V型船應(yīng)用氣囊上下水的力學(xué)分析

jimosea

針對(duì)V型船應(yīng)用氣囊上下水的方案，建立了氣囊變形模型，對(duì)船體各站點(diǎn)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(jìn)行了計(jì)算，求得了氣囊的支撐力和力矩，并對(duì)上下水過程中船體的力矩平衡狀態(tài)進(jìn)行了分析。

船舶用氣囊上排、下水工藝對(duì)中小船舶具有投資少，見效快，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。船舶用氣囊進(jìn)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(fù)載，使用多個(gè)氣囊在船底下不斷滾動(dòng)，達(dá)到使船舶安全上排、下水的目的。
在設(shè)計(jì)船舶應(yīng)用氣囊上下水方案時(shí)，必須對(duì)船舶氣囊上下水中的纜車牽引力、氣囊承重等進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。對(duì)于平底船，氣囊變形及力學(xué)計(jì)算相對(duì)比較簡(jiǎn)單。當(dāng)氣囊上下水用于V型船時(shí)，
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(jìn)行計(jì)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(jì)中有關(guān)的力學(xué)計(jì)算方法。
1構(gòu)造船體曲面
對(duì)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(tái)，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(shí)始終保持最大體積狀態(tài)，所以氣囊工作時(shí)橫截面形狀應(yīng)為長(zhǎng)圓形，其周長(zhǎng)與變形前的圓的周長(zhǎng)相等。
(2)
考察氣囊對(duì)船舶的支撐力和力矩平衡情況，則應(yīng)考察船舶上下水時(shí)從新放入一個(gè)氣囊到由船體另一端釋放出一個(gè)氣囊這一過程中，各個(gè)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(jì)算根據(jù)船體各站點(diǎn)的型線曲線，計(jì)算不同高度點(diǎn)的氣囊橫截面受壓部分的長(zhǎng)度，進(jìn)而計(jì)算出此站點(diǎn)的垂向變形面積(支撐面積)。
將氣囊在長(zhǎng)度方向按間距6分成小段，近似地認(rèn)為每小段中氣囊變形后在船體縱向方向的受壓部分長(zhǎng)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(jì)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(biāo)，進(jìn)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(jì)算
氣囊工作高度為H時(shí)，氣囊橫截面面積的變化值為

一般情況下，均勻布置氣囊時(shí)，氣囊支撐力中心位置與船舶的質(zhì)心位置是不會(huì)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(duì)船體形成旋轉(zhuǎn)力矩，船體將產(chǎn)生一個(gè)以其位置差中點(diǎn)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(jìn)而引起各氣囊支撐力的改變和支撐力矩的改變，最終達(dá)到力矩的平衡。設(shè)計(jì)上下水方案時(shí)，要計(jì)算這個(gè)平衡點(diǎn)是否在船舶縱傾的允許范圍內(nèi)。

力矩平衡的計(jì)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?jí)毫Φ姆e為該氣囊的垂向支撐力。
3．4支撐力的計(jì)算
計(jì)算時(shí)，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?jí)毫閷?shí)例計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dá)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(gè)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(shí)，說明此時(shí)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(dá)到力矩平衡。
如果初始計(jì)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(jì)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(jì)算氣囊的恢復(fù)力矩。
在3．1節(jié)中，計(jì)算出了船體右傾150后，在船體縱向各站點(diǎn)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(biāo)。依此作出其在船體縱向的變化曲線，
進(jìn)而求出各氣囊位置的上述各值及面積修正系

本文對(duì)V型船采用氣囊上下水方案時(shí)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(jìn)行了計(jì)算分析，實(shí)例計(jì)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(gè)有效長(zhǎng)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(dá)0．07 MPa，而高壓氣囊的額定工
作壓力可達(dá)0．14 MPa)，按間距4m布置，船體離地面高度為400mm左右，可滿足對(duì)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(dāng)船體在水平位置時(shí)，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(jì)算，在船體前仰0．930時(shí)，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(shí)就能滿足縱向力矩平衡。
(3)船體橫向傾斜150時(shí)，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(shí)，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(dá)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。