船舶气囊下水理论及安全风险评估

福建华东船舶及海洋工程设计院East China Marine Design Institute Co., Ltd of Fujian华设（2012）第HD2012001号船舶气囊下水理论及安全风险评估目录1、概述2、气囊的特性2.1.气囊的构造2.2.气囊的特征参数2.3.气囊的性能曲线3、气囊下水阶段及船舶位置参数3.1.气囊下水阶段的划分3.2.下水时船舶的位置参数3.3.船舶倾斜度的变化3.4.船舶的“弯折”现象4、作用在船舶上的作用力及受力分析4.1.作用在船舶上的作用力4.2.力与力矩的平衡方程4.3.船舶下水过程的安全问题4.4.气囊承载力的分布形式（1）梯形分布（2）三角形分布5、气囊形式的静力学计算程序5.1.辅助计算表5.2.计算程序及说明5.3.气囊下水状态曲线6、气囊的数量与布置6.1.气囊数量与分布计算6.2静置气囊及前置气囊6.3静制动及牵引力计算。

7、气囊下水的动力学计算8、气囊下水的安全风险评估9.计算实例1、概述：船舶气囊下水技术是中国在20世纪80年代初发明的，这项具有我国完全自主知识产权的技术，经过三十年的改进与发展，目前已具备十万吨级船舶的下水能力。

它的应用和发展已经引起船舶修造技术出现了一项“革命性”转变。

是对船舶下水工艺的重大贡献。

气囊下水的技术又称为“柔性下水技术”，是在传统的滑道下水技术的基础上发展起来的。

它利用柔性的气囊来取代滑道和滑板，克服了传统滑道下水的许多缺点。

柔性的气囊好似一个弹性垫，它使船体在下水过程中可以自由俯仰，保持船底下有较大的接触面积，使船底的受力十分缓和，以致船体的结构、表面的油漆(涂层)不会受到损伤。

气囊下水技术与传统的滑道下水技术比较，具有如下的优越性：（1）节省了船厂基本建设的投资。

在船厂基本建设中，下水设施，如传统的下水滑道及其水下工程的投资十分惊人。

采用气囊下水技术的船厂只需建造简易的坡道，设施简单，而且无需复杂的水下工程，大大节省了船厂基本建设的投资。

（2）下水工艺简化。

采用气囊下水的准备工作可以在一两天内完成，工人操作简单，气囊使用后通过回收可重复使用，降低了造船的生产成本。

（3）船舶气囊下水技术无废弃物排入水中，有利于保护环境。

本文所涉及的气囊下水均指船舶纵向下水。

纵向下水时船舶可以是首部向前，也可以尾部向前，但由于通常船舶尾部较为丰满，下水后减速较快，尾部向前应用较为广泛。

本文讨论尾部向前的下水问题，所有结论均适用于首部向前的情况。

2.1气囊构造：与传统的滑道下水不同，气囊下水的关键设备是专为此项工艺而开发的“船用下水气囊”。

本文所述的气囊，将以济南昌林气囊容器厂（以下简称“昌林”）提供的资料为例。

这是一种用硫化橡胶作为基本材料与锦纶帘子布（或其他增强纤维布）作为骨材，粘合制成的圆筒形产品（图 1. 气囊结构图）。

当气囊内充入压缩空气时，即可承受一定的压力，且又可滚动，可将重物（船舶）从陆地移入水中，实现“下水”；也可将水中的船舶移上岸，实现“上排”。

图1. 气囊结构图2.2.气囊的特性参数（1）气囊变形率当圆形截面的气囊承受压力时，会被“压扁”，形成扁形截面，其体积将会缩小，已封闭在其中的压缩空气的压力会提高，可使气囊的承载力增大。

