船舶气囊下水的力学计算及工艺优化
纵观世界工业的发展趋势，从批量流水定型生产方式向适应多元变型的柔 性生产方式转变已成定局；再看我国船舶行业的发展，沿海和内河中小型船厂 造船模式的改造已迫在眉睫。 一种极为灵活的修造船企业模式正在悄悄地取代 传统的修造船企业模式而引起造船生产组织的一场变革，而气囊下水正是在这场变革中应运而生的高适应能力的“柔性下水技术”。目前，船用气囊下水工艺技术已非常成熟，两项船用气囊标准：《船舶上排、下水用气囊》CB3795-1996 和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》CB3837-1998的颁布，更是为船用气囊下水工艺提供了理论依据。但随着采用气囊下水船舶尺度的增大，下水过程中的不确定因素增加，船用气囊下水的风险也随之增大， 因此要解决下水安全问题这一发展瓶颈，就必须不断提高气囊的承载能力和制定更加合理的下水方案。为此，本文围绕气囊的力学计算和下水工艺方案的制定展开讨论，并对现有气囊技术水平下的下水船重界限做出预估，以期达到提高气囊的下水能力，增加这种柔性下水方式的经济性和安全性的目的。本文首先以自由状态下气囊受压前后主应力变化为依据，讨论内压的变化 规律，研究单个气囊的技术参数和各参数间的相互关系，并采用有限元方法对气囊的强度理论研究进行了初探，为后续下水计算做准备。其次，讨论气囊下水工艺两个阶段的实际操作和技术要求，研究气囊下水 第二阶段船体的运动和受力情况，并分别采用传统静力学方法和改进后的弹性计算方法，解决尾浮时艏部气囊的超负荷承压的计算。再次，是本文的重点：在前两章研究的基础上，以15800t散货船实船为例，设计不同的下水工艺方案，并从安全性、经济性、合理性三个方面对不同方案进行比较，进行方案选优。最后，总结本文研究的主要结论，提出研究中存在的不足之处，并指出进一步研究的发展方向。关键字：柔性下水技术，船用气囊下水工艺，承载能力，有限元分析，弹性计算方法，优化方案
Abstract
Letslookatthedevelopingtrendoftheworldindustry,thediversifiedsoft mode of production must be instead of the batch flowline production.The small andmedium shipyards must transforn the shipbuilding mode along the coast and river inthe internalship industry of our country.The conventionalshipbuilding mode hasbeingchangedby annewflexiblemodewhichwillarousingatransformof shipbuilding production organization.Ship launching with airbag which is a flexibletechnologyofhighadaptabilityemergesasthetimesrequirealongwiththetransform.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 andthe increasing of the indeterminate factors.We must advance the loading carryingcapacity of airbag and make more reasonable launching project to settle the safetyproblems which restrict the development of this flexible technology.So this paperdiscusses the airbag's mechanic calculation and how to make the launching project.For the intent of improving the launching carrying capability and the economicalefficiency it also estimates the highest launching weight under the technical level inexistence.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 researchairbag'slimited strengthbythe finiteelementanalysismethod.Italso analyzes the technologyfactorsandcorrelationsof thetechnologyfactorsof thesingle airbag to prepare for the later calculations.Secondlythispaperdiscusses factoperationsandtechnologyrequirements 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 traditionalstatic calculation and improving elastic calculation.
