CN116716850A - 一种基于负泊松比原理的橡胶护舷 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其是在拱型橡胶护舷的基础上，通过将护舷的支撑侧板设计为负泊松比蜂窝结构，来降低护舷的压缩刚度并同时增加护舷的变形能力和碰撞接触时间，以此提升护舷防护效果。通过本发明所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，橡胶护舷将具有变形大、吸能高、缓冲效果好等特点，进而在与船舶或航行器的碰撞过程中，护舷作用于船体的反力缓慢增加、缓慢释放，防止接触刚度瞬间增大对船体造成破坏。
Description
技术领域
本发明涉及橡胶护舷技术领域，具体而言，涉及一种基于负泊松比原理的橡胶护舷。
背景技术
船舶或航行器在靠泊时舷侧不可避免地需要承受冲击载荷，在多数情况下，靠泊的航速并不高，但此类冲击发生频繁，如果不采取有效的保护措施，往往会给船体带来不利影响。通过采用橡胶护舷结构可以起到良好的缓冲作用，当冲击发生时，橡胶护舷在挤压下发生变形，吸收一定能量，从而保护主体结构。
目前橡胶护舷结构形式主要分为压缩型和充气型。其中压缩型橡胶护舷结构简单、维护方便，在码头、桥墩广泛使用。橡胶护舷的设计思路为在碰撞冲击时要尽可能大的吸收靠泊动能，同时挤压变形产生反力应尽可能小，防止破坏船体结构。
现有专利技术中，申请号为201420634186.1的专利公开了一种橡胶护舷结构，所述橡胶护舷整体结构呈D型，包含抗击部和缓冲部，抗击部与缓冲部一体连接，抗击部内部设有抗击槽，缓冲部设有缓冲槽与抗击槽连通，具有增大变形、吸能高的特点。但D型橡胶护舷抵抗垂直于长度方向的切向力的能力较弱，当护舷竖向安装或船体与护舷结构非正面碰撞时，护舷结构本体易发生破坏。
申请号为201520856386.6的专利公开了一种低接触刚度橡胶护舷，其技术方案要点为通过在护舷迎撞面设置二级缓冲槽或缓冲坑，延长撞击时间，降低撞击过程中的作用力和摩擦力。所述护舷本体横截面为梯形，护舷本体内设有一级缓冲槽，护舷迎撞面缓冲槽形状为圆形或方形。该技术中在护舷顶面设置的缓冲结构虽能在一定程度上增加护舷结构变形，但护舷侧面支撑部位为实心结构，整体压缩刚度仍然较高，冲击过程中接触时间有限，反力增长迅速，可能对船体舷侧结构造成破坏。
申请号为201710796902.4的专利公开了一种防碰撞保护船舶用橡胶护舷，所述橡胶护舷结构设有第一橡胶侧板和第二橡胶侧板，从而构成一个V形减震结构和一个U形减震结构，使得该防碰撞保护船舶用橡胶护舷相比于传统的橡胶护舷具有双重减震效果，显著的提高了减震的效果。该专利技术方案结构较为复杂，涉及多个部位组装定位，且增加了减振橡胶柱与减震垫后，虽减震效果增加，但整体刚度也随之增大，作用于船体结构的反力升高，对船体不利。
以上现有技术，虽然能在一定程度上提升橡胶护舷吸能效果，降低反作用力，但由于主体支撑结构未做改变，整体压缩刚度仍然较高。当与船体发生碰撞时，特别是小吨位低能量碰撞，护舷压缩量小，反力增长迅速，可能会对船体结构造成破坏。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：提供一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，具有变形大、吸能高、缓冲效果好等特点，进而在与船舶或航行器的碰撞过程中，护舷作用于船体的反力缓慢增加、缓慢释放，防止接触刚度瞬间增大对船体造成破坏。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其是在拱型橡胶护舷的基础上，通过将护舷的支撑侧板设计为负泊松比蜂窝结构，来降低护舷的压缩刚度并同时增加护舷的变形能力和碰撞接触时间，以此提升护舷防护效果。
优选地，当护舷的碰撞力传递至负泊松比蜂窝结构的支撑侧板时，蜂窝材料从四周向受压部位聚集填充，从而使受压部位处的局部材料密度增大，以更好地抵抗受压和冲击，同时蜂窝结构内部的大变形能够有效消耗能量，提升吸能效果。
优选地，所述橡胶护舷包括迎撞面板和护舷本体，所述迎撞面板为一表面光滑的平板结构，以在与所述护舷本体连接后，能够将船体碰撞压力均布至所述护舷本体，并同时降低护舷与船体碰撞接触的摩擦力。
