船舶气囊下水工艺中气囊承载性能影响因素分析
根据气囊承载形状变化规律，基于目前通用的假设条件归纳出船舶气囊下水工艺中气囊承载能力计算模型，分析影响气囊承载力相关因素。发现气囊承载力与气襄初始压力和工作高度密切相关；通过模型分析，设定合适初始压力与降低工作高度可提高船舶气囊下水的安全性。研究成果可供船厂在制定合理的船舶气囊下水工艺方案时参考。关键词：港口 船舶气囊 承载性能 影响因素 下水安全性Abstract:According to thechangeof airbag bearingshapeandgeneralassumptionsat present,a calculation model is established to analyze the airbag's bearing capacity and influentialfactorsin thelauching processof ship.Itisfound that theairbag's bearing capacity is closely related to initial pressure and the operating height.Through the modelanalysis,settingasuitableinitialpressureandreducingtheoperatingheightcould 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 airbagbearing capacityinfluentialfactorslaunchingsafety
世界上除部分船舶的下水在船坞内进行以及一些中小型船舶采用轨道滑车进行纵向或横向下水外，大型船舶一般均采用纵向滑道下水形式完成所建造船舶由陆地移入水中的工艺过程。近年来，在我国各造船企业特别是民营企业广泛应用的气囊下水技术是一项具有广阔发展前途的新工艺。该工艺克服了以往中小船厂船舶修造能力受制于滑板、滑道等传统工艺制约的不足，具有投资少、消低耗、无污染、高效率、机动灵活、安全可靠等优点。最新发布并实施的《船舶生产企业生产条件基本要求及评价方法》标准(CB/T 3000-2007)当中已将气囊下水作为一种认可的船舶下水方法列入船舶生产企业的许可证发放与认证工作。这将进一步为船舶气囊下水技术提供更加广阔的发展契机。
船舶制造技术不断向纵深发展，采用气囊下水的船舶吨位越来越大，部分船舶自重已超过万吨。技术发展促使气囊承载能力提高的同时也使气囊结构也越来越复杂。目前，船舶气囊下水工艺理论研究仍有待进一步发展，现行标准的施行对象主要是小型船舶下水，无法适应目前大型船舶下水。因此需加大对此关键技术的理论研究力度。
目前，对该工艺的气囊下水过程中的压力变化，下水运动的受力计算，船台末端高程及坡道坡度设计等问题的理论研究取得了不少成果,但基于气囊下水工艺的特点对其承载能力方面的计算缺乏系统深入的研究，计算模型的具体参数的选取仍较为模糊，导致对气囊安全性能进行评估时存在一定的风险，从而影响该工艺的推广。为了使气囊在船舶下水过程得到安全、经济、合理的使用，本文对船舶下水所采用的气囊承载能力计算模型的假设条件、计算方法进行总结，详尽地阐明各模型参数的物理意义，进而结合具体产品对计算模型的影响因素进行分析。结果表明：初始压力对每米长度承载力有较大影响，气囊每米承载力相同时，工作高度低(压缩率大)的气囊更安全。此项研究为船舶气囊下水工艺中的气囊选用及承载能力评估提供一定的参考依据。
船舶气囊下水工艺中气囊承载能力计算方法
考虑到气囊为非平衡态高弹体,为了便于对其进行承载性能分析研究，故对气囊作以下几个基本假设：1)气囊为圆柱式平衡弹性体。因为气囊是两端为锥体的长圆柱体，万吨级以上船舶下水主要采用长度L=15~20 m的气囊，锥体部分占比例很小(体积比为5%左右),圆锥部分可考虑不计。
2)气囊是一个密封的空气系统，气体是理想气体。
3)气囊囊体为均质材料，受力时，囊壁不发生拉伸变形，径向周长不变。
4)气囊橡胶囊体无重量。骨架层帘线不可拉伸，即囊体横剖面母线长度和气囊的长度均是常数。气囊囊体横剖面的非受压部分在变形过程中仍保持圆形不变。气囊圆柱部分全长承载、均匀受平面压缩变形。
1.2 气囊允许工作压力计算根据《船舶上排、下水用气囊》规定，气囊 的工作压力是指气囊在静态条件下充气压力的界 限值，应该是气囊工作压力的最小保证值。气囊 的囊壁属于纤维增强的橡胶复合结构，属于弹塑 性材料的范畴，其强度受人工操作技能的影响较 大，存在着一定的不确定性。鉴于此，每一批气 囊都须做爆破试验，以得到其爆破压力P 。 由爆破压力换算为允许工作压力P:(2.1)
