V型船應(yīng)用氣囊上下水的力學(xué)分析

jimosea

針對V型船應(yīng)用氣囊上下水的方案，建立了氣囊變形模型，對船體各站點處的氣囊變形、氣囊布置位置處的支撐面積、氣囊變形后的體積變化等進行了計算，求得了氣囊的支撐力和力矩，并對上下水過程中船體的力矩平衡狀態(tài)進行了分析。

船舶用氣囊上排、下水工藝對中小船舶具有投資少，見效快，安全可靠等優(yōu)點。船舶用氣囊進行上排、下水是指船舶通過氣囊完成上排、下水的技術(shù)方法，其基本原理是利用低充氣壓力氣囊在承載情況下的大變形，使氣囊與船體大面積接觸而承受船舶大負載，使用多個氣囊在船底下不斷滾動，達到使船舶安全上排、下水的目的。
在設(shè)計船舶應(yīng)用氣囊上下水方案時，必須對船舶氣囊上下水中的纜車牽引力、氣囊承重等進行力學(xué)計算。對于平底船，氣囊變形及力學(xué)計算相對比較簡單。當氣囊上下水用于V型船時，
由于船底不同位置的形狀不同，氣囊的變形、受力情況比較復(fù)雜，船舶的橫傾造成氣囊形狀和受力的變化，影響船舶的橫向穩(wěn)定，在上下水的分析中須要進行計算校核，以保證船舶安全。本文以一V型船為例，介紹氣囊上下水方案設(shè)計中有關(guān)的力學(xué)計算方法。
1構(gòu)造船體曲面
對于V型船，一般可根據(jù)船體型線圖構(gòu)造出船體曲面。本文以AutoCAD軟件為平臺，先作出各線型圖的曲線，再以這些曲線構(gòu)建出船體曲面
氣囊變形模型取氣囊直徑為D，工作高度為H。由于氣囊表面材料在氣囊工作過程中不產(chǎn)生伸縮，同時始終保持最大體積狀態(tài)，所以氣囊工作時橫截面形狀應(yīng)為長圓形，其周長與變形前的圓的周長相等。
(2)
考察氣囊對船舶的支撐力和力矩平衡情況，則應(yīng)考察船舶上下水時從新放入一個氣囊到由船體另一端釋放出一個氣囊這一過程中，各個不同位置的氣囊的變形和受力狀況。
3
氣囊上下水的力學(xué)分析
3．1
船體不同位置處氣囊的變形計算根據(jù)船體各站點的型線曲線，計算不同高度點的氣囊橫截面受壓部分的長度，進而計算出此站點的垂向變形面積(支撐面積)。
將氣囊在長度方向按間距6分成小段，近似地認為每小段中氣囊變形后在船體縱向方向的受壓部分長度，綜上所述，便可依次求出船體各站處的支撐面積、左支撐面積、右支撐面積、左面積中心、右面積中心。
3．2
氣囊布置位置處支撐面積的計算
依上述方法可求出船體各站位置的氣囊支撐面積及其質(zhì)心坐標，進而做出各面積及質(zhì)心沿船體縱向的變化曲線，求得氣囊各布置位置的支撐面積值。

3．3
氣囊變形后體積變化的計算
氣囊工作高度為H時，氣囊橫截面面積的變化值為

一般情況下，均勻布置氣囊時，氣囊支撐力中心位置與船舶的質(zhì)心位置是不會重合的。由于重力與支撐力的位置差，船舶重力和氣囊支撐力將對船體形成旋轉(zhuǎn)力矩，船體將產(chǎn)生一個以其位置差中點為旋轉(zhuǎn)中心的縱傾。船體縱傾使各氣囊變形發(fā)生變化，進而引起各氣囊支撐力的改變和支撐力矩的改變，最終達到力矩的平衡。設(shè)計上下水方案時，要計算這個平衡點是否在船舶縱傾的允許范圍內(nèi)。