Thirdlythispaperdesignsdifferentprocessprogramsforthe 15800TBulk Carrierandoptimizestheprojectconsideringthesafetyandtheeconomicalefficiency 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 indicatesthe 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 绪 论
随着世界工业的发展，从批量流水定型生产方式向适应多元变型的柔性生 产方式转变已成定局。船舶制造业的对象一直以单件非重复型产品为主，所以引进柔性生产方式的概念更有其必要性。从国内中小型船舶行业的发展来看：沿海造船业发展迅速，但受地理环境 限制，再扩大发展往往困难较大；而内河中、小型船厂发展较慢，然潜力很大， 再扩展可能性较大，这两种型式的船厂都具有改造的迫切性与可行性。而下水设施的选定对中小型船厂的扩建和改造起着举足轻重的作用，不同的下水设施除经济可行性外，投资大小也相差甚远。鉴于中小船厂的特点，下水设施当以 安全可靠、投资少、操作简单、实施方便、占地少、日常维修费用低、利于日 后扩大下水能力等诸方面进行考虑，而气囊下水正是符合要求的高适应性下水方式。气囊下水新工艺以其：省工、省时、省力、省投资、机动灵活、安全可靠、综合经济效益高的七大优点，成为了引起传统修造船模式改变的“柔性下水”技术。气囊下水工艺是指以气囊为主要工具，将船舶从河岸坡道上滑入水中的技术和方法，是我国独创的一项造船新工艺。而与之相对应的两项船用气囊标准： 《船舶上排、下水用气囊》CB3795-1996 和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》 CB3837-1998 也是完全由我国造船技师、企业家和标准化工程师经过千百次造船实践，总结经验得出来的。这二项标准的颁布和气囊下水工艺的实施对世界造船业的发展产生了深远的影响， 一个在更广泛领域应用“柔性下水”技术的新时代正在悄悄地向我们走来。
1.1 气囊下水工艺的发展历史与应用现状
我国的气囊下水工艺的发展经历了整整一代人的努力。1981年，山东省小 清河航运局针对内河船厂缺乏下水滑道的实际情况，首先提出了将承压气囊置 于船下滚动下水的设想，并于同年在山东小清河船厂试验成功，就此拉开了气囊下水工艺发展的序幕。1.1.1 气囊下水工艺的发展历史
从1981年至1990年十年间，由于气囊承载能力的不足，船用气囊下水的 重量始终徘徊在500吨以下。直到90年代，随着气囊原材料的改变，囊体结构 和制造工艺的不断改进，气囊的承载能力有了明显提高，下水船舶的重量不断 创造新纪录。1994年9月底，舟山船厂运用第四代气囊下水了一艘长69.8米， 宽14.8米，下水重量达900吨的30车/122客位的车客渡船。1995年10月6 日，湖北省浠水船厂使用第四代气囊下水一艘8000载重吨的宽体甲板驳。该驳 长91.5米，宽24.4米，深5.5米，自重1200吨下水吨位首次突破千吨大关。 96年试制成功的第五代高压气囊是由六层尼龙帘布绕成型的橡胶气囊，爆破压力创1.11MPa 的新记录。2000年高承载力揉压气囊的研制成功，是气囊下水工艺飞跃的又一里程碑。 2002年10月17日，万吨级油船“舟海油28”采用济南昌林气囊容器厂制造的 高承载力气囊一举成功下水。该船总长138m 宽19m 排水量15000 t,下水时 重量达到4000t, 开创了万吨油船应用气囊下水的新阶段。2005年4月28日， 浙江省一艘8100立方耙吸挖泥船，用34个高承载力气囊移位成功下水。该船长126m 宽22m 重达5400t, 下水重量首次突破5000t大关。今年初气囊下水重量又报捷讯，1月1日由乐清市江南船业有限公司建造的“瑞盛10号”轮，采用最新的第六代高压气囊安然下水。该船长165m、宽24.5m、型深14m 、自重约6800t,载货量达23000t,创下了气囊下水船舶自重最大的新记录。