优选地，所述迎撞面板为树脂基纤维增强复合材料、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酮塑料、聚苯醚塑料中的任意一种。
优选地，所述护舷本体整体结构形式为拱型，并包括一块上面板、两块负泊松比侧板、两块安装底板，所述迎撞面板在所述安装底板的相对侧与所述上面板连接。
优选地，所述护舷本体采用整体成型或拼接的方式进行成型，其中整体成型为模压或注压中的一种。
优选地，所述迎撞面板通过螺栓连接或复合粘接方式与所述上面板连接。
优选地，所述护舷本体的橡胶材料采用天然橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶中的任意一种，或是采用多种胶料并用。
优选地，所述负泊松比侧板为含负泊松比结构形式的蜂窝结构，单个蜂窝形状表现为内凹六边形、箭头性、星型形状中的任意一种。
优选地，所述安装底板为实心平板结构，若干安装孔依次沿所述实心平板的长度方向分布开设。
相对于现有技术而言，本发明所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷具有以下有益效果：
1)具有变形大、吸能高、缓冲效果好等特点，进而在与船舶或航行器的碰撞过程中，护舷作用于船体的反力缓慢增加、缓慢释放，防止接触刚度瞬间增大对船体造成破坏；
2)结构形式简单，安装维护便捷，且当与船体碰撞时，材料受压变形大，变形时间长，吸能增加；同时负泊松比蜂窝结构在受压时侧向收缩，材料向受压部位汇集，在此过程中反力缓慢增加，实现了橡胶护舷低反力、高吸能的设计功能。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷的立体结构示意图；
图2为本发明所述的一种负泊松比侧板的平面结构示意图。
附图标记说明：
1-迎撞面板，2-护舷本体，3-上面板，4-负泊松比侧板，5-安装底板，6-安装孔，7-岸基预埋螺栓，8-紧固螺母。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、技术方案和优点更加清楚易懂，下面将结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，本发明在此所描述的具体实施例仅是构成本发明的部分实施例，其仅用以解释本发明，并不构成对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1-2所示，本发明提供了一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其是在拱型橡胶护舷的基础上，通过将护舷的支撑侧板设计为负泊松比蜂窝结构，来降低护舷的压缩刚度并同时增加护舷的变形能力和碰撞接触时间，以此提升护舷防护效果。
具体的，针对现用橡胶护舷压缩刚度大导致作用于船体结构反力高、接触时间短导致反力增长迅速等缺点，本发明采用负泊松比理念对橡胶护舷进行设计，以利用负泊松比的低压缩强度和大压缩应变，使护舷的支撑侧板具有易变性、高效能量吸收特性。其中，负泊松比特性的蜂窝结构以其出众的力学性能和胞元微结构可设计性等优点，已被广泛应用于缓冲、吸能材料，而在本发明中，当护舷的碰撞力传递至负泊松比蜂窝结构的支撑侧板时，蜂窝材料从四周向受压部位聚集填充，从而使受压部位处的局部材料密度增大，以更好地抵抗受压和冲击，同时蜂窝结构内部的大变形能够有效消耗能量，提升吸能效果。
由此，通过本发明所述的基于负泊松比原理的橡胶护舷，橡胶护舷将具有具有变形大、吸能高、缓冲效果好等特点，进而在与船舶或航行器的碰撞过程中，护舷变形大、吸能高、与船体接触时间长，尤其是护舷作用于船体的反力缓慢增加、缓慢释放，防止接触刚度瞬间增大对船体造成破坏。其中，本发明的橡胶护舷可应用于靠泊码头、桥墩以及其它有防撞需求的部位，特别是对于小吨位的船舶或航行器具有优异的吸能效果。
优选地，所述橡胶护舷包括迎撞面板1和护舷本体2，所述迎撞面板1为一表面光滑的平板结构，以在与所述护舷本体2连接后，能够将船体碰撞压力均布至所述护舷本体2，并同时降低护舷与船体碰撞接触的摩擦力。
