CN103558085A - 船用气囊变形量与内压及承载力的安全检测方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶与海洋工程应用领域的船用气囊变形量与内压及承载力的安全检测方法，通过测量船用气囊囊体材料特性，确定囊体材料的应力应变关系；在船用气囊承载变形的任意工况下实时测量船用气囊的压缩变形量，通过船用气囊承压变形本构方程计算出相应的承载力和内部气体压力；或者实时测量船用气囊的内部气体压力计算得到相应的承载力和变形量；根据船用气囊囊体材料强度极限和气体状态方程计算得到船用气囊囊体材料的极限变形，即安全极限，用于船用气囊的检测。本发明结合囊体材料实验，提高船用气囊设计以及下水使用的安全性、科学性。

Description

船用气囊变形量与内压及承载力的安全检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种船舶与海洋工程应用领域的方法，具体是基于船舶气囊下水用气囊及承压滚动气囊、靠球的船用气囊变形量与内压、承载力的本构关系，通过囊体材料拉伸试验直接检测获得其安全极限即爆破压力的方法。

背景技术

自1981年发明以来，船用气囊下水经过了三十多年的探索和实践，在国内造船业得到广泛使用，气囊下水船舶自重记录不断刷新，目前下水船舶最大载重量已达7万吨。下水的船舶种类包括常规船舶、海洋平台以及疏浚工程船等。在气囊的研制上，我国处于国际领先，现在的昌林气囊已经是第五代产品，其爆破压力可达1.11MPa，已在船舶、海洋平台及疏浚工程船的下水工艺中成功使用。船舶气囊下水的安全性一直是关注的热点，长久以来主要依赖于气囊产品的承载力不断提高，以及通过不断经验摸索，累计大量下水实践数据而制定的国家标准，相关标准已经推广到国际。然而，船用气囊承担的载荷不断提高，施工的风险也随之增加。除了通过实验方法测试承压气囊内压和变形量，采用近似公式估算单位长度承载力以外，目前尚没有理论计算方法，气囊的变形状态和承载能力之间的内在规律尚不清楚。以前的理论计算分析基于气囊囊体材料的不可压缩假设，即承压变形前后气囊周长不变或面积不变。此假设与气囊承载实际工况并不相符，尤其在承载较大的大变形情况。气囊下水的发展也带来气囊产品的畅销，由于缺乏相关理论研究，对材料特性不了解，发生过下水时气囊爆炸伤人的事故。因此，相关标准采用了测试空载气囊爆破压力的办法，但是一方面随着气囊直径和承压能力的不断提高，爆破实验的压力也更高，实验不易完成且具有一定的危险性；另一方面爆破实验主要依据气囊空载，与实际气囊承载变形工作状态不同，只能作为气囊强度的参考。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种船用气囊变形量与内压及承载力的安全检测方法，结合囊体材料实验，不通过爆破试验即可确定船用气囊的爆破压力，减少了试验成本和风险，提高了船用气囊设计以及下水使用的安全性、科学性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤1，测量船用气囊囊体材料特性：根据对囊体材料的主应力轴拉伸实验获得的材料力学特性，确定囊体材料的应力应变关系，即船用气囊承压变形本构方程。

所述的船用气囊为超弹性橡胶材料加帘布的外部囊体结构，内部腔体为充满空气后的形状，空载时近似为圆柱体。

所述的主应力轴拉伸实验的检测过程及参数设置可以参考国家标准“GB/T 528-2009/ISO37：2005硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定”得到。

所述的船用气囊承压变形本构方程综合囊体材料特征、气体状态方程、船用气囊承压前后几何变形及薄壁压力容器理论，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_2=\frac{P_1\frac{\mathrm{\π}}{4}{D_1}^{2}L}{\left((\mathrm{BH}+\frac{H}{2}\▿)(L+g\left(\frac{P_{2}R}{2t}\right))\right))}\\ B=\frac{(\mathrm{\π}{D}_1+\frac{\mathrm{\θ}{D}_1}{2}-f\left(\frac{P_{2}R}{t}\right))}{2}\\ F=P_{2}B(L+g\left(\frac{P_{2}R}{2t}\right))\\ H=2R\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}\end{array}\right....\left(1\right)$

其中：

L为船用气囊的有效承载长度，t表示囊体材料的厚度，R表示承压变形后气囊非受压圆弧半径，f()、g()分别为横向和纵向囊体的应力和应变关系多项式，可根据材料力学实验得到的相关参数代入；