1.1.2 气囊下水工艺的应用现状
近几年，我国滩涂造船业的兴起促进了船用气囊下水工艺的推广和发展。 由于其不需要整规的场地，海边沙滩、河岸淤地均可利用，其柔性的特点既弥 补了场地不平的缺陷，宽大的接触面积也使船底承压均匀。其省工、省时、省 投资、机动灵活、安全可靠等显著优点，为中、小型船厂的技术改造和发展， 提供了广阔的前景。2006年8月通过的《船舶工业中长期发展规划》已将船舶 气囊下水纳入了基本要求的范畴，规定二级一类及其以下的各级各类企业生产 的船舶允许采用气囊下水的方式，二级一类船舶生产企业最大允许生产180m的船舶。这一规划的颁布，更为气囊下水工艺提供了发展的契机。船舶气囊下水工艺不仅推动了我国造船业的进步，也越来越受到国外同行的关注。2006年5月27日，土耳其黑海船业公司利用青岛鲁航气囊厂生产的 45只直径1.8米、长18米气囊，成功下水了一艘自重7000吨的散货船。随后， 马来西亚 C.E.LingEnterpriseSdn.Bhd.公司又引进我国的气囊下水新工艺，下水了一艘自重300多吨的拖船，由于一切顺利，该公司在07年初再添置20只气 囊。除马来西亚外，新加坡、印度尼西亚、日木等客商也来华考察此项新工艺， 我国首创的气囊下水新工艺在东南亚地区得到新一轮推广。2006年8月间，“卡 特里娜”飓风登陆美国西海岸，统计有2209艘船只在美国海湾沿岸搁浅失事。 美 国TITAN 海事救捞公司专程来昌林厂考察和购买了一批气囊空运美国，在抢 险救灾中发挥了巨大作用。该公司使用后非常满意，在一个月内连续订购一批， 共创汇20万美金，成为中国气囊向发达国家市场挺进的前奏。昌林气囊厂又先后于2008年2月和3月分别为印度、越南客商完成200只高压气囊的大订单。
1.2 气囊下水工艺目前的发展瓶颈和研究局限性
根据目前船舶气囊下水工艺发展情况来看，随着采用气囊下水船舶尺度的 增大，下水过程中的不确定因素增加，风险也随之增大了，因此安全问题成为制约气囊下水工艺发展的瓶颈。
1.2.1气囊下水工艺目前的发展瓶颈
要解决下水船舶重量增加所带来的安全问题，气囊本身的强度成了首当其冲的因素。只有不断提高气囊的承载能力，才能保证船舶下水的安全。另外，气囊下水的操作规程和管理制度，也给船用气囊下水工艺的安全生 产带来了隐患。制定详细的下水方案和严格执行下水工艺操作规程，是保证船舶安全下水的又一重要环节。
1.2.2 气囊下水工艺研究的局限性
主要从气囊本身的力学研究和下水工艺方案两方面来说。1)对于气囊强度理论的研究，虽然以前做了很多工作，譬如气囊的压缩性 能测试揭示了气囊在压缩过程中内压变化的规律，但毕竟还很有限，存在着理论 研究方面的许多空白。近几年来，在材料力学和结构力学领域，应用有限元分析来研究结构强度已很普及，开展气囊强度理论有限元分析的研究已势在必行。强度理论研究不仅要从静态受压着手，更要着眼于滚动过程中动态受压变化，实船下水过程中气囊压力变化情况，应成为研究的重点。2)下水工艺方案的制定，应围绕下水过程中可能出现的危险而采取的应对 措施进行展开。由于研究深度的有限，很多安全隐患还无法预计和加以避免， 再加上船厂下水方面不按正确的工艺进行操作，下水失败的例子也时有发生。因此，必须对实际下水工艺合理与否进行更加深入的研究。
1.3 论文的研究内容和目的
1.3.1 论文的研究内容
本文的研究内容主要包括以下三个方面：1)建立自由状态下气囊的受压模型，以受压前后主应力变化为依据，讨论 内压的变化规律，研究单个气囊的技术参数和各参数间的相互关系，并利用有限元方法分析气囊的强度理论，为后续的下水计算做准备。2)将船舶气囊下水工艺过程分为两个阶段，分述各阶段的实际操作和技术 要求。研究气囊下水第二阶段入水后船体的运动和受力情况，并分别采用传统 静力学方法和改进后的弹性计算方法，解决尾浮时艏部气囊的超负荷承压的计算。3)以15800t 散货船实船为例，设计不同的下水工艺方案，并从经济性、合理性和安全性三个方面综合考虑，选取最优方案。
1.3.2论文的研究目的