气囊既能承载船体的重量，又能滚动，船舶下水正是利用了气囊这二个特性。

图2. 气囊压缩变形图当气囊内充入一定压力的气体，气囊的原始自由形态的截面为圆形，设其直径为D，当承受平面压力后，气囊变为扁圆形，其高度H称为“工作高度”。

（图2.）定义：R为“气囊压缩变形率”或：“气囊变形率”。

R=(D-H) / D ×100％（2）气囊承载力：气囊承载力是指气囊受压时所承受的载荷，也称为气囊支持力。

在一定条件下，气囊支持力与气囊变形率的关系，称为气囊性能曲线。

可由气囊压力试验得出。

图3.气囊性能曲线图3.是“昌林”生产厂家应提供的气囊性能曲线。

从中可以读取在一定压缩变形率时的单位长度承载力的数值，以及最大（大约在R=70％）的承载力称为极限承载力。

表1-1、1-2所示是“昌林”高压气囊的性能参数。

表1-1气囊性能参数表气囊型号 气囊直径D /m额定工作压力P / kPa压缩变形率达70％、内压为额定工作压力P 值时，气囊单位长度承载力QH / KN / m压缩变形率达70％时允许的最大内压 Pmax / KPaQG70.8 295 259 880 1.0 240 264 720 1.2 200 264 600 1.5 160 264 480 1.8 130 257 390 2.0116255348表1-2 QG7型气囊单位长度的承载力气囊直径D 工作压力P 工作高度H每米长度的承载力kN / m t / m0.8m 0.29MPa 0.5m 136.66 13.94 0.3m 227.77 23.241.0m 0.24MPa 0.6m 150.79 15.39 0.3m 263.89 26.931.2m 0.20MPa 0.7m 157.08 16.03 0.4m 251.33 25.651.5m 0.16MPa 0.8m 175.93 17.93 0.5m 251.33 25.651.8m 0.13MPa 1.0m 163.36 16.67 0.6m 245.04 25.00需要说明的是，由于气囊是一种柔性体，市场上有各家生产的气囊，同一厂家的产品，即使材料工艺均按标准生产，其产品的性能、参数也会有一定的差别，又加上在实际应用中船型、气囊有很大区别，加之，船舶与气囊接触面在不断变化，因而，从气囊的变形计算船体受力是很不准确的。

在本理论计算中仅验算气囊的承载力是否大于极限承载力，作为对船舶安全性评估的内容之一。

在分析气囊下水的全过程中，由于气囊的变形值较大，而船体结构及船台的变形很小，将其视为绝对刚性体。

3、气囊下水的运动阶段及船舶位置参数：3.1气囊下水阶段的划分船舶下水是一个非常复杂的动力过程。

气囊下水与传统的滑板下水有许多相似之处，但也有很大的不同。

其差别的根源均来自于气囊下水时船舶下面采用了柔性的气囊垫。

气囊下水通常分为3个阶段：第1阶段：自船体在气囊上开始运动到船体尾部开始入水。

这是船体在船台上的运动，从严格意义上可以认为这只是“下水”的准备阶段。

有时也将第一阶段的开始时刻定义为船舶尾部开始脱离船台末端。

第2阶段：自船体入水到船体全部离开船台。

这个过程通常船舶会出现尾“弯折”及“尾上浮”的现象，在船首脱离船台的瞬间还可能出现“首跌落”现象。

因此，有可能出现船舶触底、撞船台及船体结构高应力等危险情况，这就是船舶下水的安全风险。

因而这个阶段的各种力学特点是我们要重点探讨的现象。

这一阶段主要还是采用静力学的方法研究船舶的状态，但也要考虑动力学问题。

第3阶段：船体全部脱离船台，依靠惯性在水面上滑行直至完全停止，完成下水的全过程。

这一阶段主要研究动力学问题。

3.2下水时船舶位置参数：参见图5。

（1）名义行程——船舶尾垂线与船台末端的距离Ls，称为船舶下水的名义行程。

行程——船舶重心越过船台末端的距离S，S＝Ls－x go式中：x go——船舶重心至船舶尾垂线A.P之距离（m）图5. 气囊下水示意图（2）承载力长度Lx：船舶之下承受船舶载重的气囊长度Lx，在船舶下水运动过程中是不断变化的。

