青島永泰長榮
標(biāo)題: 船舶氣囊下水工藝中氣囊承載性能影響因素分析 [打印本頁]
作者: jimosea 時間: 2023-12-30 17:18
標(biāo)題: 船舶氣囊下水工藝中氣囊承載性能影響因素分析
根據(jù)氣囊承載形狀變化規(guī)律，基于目前通用的假設(shè)條件歸納出船舶氣囊下水工藝中氣囊承載能力計算模型，分析影響氣囊承載力相關(guān)因素。發(fā)現(xiàn)氣囊承載力與氣襄初始壓力和工作高度密切相關(guān)；通過模型分析，設(shè)定合適初始壓力與降低工作高度可提高船舶氣囊下水的安全性。研究成果可供船廠在制定合理的船舶氣囊下水工藝方案時參考。
關(guān)鍵詞：港口 船舶氣囊 承載性能 影響因素 下水安全性
Abstract:According to the change of airbag bearing shape and general assumptions at present,a calculation model is established to analyze the airbag's bearing capacity and influential factors in the lauching process of ship.It is found that the airbag's bearing capacity is closely related to initial pressure and the operating height.Through the model analysis,setting a suitable initial pressure and reducing the operating height could improve the safety of launching ship into the water.Such a research is helpful for the shipyard to arrange reasonable launching schemes.
Key words: port ship airbag bearing capacity influential factors launching safety
世界上除部分船舶的下水在船塢內(nèi)進(jìn)行以及一些中小型船舶采用軌道滑車進(jìn)行縱向或橫向下水外，大型船舶一般均采用縱向滑道下水形式完成所建造船舶由陸地移入水中的工藝過程。近年來，在我國各造船企業(yè)特別是民營企業(yè)廣泛應(yīng)用的氣囊下水技術(shù)是一項具有廣闊發(fā)展前途的新工藝。該工藝克服了以往中小船廠船舶修造能力受制于滑板、滑道等傳統(tǒng)工藝制約的不足，具有投資少、消低耗、無污染、高效率、機(jī)動靈活、安全可靠等優(yōu)點。最新發(fā)布并實施的《船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)條件基本要求及評價方法》標(biāo)準(zhǔn)(CB/T 3000-2007)當(dāng)中已將氣囊下水作為一種認(rèn)可的船舶下水方法列入船舶生產(chǎn)企業(yè)的許可證發(fā)放與認(rèn)證工作。這將進(jìn)一步為船舶氣囊下水技術(shù)提供更加廣闊的發(fā)展契機(jī)。
船舶制造技術(shù)不斷向縱深發(fā)展，采用氣囊下水的船舶噸位越來越大，部分船舶自重已超過萬噸。技術(shù)發(fā)展促使氣囊承載能力提高的同時也使氣囊結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。目前，船舶氣囊下水工藝?yán)碚撗芯咳杂写M(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的施行對象主要是小型船舶下水，無法適應(yīng)目前大型船舶下水。因此需加大對此關(guān)鍵技術(shù)的理論研究力度。
