)了我國造船業(yè)的進(jìn)步，也越來越受到國外同行的關(guān)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(chǎn)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(jìn)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(xiàng)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(fēng)登陸美國西海岸，統(tǒng)計(jì)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(yùn)美國，在搶 險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮了巨大作用。該公司使用后非常滿意，在一個(gè)月內(nèi)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(dá)國家市場挺進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)度成了首當(dāng)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(chǎn)帶來了隱患。制定詳細(xì)的下水方案和嚴(yán)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(xué)研究和下水工藝方案兩方面來說。
1)對(duì)于氣囊強(qiáng)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(nèi)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(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用有限元分析
來研究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已很普及，開展氣囊強(qiáng)度理論有限元分析的研究已勢在必行。
強(qiáng)度理論研究不僅要從靜態(tài)受壓著手，更要著眼于滾動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)受壓變
化，實(shí)船下水過程中氣囊壓力變化情況，應(yīng)成為研究的重點(diǎn)。
2)下水工藝方案的制定，應(yīng)圍繞下水過程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)而采取的應(yīng)對(duì) 措施進(jìn)行展開。由于研究深度的有限，很多安全隱患還無法預(yù)計(jì)和加以避免， 再加上船廠下水方面不按正確的工藝進(jìn)行操作，下水失敗的例子也時(shí)有發(fā)生。
因此，必須對(duì)實(shí)際下水工藝合理與否進(jìn)行更加深入的研究。
1.3 論文的研究內(nèi)容和目的
1.3.1 論文的研究內(nèi)容
本文的研究內(nèi)容主要包括以下三個(gè)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(yīng)力變化為依據(jù)，討論 內(nèi)壓的變化規(guī)律，研究單個(gè)氣囊的技術(shù)參數(shù)和各參數(shù)間的相互關(guān)系，并利用有
限元方法分析氣囊的強(qiáng)度理論，為后續(xù)的下水計(jì)算做準(zhǔn)備。
2)將船舶氣囊下水工藝過程分為兩個(gè)階段，分述各階段的實(shí)際操作和技術(shù) 要求。研究氣囊下水第二階段入水后船體的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并分別采用傳統(tǒng) 靜力學(xué)方法和改進(jìn)后的彈性計(jì)算方法，解決尾浮時(shí)艏部氣囊的超負(fù)荷承壓的計(jì)
算。
3)以15800t 散貨船實(shí)船為例，設(shè)計(jì)不同的下水工藝方案，并從經(jīng)濟(jì)性、
合理性和安全性三個(gè)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(gè)方面：
1)以提高下水的安全性為目的，在現(xiàn)有氣囊和相關(guān)下水設(shè)備技術(shù)條件的基
礎(chǔ)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(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性為目
的，提出對(duì)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(shù)分析和氣囊強(qiáng)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(zhì)量、氣囊受壓模型的
建立、單個(gè)氣囊的技術(shù)參數(shù)的分析及氣囊強(qiáng)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(biāo)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(guān)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(shè)備，在陸地移動(dòng)大型構(gòu)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(chǎn) 生垂直起升或下降位移的氣囊。滾動(dòng)氣囊，是配合并保證船舶順利實(shí)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(shí)，氣囊被壓縮后的實(shí)際高度。工作壓力， 是指氣囊通過自身壓縮而使船舶升墩，達(dá)到該船舶在下水時(shí)所需工作高度的囊
內(nèi)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(shí)際需 要而定。則氣囊總長度L=L+1.732D。
2.2 氣囊的質(zhì)量
氣囊是船舶采用氣囊下水工藝的最重要的工具，加強(qiáng)對(duì)氣囊的質(zhì)量控制研 究是大型船舶氣囊上下水安全的保證。氣囊的質(zhì)量取決于材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)控
制三個(gè)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(chǔ)材料，采用品質(zhì)好的橡膠可以
提高與簾線的粘接強(qiáng)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(jié)構(gòu)
氣囊的結(jié)構(gòu)主要是指簾線的布線方向。對(duì)于多層結(jié)構(gòu)來說，氣囊囊壁強(qiáng)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(yīng)力方向也不同，當(dāng) 主應(yīng)力方向與簾線布線方向不一致時(shí)，布線薄弱的方向就決定了氣囊的承載強(qiáng) 度。因此，多層簾線的分布盡量做到各向強(qiáng)度的均衡性，以保證不同的主應(yīng)力 方向。
2 . 2 . 3氣囊的生產(chǎn)控制
同樣的材料和結(jié)構(gòu)，由于氣囊制作工藝不同其強(qiáng)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(shí)；“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(shí)，囊壁中的主應(yīng)力方向發(fā)生了變化。由氣囊 的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)主應(yīng)力方向與簾線布線方向不一致時(shí)，布線薄弱的方向就決定 了氣囊的承載強(qiáng)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(shí)的應(yīng)力情況。本節(jié)重點(diǎn)討論氣囊在受壓變形前后，囊壁中主應(yīng)力的方向和
大小變化。
2.3.1 自由狀態(tài)下主應(yīng)力
船舶下水用氣囊在不受壓時(shí)形如梭形，見圖(2-1)。當(dāng)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(nèi)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(dān)，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(diǎn)的主應(yīng)力(合成應(yīng)力)可由下式求得：
σ,=√o?+o2=√(2o?)32+o?=√5o?