本文的研究目的主要包括以下两个方面：1)以提高下水的安全性为目的，在现有气囊和相关下水设备技术条件的基础上，制定合理的下水工艺方案。2)以提高气囊的下水能力，增加这种柔性下水方式的经济性和实用性为目的，提出对气囊下水研究的新方法和方向。
1.3.3 论文的课题支撑
自选题目第2章船用下水气囊的型式、技术分析和气囊强度 理论的有限元分析
本章主要包括船用下水气囊的定义和型式、气囊的质量、气囊受压模型的建立、单个气囊的技术参数的分析及气囊强度理论的有限元分析。
2.1 船用下水气囊的定义、型式、规格与标记
2.1.1 船用下水气囊的定义
船用下水气囊的定义包括下水气囊定义及与气囊相关的重要定义。1)船用下水气囊是船舶气囊下水的专用下水设备，在陆地移动大型构件和 在水中打捞沉船均是船舶上排、下水用气囊派生的用途。起重气囊，是使船舶产 生垂直起升或下降位移的气囊。滚动气囊，是配合并保证船舶顺利实现纵向位移的气囊。2)低压气囊，是指工作压力为0.03/D~0.069/DMPa的气囊。中压气囊，是指 工作压力为0.07/D~0.099/DMPa的气囊。高压气囊，是指工作压力为0.10/D~0.14/DMPa 的气囊。3)工作高度，是指船舶上排或下水时，气囊被压缩后的实际高度。工作压力， 是指气囊通过自身压缩而使船舶升墩，达到该船舶在下水时所需工作高度的囊内压力。
2.1.2 船用下水气囊的型式
船用下水气囊的型式如图(2- 1)所示。ab 段为囊头， bc 段为囊体，cd 段 为囊尾。D为囊体公称直径，L。为囊体长度，L 为囊体总长。
图(2- 1)气囊型式
2 . 1 .3船用下水气囊的规格
船用下水气囊的规格由囊体的公称直径D 与囊体长度L,决定。囊体公称直 径D 有0.8、1.0、1.2、1.5、1.8和2.0m 六种不同尺寸。囊体长度L,则按实际需 要而定。则气囊总长度L=L+1.732D。
2.2 气囊的质量
气囊是船舶采用气囊下水工艺的最重要的工具，加强对气囊的质量控制研 究是大型船舶气囊上下水安全的保证。气囊的质量取决于材料、结构和生产控制三个要素。
2.2.1 气囊的材料
气囊的材料主要是橡胶和帘线。橡胶是基础材料，采用品质好的橡胶可以提高与帘线的粘接强度，提高耐磨性和抗老化能力，提高使用寿命。
2.2.2 气囊的结构
气囊的结构主要是指帘线的布线方向。对于多层结构来说，气囊囊壁强度 的各向均衡性非常重要。气囊在不同的工作高度下，其主应力方向也不同，当 主应力方向与帘线布线方向不一致时，布线薄弱的方向就决定了气囊的承载强 度。因此，多层帘线的分布尽量做到各向强度的均衡性，以保证不同的主应力 方向。
2 . 2 . 3气囊的生产控制
同样的材料和结构，由于气囊制作工艺不同其强度相差也很大。以新一代 高压气囊为例，其采用的新的“硫化模式”,使气囊各层之间更加密实；“整体 双面压合”的施工新方法，也基本消除了气囊各层之间的气泡和脱层现象。
2.3 气囊受压模型的建立
气囊在受压变形的工作状态时，囊壁中的主应力方向发生了变化。由气囊 的结构可知，当主应力方向与帘线布线方向不一致时，布线薄弱的方向就决定 了气囊的承载强度。因此要研究气囊的承载能力，就必须先了解气囊在受压变形时的应力情况。本节重点讨论气囊在受压变形前后，囊壁中主应力的方向和大小变化。
2.3.1 自由状态下主应力
船舶下水用气囊在不受压时形如梭形，见图(2-1)。当囊体充入一定压力的压缩空气后，囊壁四周均匀受压，压力垂直作用于囊壁，将其分解为轴向力(平
行于气囊长度方向)和径向力(沿气囊直径周向分布)。
式中： F—— 轴向力P₀——初始内压力D——气囊直径πD——囊壁周长
则囊壁单位周长所受轴向力为：
(2-1)
(2-2)
气囊直径方向单位长度的径向力：F,=P。D此径向力由上、下两边的囊壁承担，则囊壁单位长度所受的径向力为：
(2-3)
(2-4)
比较式(2-2)和式(2-4)显然有：σ,=2σ₁囊壁上某一点的主应力(合成应力)可由下式求得：σ,=√o?+o²=√(2o₁)³²+o?=√5o₁其主应力与轴线的夹角为α=arctg2=63.4°。
2.3.2 压扁状态下的主应力