具体的，迎撞面板1的材质应保证结构具有足够的强度，同时着重考虑材料的表面光滑度、耐磨性、耐冲击性、低吸水率和防污性能，而其中摩擦力的同时降低可防止橡胶材质的护舷本体2被撕裂。在本发明中，迎撞面板1的平板厚度可为10mm～40mm。
作为本发明的其中一种优选示例，所述迎撞面板1为树脂基纤维增强复合材料、超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酮塑料(POK)、聚苯醚塑料(PPO)中的任意一种。
优选地，所述护舷本体2整体结构形式为拱型，并包括一块上面板3、两块负泊松比侧板4、两块安装底板5，所述迎撞面板1在所述安装底板5的相对侧与所述上面板3连接。
具体的，拱型结构具有变形大、吸能高的特点，因此本发明在拱型结构的基础上进行优化改进。其中，护舷本体2宜采用整体成型或拼接的方式进行成型，成型方式可为模压或注压中的一种。在本发明中，护舷本体2的整体高度为200mm～600mm，宽度为400mm～1200mm。
优选地，所述迎撞面板1通过螺栓连接或复合粘接方式与所述上面板3连接。
具体的，当采用螺栓连接时，迎撞面板1和上面板3连接部位需预埋金属件；当采用胶黏剂复合粘接时，可采用冷粘或热硫化复合等方式进行粘接。在本发明中，上面板3的厚度为30mm～70mm。
优选地，所述护舷本体2的橡胶材料采用天然橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶中的任意一种，或是采用多种胶料并用。
具体的，在靠泊码头、桥墩以及其它有防撞需求的部位，护舷本体2可与安装壁面通过岸基预埋螺栓7及紧固螺母8连接，故橡胶材料在选用时，需考虑到材料的使用寿命、耐海洋环境性能。
优选地，所述负泊松比侧板4为含负泊松比结构形式的蜂窝结构，单个蜂窝形状表现为内凹六边形、箭头性、星型形状中的任意一种。
具体的，参见图2所示，单个蜂窝形状可表现为内凹六边形。在本发明中，负泊松比侧板4厚度为20mm～80mm。
优选地，所述安装底板5为实心平板结构，若干安装孔6依次沿所述实心平板的长度方向分布开设。
具体的，安装孔6内可含有金属预埋件，安装时先在岸基上预埋连接螺栓以形成岸基预埋螺栓7，将安装孔6对准岸基预埋螺栓7，然后再拧紧紧固螺母8，即可完成护舷本体2的安装。在本发明中，安装底板5的厚度为30mm～100mm。
优选地，所述安装孔6为沉孔结构，岸基预埋螺栓7与紧固螺母8在沉孔内完成紧固安装。
具体的，安装孔6的形状可为长圆孔、矩形孔、方孔、圆孔中的任意一种，且沉孔内部尺寸要大于岸基预埋螺栓7及紧固螺母8，同时考虑扭矩扳手的操作空间。
本发明所述的基于负泊松比原理的橡胶护舷，其工作过程如下：当船体或航行器与橡胶护舷发生碰撞时，船体首先与迎撞面板1接触，迎撞面板1将压力传递至护舷本体2的上面板3，同时由于碰撞面摩擦力较小，船体还会发生侧向运动。鉴于负泊松比蜂窝结构的初始压缩刚度较低，当压力通过上面板3传递至护舷本体2的侧面支撑结构也即负泊松比侧板4时，会压缩负泊松比蜂窝结构并使其迅速发生变形，此时反力也较低；之后随着变形增加，蜂窝材料向受压部位汇集，蜂窝结构压缩刚度增大，反力也逐渐增加，此过程中会将船体的部分动能转换为橡胶护舷的应变能，也即通过材料变形消耗一部分能量，直至变形最大时船体停止运动。之后橡胶护舷开始回弹，回弹过程中蜂窝材料向四周分散，压缩刚度又缓慢降低，反力逐渐下降，船体缓慢离开橡胶护舷，由此橡胶护舷将起到良好的冲击缓冲作用。
实施例1
本实施例提供一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，包括迎撞面板1和拱形护舷本体2，护舷本体2的主要材质为橡胶并包括上面板3、侧面板4和安装底板5三部分，安装底板5上设置有安装孔6。
护舷本体2竖向安装，通过岸基预埋螺栓7与岸基连接；迎撞面板1通过螺栓连接到护舷本体2的上面板3上。
迎撞面板1采用树脂基纤维增强复合材料，该材料密度低、强度高，同时具有优异的耐海洋环境性能，通过在表面涂刷防污漆防止海生物附着。迎撞面板1的厚度为20mm，宽度为600mm。