目前，對該工藝的氣囊下水過程中的壓力變化，下水運(yùn)動的受力計算，船臺末端高程及坡道坡度設(shè)計等問題的理論研究取得了不少成果,但基于氣囊下水工藝的特點對其承載能力方面的計算缺乏系統(tǒng)深入的研究，計算模型的具體參數(shù)的選取仍較為模糊，導(dǎo)致對氣囊安全性能進(jìn)行評估時存在一定的風(fēng)險，從而影響該工藝的推廣。為了使氣囊在船舶下水過程得到安全、經(jīng)濟(jì)、合理的使用，本文對船舶下水所采用的氣囊承載能力計算模型的假設(shè)條件、計算方法進(jìn)行總結(jié)，詳盡地闡明各模型參數(shù)的物理意義，進(jìn)而結(jié)合具體產(chǎn)品對計算模型的影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：初始壓力對每米長度承載力有較大影響，氣囊每米承載力相同時，工作高度低(壓縮率大)的氣囊更安全。此項研究為船舶氣囊下水工藝中的氣囊選用及承載能力評估提供一定的參考依據(jù)。
船舶氣囊下水工藝中氣囊承載能力計算方法
考慮到氣囊為非平衡態(tài)高彈體,為了便于對其進(jìn)行承載性能分析研究，故對氣囊作以下幾個基本假設(shè)：1)氣囊為圓柱式平衡彈性體。因為氣囊是兩端為錐體的長圓柱體，萬噸級以上船舶下水主要采用長度L=15~20 m的氣囊，錐體部分占比例很小(體積比為5%左右),圓錐部分可考慮不計。
2)氣囊是一個密封的空氣系統(tǒng)，氣體是理想氣體。
3)氣囊囊體為均質(zhì)材料，受力時，囊壁不發(fā)生拉伸變形，徑向周長不變。
4)氣囊橡膠囊體無重量。骨架層簾線不可拉伸，即囊體橫剖面母線長度和氣囊的長度均是常數(shù)。氣囊囊體橫剖面的非受壓部分在變形過程中仍保持圓形不變。氣囊圓柱部分全長承載、均勻受平面壓縮變形。
1.2 氣囊允許工作壓力計算
根據(jù)《船舶上排、下水用氣囊》規(guī)定，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，以得到其爆破壓力P 。 由爆
破壓力換算為允許工作壓力P:
[attach]8388[/attach](2.1)
式中： P 為氣囊允許工作壓力， MPa
P 為實驗氣囊爆破試驗壓力的平均值，
MPa;
D?為爆破試驗氣囊體直徑， m
D? 為產(chǎn)品氣囊囊體的公稱直徑， m
n 為安全系數(shù)， 一般取值為3~5
1.3 氣囊工作壓力計算
在船舶下水氣囊滾動受壓加載的過程中，氣 囊內(nèi)氣體質(zhì)量不變，囊體的外形發(fā)生變化，囊內(nèi) 氣體的體積V 與囊內(nèi)氣體的壓力P 都發(fā)生相應(yīng) 的改變，達(dá)到新的平衡。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程， 對于氣囊內(nèi)固定質(zhì)量的氣體，氣囊在垂向變形△h 時，則以下恒等式成立：
(P(△h)+P?)·V”=(R+P)·V? (2.2) 式中：P(△h)、V 分別為氣囊變形后氣體的壓力 和體積
PB、V?分別為氣囊初始狀態(tài)氣體的壓力和體 積
P 為大氣壓力
n 為理想氣體冪指數(shù)。其值取決于氣囊變形 的速度。當(dāng)氣囊的變形速率較小，氣體體積變化 較慢時，囊內(nèi)氣體可以與外界進(jìn)行充分的熱交換， 囊內(nèi)氣體的溫度與外界保持一致，囊內(nèi)氣體的變 化過程可視為等溫過程， n=1 。 當(dāng)氣囊的變形速 率很大，囊內(nèi)氣體體積變化劇烈時，囊內(nèi)氣體來不及與外界進(jìn)行熱交換，囊內(nèi)氣體的變化過程可
視為絕熱過程，n=1.4 。 氣囊承載前后的形狀與
尺度見圖1。
[attach]8389[/attach] [attach]8390[/attach]
(a) (b)
圖1 氣囊承載前 (a)、 后(b) 形狀與尺度
假設(shè)氣囊內(nèi)壓增高引起的囊壁伸張可以忽 略不計，氣囊內(nèi)容積的改變大體上與橫剖面面 積的改變成正比。當(dāng)氣囊工作高度為H 時，前、
后氣囊的橫剖面積分別為： S?=πD214、
S=πDH12-πH214, 將其代入公式(2.2),可 得內(nèi)壓P:[attach]8391[/attach]
(2.3)
內(nèi)壓P, 即氣囊實際工作壓力，其值應(yīng)小于 或等于氣囊允許工作壓力。對一定直徑D 的 氣
囊 ，P 值取決于氣囊充氣的初始壓力P 和工作高
度H。
1.4 氣囊工作承載力計算
氣囊工作承載力F 是指氣囊在下水過程中 壓縮至不同高度時，產(chǎn)生的對船舶的實際支承力， 可按下式計算：
F=P×S×10 (2.4)