当气囊在船底下被压扁以后，上下表面呈平面形状，两侧表面仍呈半圆形， 见图(2-2)。由于内部容积变小导致内压升高，设气囊压扁状态下的内压为p。图(2-2)气囊受压后形状变化气囊压扁后，假定气囊筒体的周长不变，则单位长度的轴向力可按下式计算： 气囊直径方向的径向力为： F,=pH
(2-5)
(2-6)(2-7)
此径向力由上、下两边的囊壁承担，则囊壁单位长度所受的径向力为： (2-8) 径向力与轴向力的比值： (2-9)当 H/D=1/2时，主应力与轴线的夹角为
当 H/D=1/5 时： 主应力与轴线的夹角；
由此可见，气囊工作高度不一样，主应力的方向也不一样。由公式(2-6)和(2-8)可知，气囊压扁后，囊壁中的轴向力和周向力都 会随高度H的减少而降低，对囊壁的强度有利，所以气囊下水时宜尽量降低气囊的工作高度。
2.3.3 压缩前后内压变化理论规律
如果气囊在压扁过程中不泄气的话，气囊压扁之后，内压会迅速升高，导致囊壁应力增加。设气囊自由状态下的内容积为V₀,内压力为(1+p。),那么当气囊被压扁，变形量为x 时，则如下恒等式成立： (2-10)依据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，则当气囊工作高度为H 时，前后横剖面积分别 为：
(2-11)(2-12)
式中： S——气囊横剖面面积由式(2-10)则有前后压力变化： 进一步简化可得： (2-13)即为不同气囊相应工作高度H下的工作压力当 H/D=1/2时，即气囊直径压缩50%时，囊内压力为初始压力(自由状态)的1.5倍。
2.3.4压缩前后内压变化实际规律
上述结论是从物理学的基本定律得出的，实际气囊压缩时，气囊形态的变化 并不规则，会有少量的弹性伸张，所以实际的压力变化规律要通过压缩性能试验才能获得。图(2-3)为对 D=1m、L=2m、初始压力为0.03MPa 的气囊压缩性能进行全 面测试后所作的一条典型的测试曲线，可以得出如下的内压与变形量的回归公式：y=0.3202x²-0.0468x+0.0328 (2-14)
式中：y—— 气压/MPax—— 变形量，指直径降低值/m
变形量(%)图(2-3)气囊内压与形变量关系根据这一公式，当D=1m的气囊压缩至H=0.2m时，内压将从0.03MPa 飙升至0.2MPa,提高了6.67倍。其主应力变化为：初始时根据式(2-2)有σ₁=p₀14;σ,=√5o,=0.56p。压扁至0.2m,即 H/D=1/5时，根据式(2-5)有 σ₂=√ Gm²+O²=√ (10o-1o₂/9)²+0₂²=1.49⁶₂=0.894p。由此可见，尽管气囊压扁后，轴向力和径向力都有所减小，强度情况有所 改善，但主应力还是提高了1.6倍，而且主应力方向与轴向的夹角由63.4°改变到48°,这为强度计算提供了充分的依据。
2.4 单个气囊的技术分析
单个气囊的技术参数包括气囊的直径、工作高度、工作压力和每米承载力， 有了前述对气囊的直径、工作高度、工作压力的定义，以及单个气囊受压变化 规律的讨论，现就单个气囊的各项技术参数和相互关系进行研究。
2.4.1 气囊的直径和工作高度
选取气囊直径D时应主要考虑受压后气囊的变形高度H,即实际工作高度。由2.3.2节可知，气囊压扁后，囊壁中的轴向力和周向力都会随高度H的减少而降低，对囊壁的强度有利，所以气囊下水时宜尽量降低气囊的工作高度。但 过低的H值，易造成船体下水过程中触地。因此， 一般选取 H=300~400mm 较合适。现取同为第四代产品的 D=0.8m,1.0m,1.2m 的一组不同直径的气囊，选择 一个满足H值的最佳直径。将这组不同直径的气囊，应用等温条件下的气体状态方程，分别计算在不同H值时，内压P 和承载力T 的变化值。现假定：气囊长为6.5m,表面积不变，气体温度不变，实际承压面长为4.8m,