初始状态下船用气囊的直径为D₁，承载压缩后高度为H，受压接触长度为B，非受压圆弧半径R，对应的圆心角为θ，内压为P，承载压强为N；下标1表示船用气囊的空载初始状态，下标2表示船用气囊承载变形后稳定状态，囊体受压变形收缩，囊内气体随之压缩，内力增大，提供更大的承载力，支撑下水时船体的相关重量。

步骤2，在船用气囊承载变形的任意工况下实时测量船用气囊的压缩变形量，根据船用气囊承压变形本构方程计算出相应的承载力和内部气体压力；或者实时测量船用气囊的内部气体压力计算得到相应的承载力和变形量；

所述的压缩变形量，即公式（1）中的D₁-H。

所述的承载力，即公式（1）中的F。

所述的内部气体压力，即公式（1）中的P₁及P₂，分别对应初始状态和承压状态。

步骤3，根据船用气囊囊体材料强度极限和气体状态方程计算得到船用气囊囊体材料的极限变形，即安全极限，用于船用气囊的检测。

所述的囊体材料特性包括：

公式(1)中的f()、g()分别表示囊体的横向和纵向变形（如图1中所示的1阶或2阶形式）：

f(x)=-0.0258x^z+1.4262x+2.5145=0.7469x+5.0633

g(y)=-0.0043y²+0.5986y+2.4474=0.3305y+4.8122

式中

和分别表示囊体所受到的横向和纵向应力。

所述的气体状态方程为：PV=nηT..........................................（2）

其中：P为船用气囊内部气体压强，即内压，n为船用气囊内部气体物质的量，V为船用气囊内部气体体积，T为绝对温度，η称为比例系数，不同直径相同内压的取值公式为：

η=-0.1211·D+1.2626，其中：D表示：初始气囊直径，对于任意的变形量D₁-H，θ取值为π后迭代求解，迭代过程为从初始状态的内压数据和直径，认为气囊在变形过程中缓慢形变可以通过准静态方式来求解，即将大变形分解为小变形的累积，认为每个变形状态都是静态的和稳定的，计算小变形量(比如0.1D)的承载变形下的内压和直径，再以次为初始状态计算更大变形量(比如0.2D或更大)的内压和承载力。这种基于前一状态计算结果的计算过程为迭代。

所述的检测是指：将囊体材料拉伸试验的安全极限用于设置船用气囊使用极限状态的检测方法中确定船用气囊安全极限参数及材料破坏阈值，根据几何变形的测量可对承载工作压力进行检测。

技术效果

与现有技术相比，本发明科学地分析了船用气囊承载力学变形特性的策略，解决了承压船用气囊变形与承载力、内压之间的内在规律。本发明提出的本构模型简洁有效，通过囊体材料特性的确定揭示了船用气囊内压、承载力和变形量之间的机理，巧妙解决了多参数的交互影响问题，避免进行气囊爆破试验，为船用气囊的使用提供安全的检测方法。该方法便于实现，工作效率较高，并对最新一代气囊产品进行了测试，获得相关安全极限数据。

附图说明

图1为典型船用气囊囊体材料应力应变曲线；

图中：a为典型囊体材料横向应力应变关系及其1阶、2阶表达式；b为典型囊体材料纵向应力应变关系及其1阶、2阶表达式。

图2为船用承压船用气囊本构关系模型示意图。

图3为对不同直径相同内压船用气囊计算的承载特性曲线；

图中：a为初始内压0.05MPa时1.2m直径船用气囊单位长度承载力与变形量关系计算与实验数据对比；b为初始内压0.05MPa时0.8m直径船用气囊单位长度承载力与变形量关系计算与实验数据对比。

图4为对不同初始内压相同直径船用气囊计算的承载特性曲线；

图中：a为0.03MPa初始压力下0.6m直径船用气囊单位长度承载力与变形量关系计算与实验数据对比；b为0.05MPa初始压力下0.6m直径船用气囊单位长度承载力与变形量关系计算与实验数据对比。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

根据船用气囊的制作可知，船用气囊囊体有两个主应力方向纵向和横向，船用气囊长度方向为纵向，横截面方向为横向。船用气囊承载变形方向为垂向。如图2所示，图中初始状态下的船用气囊直径为D₁，承载压缩后高度为H，受压接触长度为B，非受压圆弧半径R，对应的圆心角为θ，内压为P，承载压强为N。