其主應(yīng)力與軸線的夾角為α=arctg2=63.4°。
2.3.2 壓扁狀態(tài)下的主應(yīng)力
當(dāng)氣囊在船底下被壓扁以后，上下表面呈平面形狀，兩側(cè)表面仍呈半圓形， 見圖(2-2)。由于內(nèi)部容積變小導(dǎo)致內(nèi)壓升高，設(shè)氣囊壓扁狀態(tài)下的內(nèi)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(jì)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(dān)，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(dāng) H/D=1/2時(shí)， [attach]8696[/attach] 主應(yīng)力與軸線的夾角為[attach]8697[/attach]
當(dāng) H/D=1/5 時(shí)： [attach]8698[/attach]主應(yīng)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(yīng)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(huì)隨高度H的減少而降低，對(duì)囊壁的強(qiáng)度有利，所以氣囊下水時(shí)宜盡量降低氣
囊的工作高度。
2.3.3 壓縮前后內(nèi)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(nèi)壓會(huì)迅速升高，導(dǎo)
致囊壁應(yīng)力增加。設(shè)氣囊自由狀態(tài)下的內(nèi)容積為V?, 內(nèi)壓力為(1+p。),那么當(dāng)
氣囊被壓扁，變形量為x 時(shí)，則如下恒等式成立：
[attach]8700[/attach] (2-10)
依據(jù)氣囊內(nèi)壓增高引起的囊壁伸張可以忽略不計(jì)，氣囊內(nèi)容積的改變大體 上與橫剖面面積的改變成正比，則當(dāng)氣囊工作高度為H 時(shí)，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(jìn)一步簡化可得： [attach]8704[/attach] (2-13)
即為不同氣囊相應(yīng)工作高度H下的工作壓力
當(dāng) H/D=1/2時(shí)，即氣囊直徑壓縮50%時(shí)，囊內(nèi)壓力為初始?jí)毫?自由狀態(tài))的
1.5倍。
2.3.4 壓縮前后內(nèi)壓變化實(shí)際規(guī)律
上述結(jié)論是從物理學(xué)的基本定律得出的，實(shí)際氣囊壓縮時(shí)，氣囊形態(tài)的變化 并不規(guī)則，會(huì)有少量的彈性伸張，所以實(shí)際的壓力變化規(guī)律要通過壓縮性能試驗(yàn)
才能獲得。
圖(2-3)為對(duì) D=1m、L=2m、初始?jí)毫?.03MPa 的氣囊壓縮性能進(jìn)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(nèi)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(nèi)壓與形變量關(guān)系
根據(jù)這一公式，當(dāng)D=1m的氣囊壓縮至H=0.2m時(shí)，內(nèi)壓將從0.03MPa 飆升至
0.2MPa, 提高了6.67倍。
其主應(yīng)力變化為：初始時(shí)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(shí)，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(qiáng)度情況有所 改善，但主應(yīng)力還是提高了1.6倍，而且主應(yīng)力方向與軸向的夾角由63.4°改變到
48°,這為強(qiáng)度計(jì)算提供了充分的依據(jù)。
2.4 單個(gè)氣囊的技術(shù)分析
單個(gè)氣囊的技術(shù)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(duì)氣囊的直徑、工作高度、工作壓力的定義，以及單個(gè)氣囊受壓變化 規(guī)律的討論，現(xiàn)就單個(gè)氣囊的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和相互關(guān)系進(jìn)行研究。
2.4.1 氣囊的直徑和工作高度
選取氣囊直徑D時(shí)應(yīng)主要考慮受壓后氣囊的變形高度H, 即實(shí)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(huì)隨高度H的減少
而降低，對(duì)囊壁的強(qiáng)度有利，所以氣囊下水時(shí)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(chǎn)品的 D=0.8m,1.0m,1.2m 的一組不同直徑的氣囊，選擇 一個(gè)滿足H值的最佳直徑。將這組不同直徑的氣囊，應(yīng)用等溫條件下的氣體狀
態(tài)方程，分別計(jì)算在不同H值時(shí)，內(nèi)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(shí)際承壓面長為4.8m,
氣囊初始?jí)毫=0.025MPa,計(jì)算結(jié)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(shí)(即 H=100mm),D=1m 氣囊內(nèi)壓 升高達(dá)0.13MPa, 接近氣囊材料的極限強(qiáng)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(nèi)，
選定 D=0.8m是適宜的。
[attach]8708[/attach]
圖2-4 (b)H-t 圖
由此得出結(jié)論：相同變形的情況下，大直徑氣囊比小直徑內(nèi)壓增加要大， 較易達(dá)到材料的極限壓力。因此，根據(jù)實(shí)際工作高度H來選擇氣囊直徑D時(shí)，