式中： P 为气囊允许工作压力， MPaP 为实验气囊爆破试验压力的平均值，MPa;D₁为爆破试验气囊体直径， mD₂ 为产品气囊囊体的公称直径， mn 为安全系数， 一般取值为3~51.3 气囊工作压力计算在船舶下水气囊滚动受压加载的过程中，气 囊内气体质量不变，囊体的外形发生变化，囊内 气体的体积V 与囊内气体的压力P 都发生相应 的改变，达到新的平衡。根据理想气体状态方程， 对于气囊内固定质量的气体，气囊在垂向变形△h 时，则以下恒等式成立：(P(△h)+P₂)·V”=(R+P)·V₆ (2.2) 式中：P(△h)、V 分别为气囊变形后气体的压力 和体积PB、V₀分别为气囊初始状态气体的压力和体 积P为大气压力n 为理想气体幂指数。其值取决于气囊变形 的速度。当气囊的变形速率较小，气体体积变化 较慢时，囊内气体可以与外界进行充分的热交换， 囊内气体的温度与外界保持一致，囊内气体的变 化过程可视为等温过程， n=1 。 当气囊的变形速 率很大，囊内气体体积变化剧烈时，囊内气体来不及与外界进行热交换，囊内气体的变化过程可视为绝热过程，n=1.4 。 气囊承载前后的形状与尺度见图1。 (a) (b)图1 气囊承载前 (a)、 后(b) 形状与尺度
假设气囊内压增高引起的囊壁伸张可以忽 略不计，气囊内容积的改变大体上与横剖面面积的改变成正比。当气囊工作高度为H 时，前、后气囊的横剖面积分别为： S₀=πD²14、S=πDH12-πH²14, 将其代入公式(2.2),可 得内压P:(2.3)
内压P, 即气囊实际工作压力，其值应小于 或等于气囊允许工作压力。对一定直径D 的 气囊 ，P 值取决于气囊充气的初始压力P和工作高度H。1.4 气囊工作承载力计算气囊工作承载力F 是指气囊在下水过程中 压缩至不同高度时，产生的对船舶的实际支承力， 可按下式计算：F=P×S×10 (2.4)式中： P为内压； S为气囊承托船体之正投 影面积，按S=BL(m²) 计算， B 、L分别为正 投影面积宽度、长度。将公式(2.3)代入公式(2.4),可得：(2.5)
每米气囊工作承载力F 为： 公式(2.6)可表达成以下表达式：
(2.7)
由公式(2.7).可知，当气囊初始状态气体的 压力P₀ 和压缩比H/D一定时，单位长度气囊工作 承载力F₁ 与气囊直径D 成正比。2 模型分析为了便于进一步了解船舶气囊下水时气囊的 承载能力变化情况，分析其影响因素。现以船厂 提供的某气囊产品为例进行说明。此气囊产品资料：直径为1.5m的气囊，在初始压力为0.03 MPa、 0.1MPa两种工况下，对其进行实验，得出不同 压缩率情况下的每米气囊工作承载力，并根据得 出的数据绘制出压缩率与每米承载力曲线图，具 体见表1、图2。表 1 气囊技术参数表
压缩率(D-H)/D×100%H(m)(D=1.5m)F₁ (kN/m)(P₀=0.03 MPa)F₁ (kN/m)(P₀=0.1MPa)
01.500
71.426
131.3413
201.2929
271.11655
331.02678
400.938111
470.859148
530.781194
600.6121290
670.5188428
730.4280588
800.3487903
870.28371445
930.112202110
压缩率(D-H):D×100%图2不同初始压力气囊在不同压缩率时的每米承载力
2.1 气囊初始内压从图2可知，给定初始压力P₀ 的条件下，每 米气囊工作承载力FL 随压缩率的提高而增大。尤 其在压缩率达70%以上时，气囊承载力的增幅明 显变大。比较不同初始压力条件下的计算曲线可 以发现，提高初始压力会造成气囊承载力不同程 度的增加。因此初始压力P₀ 对每米长度承载力F₁有较大影响，说明在选择适合具体船舶下水所用 的气囊时需要考虑气囊初始内压对气囊承载力的 影响。2.2气囊工作高度根据图2分析，每米长度承载力Fπ与工作高 度 H 也有联系。以气囊每米长度承载力 Fr=300 kN/m 时为例。根据本文气囊承载能力计算方法， 初始压力P₀ 为0.03 MPa 、0.1 MPa 两种工况下，其对应的H 分别为0.42 m 、0.61m,工作压力分 别为0.108 MPa 、0.246 MPa 。H=0.61m的气囊 在该状况下的工作压力为0.246 MPa, 已大于目 前市场上供应的高强度气囊的许用工作压力。而 H=0.42m的气囊的工作压力为0.108 MPa, 属于 正常许用工作压力范围(按 P。值不变而言)。因 此，气囊每米承载力F₁ 相同时，工作高度低(压 缩率大)的气囊更安全。选择气囊时，需要着重 注意气囊的实际工作高度。3结论本文通过研究气囊承载形状变化规律，总结 了目前通用的船舶气囊下水工艺中气囊承载能力 计算模型，归纳了该模型的假设条件、计算方法 及模型参数。通过分析得到气囊承载力与气囊初 始压力和工作高度密切相关。基于计算模型可以 得出，设定合适的初始压力与降低工作高度都是 提高船舶气囊下水安全性的有效途径，并且前述 措施在现有条件下容易实现。但文中采用的计算 模型基于气囊为圆柱式平衡弹性体等基本假设， 而在实际情况中，大型船舶下水采用的气囊壁厚较厚，变形后也不呈正圆形。因此，运用文中理 论计算气囊承载力的误差较大，只能通过实验得 到相对可靠的数据。进而利用实验数据并根据实 践经验加以修正，建立回归公式，并通过实船测 量加以验证。此项研究成果可供船厂在制定合理 的船舶气囊下水工艺方案时参考。
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