式中： P 為內(nèi)壓； S 為氣囊承托船體之正投 影面積，按S=BL(m2) 計算， B 、L 分別為正 投影面積寬度、長度。
將公式(2.3)代入公式(2.4),可得：
[attach]8392[/attach](2.5)
每米氣囊工作承載力F 為：
[attach]8393[/attach]
公式(2.6)可表達(dá)成以下表達(dá)式：
[attach]8394[/attach](2.7)
由公式(2.7).可知，當(dāng)氣囊初始狀態(tài)氣體的 壓力P? 和壓縮比H/D一定時，單位長度氣囊工作 承載力F? 與氣囊直徑D 成正比。
2 模型分析
為了便于進(jìn)一步了解船舶氣囊下水時氣囊的 承載能力變化情況，分析其影響因素?，F(xiàn)以船廠 提供的某氣囊產(chǎn)品為例進(jìn)行說明。此氣囊產(chǎn)品資 料：直徑為1.5m的氣囊，在初始壓力為0.03 MPa、 0.1 MPa 兩種工況下，對其進(jìn)行實驗，得出不同 壓縮率情況下的每米氣囊工作承載力，并根據(jù)得 出的數(shù)據(jù)繪制出壓縮率與每米承載力曲線圖，具 體見表1、圖2。
表 1 氣囊技術(shù)參數(shù)表
壓縮率 (D-H) /D×100% | H(m) (D=1.5m) | F? (kN/m) (P?=0.03 MPa) | F? (kN/m) (P?=0.1 MPa) |
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[attach]8395[/attach]
壓縮率(D-H)
×100%
圖2 不同初始壓力氣囊在不同壓縮率時的每米承載力
2.1 氣囊初始內(nèi)壓
從圖2可知，給定初始壓力P? 的條件下，每 米氣囊工作承載力FL 隨壓縮率的提高而增大。尤 其在壓縮率達(dá)70%以上時，氣囊承載力的增幅明 顯變大。比較不同初始壓力條件下的計算曲線可 以發(fā)現(xiàn)，提高初始壓力會造成氣囊承載力不同程 度的增加。因此初始壓力P? 對每米長度承載力F? 有較大影響，說明在選擇適合具體船舶下水所用 的氣囊時需要考慮氣囊初始內(nèi)壓對氣囊承載力的 影響。
2.2 氣囊工作高度
根據(jù)圖2分析，每米長度承載力Fπ與工作高 度 H 也有聯(lián)系。以氣囊每米長度承載力 Fr=300 kN/m 時為例。根據(jù)本文氣囊承載能力計算方法， 初始壓力P? 為0.03 MPa 、0.1 MPa 兩種工況下，
其對應(yīng)的H 分別為0.42 m 、0.61 m, 工作壓力分 別為0.108 MPa 、0.246 MPa 。H=0.61m的氣囊 在該狀況下的工作壓力為0.246 MPa, 已大于目 前市場上供應(yīng)的高強(qiáng)度氣囊的許用工作壓力。而 H=0.42m 的氣囊的工作壓力為0.108 MPa, 屬于 正常許用工作壓力范圍(按 P。值不變而言)。因 此，氣囊每米承載力F? 相同時，工作高度低(壓 縮率大)的氣囊更安全。選擇氣囊時，需要著重 注意氣囊的實際工作高度。
3 結(jié)論
本文通過研究氣囊承載形狀變化規(guī)律，總結(jié) 了目前通用的船舶氣囊下水工藝中氣囊承載能力 計算模型，歸納了該模型的假設(shè)條件、計算方法 及模型參數(shù)。通過分析得到氣囊承載力與氣囊初 始壓力和工作高度密切相關(guān)。基于計算模型可以 得出，設(shè)定合適的初始壓力與降低工作高度都是 提高船舶氣囊下水安全性的有效途徑，并且前述 措施在現(xiàn)有條件下容易實現(xiàn)。但文中采用的計算 模型基于氣囊為圓柱式平衡彈性體等基本假設(shè)， 而在實際情況中，大型船舶下水采用的氣囊壁厚
較厚，變形后也不呈正圓形。因此，運(yùn)用文中理 論計算氣囊承載力的誤差較大，只能通過實驗得 到相對可靠的數(shù)據(jù)。進(jìn)而利用實驗數(shù)據(jù)并根據(jù)實 踐經(jīng)驗加以修正，建立回歸公式，并通過實船測 量加以驗證。此項研究成果可供船廠在制定合理 的船舶氣囊下水工藝方案時參考[10]。
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[attach]7480[/attach]
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