V型船应用气囊上下水的力学分析

jimosea

针对V型船应用气囊上下水的方案，建立了气囊变形模型，对船体各站点处的气囊变形、气囊布置位置处的支撑面积、气囊变形后的体积变化等进行了计算，求得了气囊的支撑力和力矩，并对上下水过程中船体的力矩平衡状态进行了分析。

船舶用气囊上排、下水工艺对中小船舶具有投资少，见效快，安全可靠等优点。船舶用气囊进行上排、下水是指船舶通过气囊完成上排、下水的技术方法，其基本原理是利用低充气压力气囊在承载情况下的大变形，使气囊与船体大面积接触而承受船舶大负载，使用多个气囊在船底下不断滚动，达到使船舶安全上排、下水的目的。
在设计船舶应用气囊上下水方案时，必须对船舶气囊上下水中的缆车牵引力、气囊承重等进行力学计算。对于平底船，气囊变形及力学计算相对比较简单。当气囊上下水用于V型船时，
由于船底不同位置的形状不同，气囊的变形、受力情况比较复杂，船舶的横倾造成气囊形状和受力的变化，影响船舶的横向稳定，在上下水的分析中须要进行计算校核，以保证船舶安全。本文以一V型船为例，介绍气囊上下水方案设计中有关的力学计算方法。
1构造船体曲面
对于V型船，一般可根据船体型线图构造出船体曲面。本文以AutoCAD软件为平台，先作出各线型图的曲线，再以这些曲线构建出船体曲面
气囊变形模型取气囊直径为D，工作高度为H。由于气囊表面材料在气囊工作过程中不产生伸缩，同时始终保持最大体积状态，所以气囊工作时横截面形状应为长圆形，其周长与变形前的圆的周长相等。
(2)
考察气囊对船舶的支撑力和力矩平衡情况，则应考察船舶上下水时从新放入一个气囊到由船体另一端释放出一个气囊这一过程中，各个不同位置的气囊的变形和受力状况。
3
气囊上下水的力学分析
3．1
船体不同位置处气囊的变形计算根据船体各站点的型线曲线，计算不同高度点的气囊横截面受压部分的长度，进而计算出此站点的垂向变形面积(支撑面积)。
将气囊在长度方向按间距6分成小段，近似地认为每小段中气囊变形后在船体纵向方向的受压部分长度，综上所述，便可依次求出船体各站处的支撑面积、左支撑面积、右支撑面积、左面积中心、右面积中心。
3．2
气囊布置位置处支撑面积的计算
依上述方法可求出船体各站位置的气囊支撑面积及其质心坐标，进而做出各面积及质心沿船体纵向的变化曲线，求得气囊各布置位置的支撑面积值。

3．3
气囊变形后体积变化的计算
气囊工作高度为H时，气囊横截面面积的变化值为

一般情况下，均匀布置气囊时，气囊支撑力中心位置与船舶的质心位置是不会重合的。由于重力与支撑力的位置差，船舶重力和气囊支撑力将对船体形成旋转力矩，船体将产生一个以其位置差中点为旋转中心的纵倾。船体纵倾使各气囊变形发生变化，进而引起各气囊支撑力的改变和支撑力矩的改变，最终达到力矩的平衡。设计上下水方案时，要计算这个平衡点是否在船舶纵倾的允许范围内。

力矩平衡的计算
式中峰称为气囊的体积变化因子，用以表征气囊在受压后体积变化所引起的压力变化。借助式(9)可绘出如图9所示的局曲线。图9所示的如曲线可求出气囊布置位置处的恐值，以此值作为支撑面积的加权系数，这样便可得到由于压力变化的修正面积。修正面积与气囊初始压力的积为该气囊的垂向支撑力。
3．4支撑力的计算
计算时，支撑面积的总和为∑S，若船的总质量为形则所要求的气囊初始压力为实例计算中得到的气囊支撑力之和∑f与总质量形引起的重力是相等的，即支撑力与重力是平衡的。
3．5
力矩的计算
船体发生纵倾后，假定船体前仰至站l处气囊为某一高度，并以此计算得到其他各站的高度。依上述方法，可分别求出各站处的气囊支撑面积和体积变化因子如，做出船体前仰的支撑面
积曲线和配曲线。重复上节的步骤，可计算出船体前仰后气囊支撑力中心的位置，与船舶质心位置比较，如果气囊支撑力中心在船舶质心的前面，说明在此位置力矩还没达到平衡，船体将继续前仰。将站l处气囊高度设定为一个更大的值，重复上述过程，直至气囊支撑力中心位于船舶质心的后面时，说明此时船体所受力矩将使船体产生后倾。即船体在前仰过程中在此位置前将达到力矩平衡。
如果初始计算表明船体将发生前倾，类似以上过程可寻找到其前倾的平衡位置。
船体横倾后恢复力的计算
假定船体由于外力(如侧向风)作用发生横倾，如气囊不能提供足够的恢复力矩，船体重力力矩将使船体倾覆。现假设船体右倾150，计算气囊的恢复力矩。
在3．1节中，计算出了船体右倾150后，在船体纵向各站点处气囊与船体接触的左侧支撑面积和右侧支撑面积，以及它们的支撑力中心的横向坐标。依此作出其在船体纵向的变化曲线，
进而求出各气囊位置的上述各值及面积修正系

本文对V型船采用气囊上下水方案时气囊的支撑力、支撑力力矩平衡及船体在外力作用下发生横倾后气囊的恢复力等进行了计算分析，实例计算结果表明：
(1)气囊的支撑力可以满足该船上下水要求。
选用14个有效长度8m、直径2m的船用气囊，初始工作压力为0．0437 MPa(中压气囊的额定工作压力可达0．07 MPa，而高压气囊的额定工
作压力可达0．14 MPa)，按间距4m布置，船体离地面高度为400mm左右，可满足对船舶质量的支撑要求。
(2)纵向支撑力力矩满足该船上排要求。
当船体在水平位置时，支撑力的中心位置在X=30．714 m处，而舰船质心位置在胎33．3 m处。由于重力与支撑力的位置差，船体将产牛前仰。经计算，在船体前仰0．930时，支撑力的中心位置在X=34．40 m处，已经超过质心位置，即在船体前仰不超过0．93。时就能满足纵向力矩平衡。
(3)船体横向倾斜150时，气囊支撑力有足够的恢复力矩使船体回复到垂直位置。船体横向倾斜15。时，气囊支撑力的横向力矩为6．15MNm，
而重力力矩为4．68 MNm，二者方向相反。这就说明在船体横向倾斜达到150前，气囊支撑力便有足够的恢复力矩使船体回复到垂直位置。