定义此承载长度为：从船台末端到最前端首次出现承载力为0的气囊中心线的距离，或者从船台末端到最前端承载力不为0的气囊中心线的距离，或船台末端到首柱（F.P)的距离；取以上三者的最小值。

由于气囊承载力Lx的选择对气囊承载力的计算有很大意义，因而应准确界定Lx的数值，这里有3种情况：a）当船舶倾斜度β与船台倾斜度α不一致时，船体基线与船台平面不平行，因而在船台上的各处气囊的工作高度并不相同。

例如，当β＞α时，各气囊的工作高度等于其自由态的直径时，该气囊承载力为0。

由此说明，该气囊之前的气囊均将没有承载力，是无效气囊。

因而Lx只应计算到该气囊的中心处。

b）当β＝α时，各气囊的工作高度相同，显然Lx应从船台末端计算到最前端气囊的中心点为止。

c）当气囊滚动时，Lx最大值只应计算到首柱为止。

（3）船舶倾斜度β（龙骨线或船舶基线与水平线夹角的正切值）由图5可知：tgβ＝（y1+Lx tgα－y0）/ Lx由此得出：y1－y0＝Lx（tgβ－tgα）或：y0＝y1－Lx（tgβ－tgα）此式称为：气囊下水的几何条件。

式中：y0——在船台末端气囊的工作高度；y1——船舶前端的气囊工作高度，如果此值为气囊原始自由状态时的直径，如选用直径为1.5m的气囊，则y1＝1.5m，此时其支持力为0。

3.3船舶在下水过程中倾斜度的变化船舶采用气囊下水时，即使船台倾斜度不变，由于气囊的柔性作用，即对船舶受力变化较为敏感，会产生较大的形变，会导致船舶自身的倾斜度产生变化，尤其在船舶入水点到船台末端的距离较小时，这种现象很明显。

3.4船舶的“弯折”现象下水过程中船舶倾斜度相对于船台倾斜度的变化称为“弯折现象”。

显然，若β＞α时，y0＜y1此时会出现船舶倾斜角加大，尾部下沉，出现向下“弯折”,船体呈现“中拱”状态。

由于气囊是柔性体，对尾部下沉的弯折现象有一定的“缓冲”作用，因而，随着船舶行程的增大，尾弯的变化呈现渐变的过程。

只要气囊不出现爆裂，一般不会出现尾弯及中拱弯矩的突然增大现象。

这对船舶下水安全是有利的。

按照气囊承载力曲线，在一定的充气压力条件下，y0可以在（20％-100％）D范围变化常用（30％-100％）×D，y0有一个最小值y min。

此时气囊的承压能力达到极限值，船舶下水处于临界状态，称为下水临界点。

下水计算的任务之一就是要求出此临界点。

当β＜α时，y0＞y1此时船舶出现尾浮现象，船舶呈现“中垂”状态。

同样，由于气囊的“柔性”作用，当出现尾浮时，船舶前端气囊承载力的变化也呈现渐变过程，承载力将分布在一定范围的多个气囊之上，从而也“缓冲”了尾浮时船体的中垂应力以及气囊承载力的突然增大，相对于滑板下水而言，对船舶下水安全是有利的。

气囊下水时，作为柔性体的气囊允许有一定的变形裕度和一定的计算误差，笔者建议可假定此裕度达到20％，因而可以定义：在y0＜80％y1时，产生弯折现象；而y0＞1.2 y1时，产生尾浮现象。

4、作用在船舶上的作用力及受力分析：4.1作用于船舶上的力在下水过程中，作用于船舶上的力有以下几种：（1）重力Wo：即下水时船舶的重量，通常是指船舶的空船重量。

现代造船要求将造船工程的绝大部分在船台上完成，而且在下水时还可能有一些施工设备、多余材料等尚未清除，因而下水重量完全可能超过空船重量。

船舶的重心位置：对下水计算而言通常主要是重心的纵向位置，以xgo表之，表示重心距尾垂线(A.P)的纵向距离。