气囊初始压力P=0.025MPa,计算结果见图(2-4)。 图2-4 (a)H-P 图从图2-4 (a) 曲线可知，气囊超载变形时(即 H=100mm),D=1m 气囊内压 升高达0.13MPa, 接近气囊材料的极限强度(爆破压力为0.133MPa), 故 D=1.0m和 D=1.2m气囊不宜采用。再由图2-4 (b) 曲线可知，在H=300~400mm范围内，选定 D=0.8m是适宜的。 图2-4 (b)H-t 图由此得出结论：相同变形的情况下，大直径气囊比小直径内压增加要大， 较易达到材料的极限压力。因此，根据实际工作高度H来选择气囊直径D时，要考虑由D变形到H后，内压增加不致超过材料极限强度。2.4.2气囊的工作压力及压力范围的划分
1) 气囊的工作压力《船舶上排、下水用气囊》CB/T3795-1996中规定的气囊的工作压力，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p₂, 由爆破压力换算为允许工作压力有：
(2-15)
式中： p。—— 气囊初始工作压力/MPap.— 爆破实测压力/MPaD₁—— 爆破试验用气囊直径/mD——工作气囊的直径n——安全系数2)气囊工作压力范围的划分气囊的工作压力是一个笼统的概念，鉴于安全系数n 的取值不同，气囊的工作压力也亦不同，现就气囊工作压力范围的三种不同划分方法分别予以讨论。(1)气囊的安全压力范围气囊的安全压力，主要针对气囊的“允许过载压力”和“安全过载系数” 而言。标准规定的气囊的工作压力，是指气囊在静态条件下充气压力的限界值， 应该是气囊工作压力的最小保证值。气囊在静态工作条件下，它的工作压力应当说是“可控的”,这主要针对顶升船体的状态或船体在移动前的状态。(2)气囊的过载压力范围在船体的下水过程中，气囊内部压力的变化无法控制，而压力超过设定压力 的现象必定存在，这时就需要对气囊的“过载压力”和“过载系数”进行讨论。 气囊在下水过程中，会产生多大的“过载压力”,是一个不确定的问题，必须对多组下水过程中气囊的压力变化实施跟踪测试，得出统计规律。而至于“过载系数”定多少是安全的，这涉及安全系数的问题。气囊下水 工艺推广初期，安全系数取2~3,实践证明是可行的。而现今标准中规定的(允 许)工作压力是根据爆破压力取n=4.5计算出来的，应当说其安全裕度是相当高的，对于承担高风险作业的船用下水气囊来说也是合理的。因此，安全系数从初期的2~3扩大到现行标准的4.5,把扩大的安全裕度作为“允许过载压力系数”是 符合实践的。据此，“安全过载系数”可取标准规定的工作压力的1.5~2.0倍， 动态时取低值，静态时取高值。确定了安全过载系数，就可以确定气囊在各种工 况下的允许过载压力。如果气囊在工作过程中瞬间出现的压力不超过允许的过载压力，则认为是安全的。(3)气囊的安全警戒压力范围气囊安全阀是用来释放过压，以避免因内压超过允许过载压力而未控制所 造成的严重后果。安全阀的释放压力是根据气囊的工作压力(即最小工作压力保 证值)加以设定的， 一般取工作压力保证值的2.5倍。此时，安全系数为1.8,尚有安全裕度，但已到达危险的边缘。综上所述，气囊使用压力的定义可划分为三个不同概念的范围：①安全工作压力范围——在标准规定的工作压力保证值以下的区域是安全的工作压力范围，气囊的充气压力或设计的承载压力应当不超过这个范围；②安全的过载压力范围——气囊在工作过程中允许瞬间超压，如果气囊在短时间内的过载压力不超过保证值的2倍，则被认为是允许的；③安全警戒压力 安全阀设定的压力，当气囊内压超过这个压力时，安全 阀开始释放并保持这个压力，工作人员应当积极采取措施降低压力到安全范围之内。
2.4.3 气囊承载能力的计算
在初始压力和工作高度确定的情况下，就可以来计算气囊的承载力：
气囊承载力Q=P·S·10³(KN)式中： P—— 内压 (MPa)S 气囊承托船体之正投影面积， S=BL(m²),B正投影宽度与长度1)由式(2-13)可知，气囊在工作高度H时的工作压力为 结合式(2-5)气囊工作宽度B 可得： (2-16)与L 分别为
将 代入式(2-18)可得每米气囊的承载力为
(2-18)
(2-19)
由第四代气囊 D=0.6m 气囊的爆破压力为1.01MPa, 根据各公称直径的低 压、中压和高压气囊的爆破压力和安全系数不得小于4.5的规定，取n=4.5 算得不同工作高度下的气囊内压力和每米气囊的承载能力，见表(2-1)表 (2-1)气囊每米承载力