本实施例包括以下步骤：

第一步：确定船用气囊囊体材料特性：根据对囊体材料的主应力轴拉伸实验确定囊体材料的应力应变关系，如图1所示，得到图中的材料的应力应变曲线及相关回归公式。

第二步：建立典型船用气囊的本构模型参数：将船用气囊初始状态编号为1，承载变形后稳定状态编号为2，囊体受压变形收缩，囊内气体随之压缩，内力增大，提供更大的承载力，支撑下水时船体的相关重量。测试初始状态气囊直径、内部空气压力。

第三步：将囊体材料特性代入求解任意承载变形量下的承载力。

由于第二步中的内压P与船用气囊内部体积满足气体状态方程，对不同直径的计算验证结果如图3、图4所示。

第四步：根据材料特性，计算出船用气囊囊体材料的极限变形，以及极限变形量下的船用气囊工作安全极限，即以船用气囊囊体材料强度极限，可求出囊体的安全极限，并将该安全极限用于设置船用气囊安全检测中极限工作状态的阈值参数，无须进行气囊爆破试验，即可获得承载船用气囊爆破压力的数值。

如表1-3所示，不同初始内压下的典型船用气囊的最大变形量和最大内压数值。

表1承载船用气囊安全极限计算与标准数据比较（内部空气初始内压为0.03MPa的所有最新六层帘布船用气囊产品）

表2承载船用气囊安全极限计算与标准数据比较（内部空气初始内压为0.05MPa的所有最新六层帘布船用气囊产品）

表3承载船用气囊安全极限计算与标准数据比较（内部空气初始内压为0.1MPa的所有最新六层帘布船用气囊产品）

Claims (5)

1.一种船用气囊变形量与内压及承载力的安全检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，测量船用气囊囊体材料特性：根据对囊体材料的主应力轴拉伸实验获得的材料力学特性，确定囊体材料的应力应变关系，即船用气囊承压变形本构方程；

步骤2，在船用气囊承载变形的任意工况下实时测量船用气囊的压缩变形量，根据船用气囊承压变形本构方程计算出相应的承载力和内部气体压力；或者实时测量船用气囊的内部气体压力计算得到相应的承载力和变形量；

步骤3，根据船用气囊囊体材料强度极限和气体状态方程计算得到船用气囊囊体材料的极限变形，即安全极限，用于船用气囊的检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的船用气囊承压变形本构方程综合囊体材料特征、气体状态方程、船用气囊承压前后几何变形及薄壁压力容器理论，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_2==\frac{P_1\frac{\mathrm{\π}}{4}{D_1}^{2}L}{\left((\mathrm{BH}+\frac{H}{2}\▿)(L+g\left(\frac{P_{2}R}{2t}\right))\right))}\\ B=\frac{(\mathrm{\π}{D}_1+\frac{\mathrm{\θ}{D}_1}{2}-f\left(\frac{P_{2}R}{t}\right))}{2}\\ F=P_{2}B(L+g\left(\frac{P_{2}R}{2t}\right))\\ H=2R\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}\end{array}\right.,$ 其中： $\▿=(\frac{\mathrm{\θ}}{\sin {\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}^2}-\frac{\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}),$ L为船用气囊的有效承载长度，t表示囊体材料的厚度，R表示承压变形后气囊非受压圆弧半径，f()、g()分别为横向和纵向囊体的应力和应变关系多项式，可根据材料力学实验得到的相关参数代入；初始状态下船用气囊的直径为D₁，承载压缩后高度为H，受压接触长度为B，非受压圆弧半径R，对应的圆心角为θ，内压为P，承载压强为N；下标1表示船用气囊的空载初始状态，下标2表示船用气囊承载变形后稳定状态，囊体受压变形收缩，囊内气体随之压缩，内力增大，提供更大的承载力，支撑下水时船体的相关重量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的囊体材料特性是指：f()、g()分别表示囊体的横向和纵向变形，即1阶或2阶形式：

f(x)=-0.0258x^z+1.4262x+2.5145=0.7469x+5.0633

g(y)=-0.0043y²+0.5986y+2.4474=0.3305y+48122

其中：

和

分别表示囊体所受到的横向和纵向应力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的气体状态方程为：PV=nηT。其中：P为船用气囊内部气体压强，即内压，n为船用气囊内部气体物质的量，V为船用气囊内部气体体积，T为绝对温度，η称为比例系数，不同直径相同内压的取值公式为：η=-0.1211·D+1.2626，其中：D表示：初始气囊直径，对于任意的变形量H求出最小承载力及内压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的检测是指：将囊体材料拉伸试验的安全极限用于设置船用气囊使用极限状态的检测方法中确定船用气囊安全极限参数及材料破坏阈值，根据几何变形的测量可对承载工作压力进行检测。

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