力矩平衡的計算
式中峰稱為氣囊的體積變化因子，用以表征氣囊在受壓后體積變化所引起的壓力變化。借助式(9)可繪出如圖9所示的局曲線。圖9所示的如曲線可求出氣囊布置位置處的恐值，以此值作為支撐面積的加權(quán)系數(shù)，這樣便可得到由于壓力變化的修正面積。修正面積與氣囊初始壓力的積為該氣囊的垂向支撐力。
3．4支撐力的計算
計算時，支撐面積的總和為∑S，若船的總質(zhì)量為形則所要求的氣囊初始壓力為實例計算中得到的氣囊支撐力之和∑f與總質(zhì)量形引起的重力是相等的，即支撐力與重力是平衡的。
3．5
力矩的計算
船體發(fā)生縱傾后，假定船體前仰至站l處氣囊為某一高度，并以此計算得到其他各站的高度。依上述方法，可分別求出各站處的氣囊支撐面積和體積變化因子如，做出船體前仰的支撐面
積曲線和配曲線。重復(fù)上節(jié)的步驟，可計算出船體前仰后氣囊支撐力中心的位置，與船舶質(zhì)心位置比較，如果氣囊支撐力中心在船舶質(zhì)心的前面，說明在此位置力矩還沒達到平衡，船體將繼續(xù)前仰。將站l處氣囊高度設(shè)定為一個更大的值，重復(fù)上述過程，直至氣囊支撐力中心位于船舶質(zhì)心的后面時，說明此時船體所受力矩將使船體產(chǎn)生后傾。即船體在前仰過程中在此位置前將達到力矩平衡。
如果初始計算表明船體將發(fā)生前傾，類似以上過程可尋找到其前傾的平衡位置。
船體橫傾后恢復(fù)力的計算
假定船體由于外力(如側(cè)向風(fēng))作用發(fā)生橫傾，如氣囊不能提供足夠的恢復(fù)力矩，船體重力力矩將使船體傾覆?，F(xiàn)假設(shè)船體右傾150，計算氣囊的恢復(fù)力矩。
在3．1節(jié)中，計算出了船體右傾150后，在船體縱向各站點處氣囊與船體接觸的左側(cè)支撐面積和右側(cè)支撐面積，以及它們的支撐力中心的橫向坐標。依此作出其在船體縱向的變化曲線，
進而求出各氣囊位置的上述各值及面積修正系

本文對V型船采用氣囊上下水方案時氣囊的支撐力、支撐力力矩平衡及船體在外力作用下發(fā)生橫傾后氣囊的恢復(fù)力等進行了計算分析，實例計算結(jié)果表明：
(1)氣囊的支撐力可以滿足該船上下水要求。
選用14個有效長度8m、直徑2m的船用氣囊，初始工作壓力為0．0437 MPa(中壓氣囊的額定工作壓力可達0．07 MPa，而高壓氣囊的額定工
作壓力可達0．14 MPa)，按間距4m布置，船體離地面高度為400mm左右，可滿足對船舶質(zhì)量的支撐要求。
(2)縱向支撐力力矩滿足該船上排要求。
當船體在水平位置時，支撐力的中心位置在X=30．714 m處，而艦船質(zhì)心位置在胎33．3 m處。由于重力與支撐力的位置差，船體將產(chǎn)牛前仰。經(jīng)計算，在船體前仰0．930時，支撐力的中心位置在X=34．40 m處，已經(jīng)超過質(zhì)心位置，即在船體前仰不超過0．93。時就能滿足縱向力矩平衡。
(3)船體橫向傾斜150時，氣囊支撐力有足夠的恢復(fù)力矩使船體回復(fù)到垂直位置。船體橫向傾斜15。時，氣囊支撐力的橫向力矩為6．15MNm，
而重力力矩為4．68 MNm，二者方向相反。這就說明在船體橫向傾斜達到150前，氣囊支撐力便有足夠的恢復(fù)力矩使船體回復(fù)到垂直位置。