每米气囊承载力
类型直径/m气囊内压力/Mpa囊体的系统承载能力(KN/m)
H/D=0.5H/D=0.4:H/D=0.3H/D=0.2
低压气囊0.81.00.038~0.086 0.030~0.069
24~54
28~65 33~76
38~87
1.20.025~0.058
1.50.020~0.046
1.80.017~0.038
2.00.015~0.035 0.088~0.124
中压气囊0.8
55~78
66~93 77~109
88~125
1.00.070~0.099
1.20.058~0.083
1.50.047~0.066
1.80.039~0.055 0.035~0.050
2.0
高压气囊0.80.125~0.175
79~110
94~132 110~154
126~176
1.00.100~0.140
1.20.083~0.117
1.51.80.067~0.093 0.056~0.078
2.00.050~0.070
2.4.4 单个气囊各技术参数之间的关系
以D=0.8m气囊为试验对象，假定气囊承压长度为4.8m, 在给定不同初始压力下，计算各工作高度时的内压和承载力变化，以研究工作高度、工作压力及承载力之间的关系。表(2-2)气囊不同工作高度下的内压与承载力
气囊直径 m
：工作高度 m气囊内压变化 MPa气囊承载力t
初始压力 0.0265初始压力 0.0357初始压力 0.0265初始压力 0.0357
D=0.8m0.50.03090.04166.859.22
0.40.03540.047610.4614.08
0.30.04360.058616.0921.67
0.250.050.067720.4927.54
0.20.06060.081626.8636.17
0.180.06640.089430.4140.91
0.150.07810.10537.4950.48
0.10.1130.15258.4578.7
1)如表(2-2)所示，在初始压力0.0265MPa条件下，当内压上升到0.0664MPa 时，承载力为30.41t。而在初压为0.0357MPa 时，当内压上升到0.0677MPa 时，承载27.54t。由此可得：直径相同的不同初压的气囊，内压上升到相同数值时，初始压力小的承载能力大。2)如表(2-2)所示，在工作高度同为0.4m情况下，初压为0.0265MPa的气囊承压力为10.46t,初压为0.0357MPa的气囊承压力为14.08t。由此可得：直径相同的不同初压的气囊，在相同工作高度下，初压小的气囊承载能力小。由表(2-2)中数据做工作高度与承载力关系图(2-5),如图所示两条不同的拟合曲线： y=2.3109x⁰733(初压为0.026MPa)和 y=2.8898x⁰73 (初压为0.0357MPa)。 在初压为0.026MPa气囊的拟合曲线中插值承载力为21.67t时的工 作高度为0.225m, 而初压为0.0357MPa的气囊在相同承载力下的工作高度为0.3m。由此可得：直径相同的不同初压的气囊，在相同承载力的情况下，初压小的气囊工作高度小，变形量大。图(2-5)工作高度与承载力关系图
图(2-6)工作压力与承载力关系图3)如表(2-2)中数据做工作压力与承载力关系图(2-6),如图所示两条 不同的拟合曲线： y=3×10⁶x²+0.0014x+0.0205 (初始压力为0.026MPa) 和 y=-2×10⁶x²+0.0014x+0.0276 (初始压力为0.0357MPa)。在初压为0.026MPa气囊的拟合曲线中插值承载力为21.67t时的工作压力为0.0523MPa, 而初压为0.0357MPa 的气囊在相同承载力下的工作压力为0.0586MPa。由此可得：直径相同的不同初压的气囊，在相同承载力下，初压小的工作压力小。2.5 气囊强度理论有限元分析的初探