迎撞面板1与上面板3连接部位预埋金属连接件。迎撞面板1连接件为工字钢型金属加强筋，上面板3内部连接件为带孔安装板，以增强连接部位强度。工字钢一端埋入迎撞面板1内部，安装时螺栓先穿过上面板3的安装孔，然后与工字钢连接。上面板3厚度为30mm，宽度为300mm。
护舷本体2整体高度为300mm，下部宽度600mm。其材料主体选用耐海水、耐老化性能优异的氯丁橡胶，通过添加防老剂、低毒且与橡胶材料相容性好的防污剂，保证护舷本体2的耐候性及防污性能。
负泊松比侧板4为含内凹型六边形蜂窝结构，如图2所示，单个胞元中六边形边长为60mm，蜂窝结构壁厚15mm。负泊松比侧板4厚度为50mm。
安装底板5厚度为60mm，宽度为160mm。安装孔6为长方孔，尺寸为：长110mm、宽50mm、沉孔深度20mm、沉孔直径22mm。
岸基预埋螺栓7规格尺寸为M20，长度为160mm，螺栓头部在护舷安装前预埋至岸基内部，露出螺栓长度为80mm。
紧固螺母8为加厚型六角螺母，规格尺寸为M20，厚度为18mm，安装螺母前先安装防松垫片和平垫片。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，其是在拱型橡胶护舷的基础上，通过将护舷的支撑侧板设计为负泊松比蜂窝结构，来降低护舷的压缩刚度并同时增加护舷的变形能力和碰撞接触时间，以此提升护舷防护效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，当护舷的碰撞力传递至负泊松比蜂窝结构的支撑侧板时，蜂窝材料从四周向受压部位聚集填充，从而使受压部位处的局部材料密度增大，以更好地抵抗受压和冲击，同时蜂窝结构内部的大变形能够有效消耗能量，提升吸能效果。
3.根据权利要求2所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述橡胶护舷包括迎撞面板(1)和护舷本体(2)，所述迎撞面板(1)为一表面光滑的平板结构，以在与所述护舷本体(2)连接后，能够将船体碰撞压力均布至所述护舷本体(2)，并同时降低护舷与船体碰撞接触的摩擦力。
4.根据权利要求3所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述迎撞面板(1)为树脂基纤维增强复合材料、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酮塑料、聚苯醚塑料中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述护舷本体(2)整体结构形式为拱型，并包括一块上面板(3)、两块负泊松比侧板(4)、两块安装底板(5)，所述迎撞面板(1)在所述安装底板(5)的相对侧与所述上面板(3)连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述护舷本体(2)采用整体成型或拼接的方式进行成型，其中整体成型为模压或注压中的一种。
7.根据权利要求5所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述迎撞面板(1)通过螺栓连接或复合粘接方式与所述上面板(3)连接。
8.根据权利要求5所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述护舷本体(2)的橡胶材料采用天然橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶中的任意一种，或是采用多种胶料并用。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述负泊松比侧板(4)为含负泊松比结构形式的蜂窝结构，单个蜂窝形状表现为内凹六边形、箭头性、星型形状中的任意一种。
10.根据权利要求9所述的一种基于负泊松比原理的橡胶护舷，其特征在于，所述安装底板(5)为实心平板结构，若干安装孔(6)依次沿所述实心平板的长度方向分布开设。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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