要考慮由D變形到H后，內(nèi)壓增加不致超過材料極限強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)的橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，屬于彈塑性材料的范疇，其強(qiáng)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(yàn)，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(shí)測壓力/MPa
D?—— 爆破試驗(yàn)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(gè)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(duì)氣囊的“允許過載壓力”和“安全過載系數(shù)” 而言。標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)當(dāng)
說是“可控的”,這主要針對(duì)頂升船體的狀態(tài)或船體在移動(dòng)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(nèi)部壓力的變化無法控制，而壓力超過設(shè)定壓力 的現(xiàn)象必定存在，這時(shí)就需要對(duì)氣囊的“過載壓力”和“過載系數(shù)”進(jìn)行討論。 氣囊在下水過程中，會(huì)產(chǎn)生多大的“過載壓力”,是一個(gè)不確定的問題，必須對(duì)
多組下水過程中氣囊的壓力變化實(shí)施跟蹤測試，得出統(tǒng)計(jì)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(shí)踐證明是可行的。而現(xiàn)今標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的(允 許)工作壓力是根據(jù)爆破壓力取n=4.5計(jì)算出來的，應(yīng)當(dāng)說其安全裕度是相當(dāng)高
的，對(duì)于承擔(dān)高風(fēng)險(xiǎn)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(kuò)大到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的4.5,把擴(kuò)大的安全裕度作為“允許過載壓力系數(shù)”是 符合實(shí)踐的。據(jù)此，“安全過載系數(shù)”可取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工作壓力的1.5~2.0倍， 動(dòng)態(tài)時(shí)取低值，靜態(tài)時(shí)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(rèn)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(nèi)壓超過允許過載壓力而未控制所 造成的嚴(yán)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(shè)定的， 一般取工作壓力保證值的2.5倍。此時(shí)，安全系數(shù)為1.8,尚
有安全裕度，但已到達(dá)危險(xiǎn)的邊緣。
綜上所述，氣囊使用壓力的定義可劃分為三個(gè)不同概念的范圍：
①安全工作壓力范圍——在標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的承載壓力應(yīng)當(dāng)不超過這個(gè)范圍；
②安全的過載壓力范圍——?dú)饽以诠ぷ鬟^程中允許瞬間超壓，如果氣囊在
短時(shí)間內(nèi)的過載壓力不超過保證值的2倍，則被認(rèn)為是允許的；
③安全警戒壓力 安全閥設(shè)定的壓力，當(dāng)氣囊內(nèi)壓超過這個(gè)壓力時(shí)，安全 閥開始釋放并保持這個(gè)壓力，工作人員應(yīng)當(dāng)積極采取措施降低壓力到安全范圍
之內(nèi)。
2.4.3 氣囊承載能力的計(jì)算
在初始?jí)毫凸ぷ鞲叨却_定的情況下，就可以來計(jì)算氣囊的承載力：
氣囊承載力Q=P·S·103(KN)
式中： P—— 內(nèi)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(shí)的工作壓力為
[attach]8711[/attach]
結(jié)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(nèi)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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| | | | | |
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2.4.4 單個(gè)氣囊各技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系
以D=0.8m氣囊為試驗(yàn)對(duì)象，假定氣囊承壓長度為4.8m, 在給定不同初始?jí)?/div>
力下，計(jì)算各工作高度時(shí)的內(nèi)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(guān)系。
表(2-2)氣囊不同工作高度下的內(nèi)壓與承載力
| | 氣囊內(nèi)壓變化 MPa | 氣囊承載力t |
| | 初始?jí)毫?0.0265 | 初始?jí)毫?0.0357 |
| | | | | |
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| | | | |
1)如表(2-2)所示，在初始?jí)毫?.0265MPa條件下，當(dāng)內(nèi)壓上升到0.0664MPa 時(shí)，承載力為30.41t。而在初壓為0.0357MPa 時(shí)，當(dāng)內(nèi)壓上升到0.0677MPa 時(shí)，
承載27.54t。