标准中规定的工作压力是根据爆破压力取安全系数n=4.5计算出来的，而气 囊的囊壁是纤维增强的橡胶复合结构，属于弹塑性材料的范畴，决定其极限强 度的是抗剪应力t 。如果气囊在充气压力的应力大于其极限抗剪应力，气囊就会 爆破，此时对应的充气压力就是气囊的爆破压力。因此，本节从爆破压力入手 研究气囊的强度理论，并用有限元方法分析气囊在各充气压力下的应力应变情况。
2.5.1 气囊的爆破压力
气囊的强度受人工操作技能的影响较大，存在着一定的不确定性，实际使用 的过程中，为了控制气囊的质量，采用定期进行爆破试验的方法，来提供气囊 在不同工艺、结构型式下的综合力学性能。到目前按为止，气囊的爆破试验仍 然是验证气囊质量的重要手段，它提供了气囊在一定工艺和结构型式下的综合 力学性能，爆破压力是在爆破过程中记录下的实测数据。2000年12月研制成功的第一代高承载力揉压气囊是由六层尼龙帘布缠绕成 型的橡胶气囊，其爆破压力达1.65MPa。相比96年的第五代产品，在层数和囊 壁厚度相同的前提下，爆破压力提高了1.486倍(第五代气囊的爆破压力为 1.11MPa)。 由爆破压力换算到直径为1m气囊的工作压力，前者为0.22MPa, 而后者仅为0.148 MPa。气囊的爆破试验成本较高，而且不适用于大尺度的实用气囊，根据相似性 理论，可将小尺度气囊的试验结果换算到其他直径的气囊。但这种换算方法存在着尺度效应，因此寻求更为精确的方法就显得尤为重要。
2.5.2 气囊强度理论的有限元分析
本节在前述气囊强度的研究方面只是从理论上建立了气囊受压模型和对气 囊的压缩性能测试揭示气囊在压缩过程中的内压变化中做了展开，研究内容和 范围都非常有限。如今，在材料力学和结构力学领域，应用有限元分析来研究 结构强度已经非常普及，但国内对于气囊强度的有限元结构分析的研究还是一 片空白。鉴于此，本节对气囊强度的有限元结构分析进行了初探，以气囊自由状态时充气加压为研究模型，讨论气囊在各充气压力下的应力和应变情况。1)有限元方法的定义和应用(1)有限元方法的定义所谓有限元法 (FiniteElementMethod) 就是关于连续体(连续结构)的一 种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路 是：假想地将连续体(连续结构)划分为有限多个单元。这些单元都由具有一 定自由度的节点相互连接而成。这样，原来的连续体(连续结构)就变成为由 有限多个单元装配而成的离散结构，原有连续体的无限个自由度的问题就变为 离散结构的有限多个自由度的问题。结构有限元法一般选择简单的函数近似地 表达单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。(2)有限元方法的应用如今，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问 题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹 性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学领域。2)有限元方法的基本步骤有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤：(1)结构的离散化(2)选择位移函数模式(3)分析单元的力学特性(4)计算等效结点力(5)集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程(6)求解未知节点位移和计算单元应力3)气囊极限强度的有限元分析步骤由于气囊的材料是超弹性不可压缩的，具有变化的结构刚性，因此采用非 线性分析方法来研究气囊在各充气压力下的应力和应变。鉴于实际爆破试验多 采用D=0.6m的气囊，因此确定研究对象为D=0.6m 、L=1m 、 壁厚为10mm的高 压气囊，其爆破压力为1.65MPa, 正常工作最小压力为0.22MPa 。气囊材料的参数为：弹性模量E=40MPa, 泊松比μ=0.45(20℃时)。(1)有限元模型的建立
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