1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化基于圆柱橡胶密封气垫双箱体结构防船撞击装置设计摘要双箱体结构的防船撞击装置是一种新的桥墩防撞装置，正在逐渐成为桥梁防撞装置中的主流。本文综述了目前国内外桥梁防撞的发展状况以及充气橡胶护舷（垫）的应用。阐述了柔性耗能防撞装置特别是双箱体结构防撞装置的应用和优势，分析了橡胶防撞圈在此类装置中的应用以及发展趋势。关键词柔性耗能；桥梁防撞；充气橡胶护舷；双箱体结构1桥梁防撞发展现状1220世纪人类明确提出防灾减灾的要求，在联合国已组成相应机构，国内的研究结果明确提出桥墩防撞装置应满足下列要求1防撞装置能被桥梁、船舶运输和港航管理三方面共同接受。2应少占地方，不碍航
2、。3应适应水位变化的要求枯水、洪水；涨潮、退潮。4吸能能力要大，但更重要的是将船的动能仍保留在船上，最新的办法是防撞装置将船头拨歪，使船离开墩而不被镶住，即不咬住船头。5撞后应自行恢复，不需维修。6该装置应安装、施工方便，成本低，便于桥梁方在建桥时同时建设，现在一般可做到只占桥梁建设费用的5左右。7不因设置防撞装置而增加新的问题，如回流沉积、妨碍捕捞养殖等。历史上使用过的防撞设施80年代日本岩井聪提出桥墩防护设施按设置地点力的承受点可分为直接构造和间接构造两大类，直接构造指其直接设置于桥墩上而言。每大类内再按吸收船舶碰撞能量的方式分为弹性变形型、压坏弹塑性变形型和变位重力和阻力型，其中有两种可
3、分为二型，故共8种型式如下表1991年国际桥梁和结构工程协会IABSE将通常使用的桥墩保护结构分为5类防护板系统支撑桩系统系缆桩系统人工岛或暗礁保护浮动保护系统按照桥、船和防撞设施三者损坏与不损坏来区分，可将防撞设施分为3类保护桥墩，防撞设施也不会撞坏。例如加大的承台、抛石人工岛等，它的刚性很大，不变形，因而也不吸收能量，撞上去的船必须吸收全部的碰撞动能，这样对船损坏最大。保护桥墩的同时防撞设施会损坏。例如欧洲内陆河流使用较多的木板围栏、木桩围栏、压坏沉箱、浮动吸能结构等。压坏变形就是吸能过程，防撞设施吸收了一部分船的动能，船的压坏变形便相应少一些。保护桥墩、保护船的同时防撞设施也不坏。例如1
4、995年提出的三不坏吸能防撞装置以前有雏形2双箱体结构柔性防撞装置21从两不坏到三不坏的飞跃最古老的桥墩防撞人工岛，可以保护桥不坏，而且人工岛也是撞不坏的，自古以来就是两不坏。但船坏了总不是个事，北欧很早就用木板或原木保护桥墩，由于木材易变形，以求保护桥的同时也保护船，这就是三不坏的思想，那时船较小直到现在欧洲内河仍有使用，木板、木桩也不需频繁修、换。岩井聪说的压坏变形型，现在用得较多，它在船侧撞墩时起较好的作用。如果防撞装置和船体都变形，变形能由防撞装置分担了一部分，船的损坏轻了。但若船头较小、较尖，撞上时镶人钢结构格子内，全部的动能都由压坏变形吸收；若船较大，防撞装置的比例小，则需由船体变
5、形吸收大量的动能，船的破坏就大了。三不坏的原理就是分析了撞来船的能量很大，但只要能将船头拨开不镶住，能量仍保留在船上而参加交换的能量就很小。要能拨开船头必须防撞装置后退，这样就要求防撞系统的“力一变形”曲线是凹形的，即曲线的二次导数YO，这就是船撞上来时反力很小变形很大。22柔性防撞的物理意义3桥墩柔性防撞的物理意义是指初撞时反力小位移大、吸能大、反力作功小其中初撞时反力小位移大是容易实现的，用中空的管状或圈状的防撞元件便可以了，它的“力一位移”曲线FAL曲线的数学特征是凹曲线，即二阶导数大于零Y0但要同时吸能大，就不能用橡皮管、橡皮圈，因为橡皮弹性好、吸能少，基本上没有能量耗散图1A为橡胶厂
6、给用户提供的碰垫的“力一位移”曲线只有上升段，而且是用静载荷作出的，凸曲线为鼓形碰垫，凹曲线为管形碰垫可以看出中空的管状或圈状的防撞元件已经实现初撞时反力小位移大图1是笔者研制的钢丝绳复合耗能防撞圈的“力位移”曲线，包括吸能上升段和放能下降段两个部分图1橡胶碰垫和耗能防撞圈的“力位移”曲线图2是动态的“力位移”曲线，图中的曲线上升和下降段包络的面积代表消耗的能，图2A是橡胶鼓形碰垫，可以看出橡胶元件消耗的能很少于是研究出钢丝绳复合耗能防撞圈，其“力一位移”曲线见图2B，它上升和下降段包络的面积很大，能消耗7085左右的能回程曲线与横坐标包络的面积代表回程时作用到船上的功可以看出鼓形碰垫这部分比
7、例很大；钢丝绳复合耗能防撞圈与鼓形碰垫相反，回程作用到船上的功很少图2动态“力位移”曲线围着的面积代表耗能23从单个吸能圈到防撞装置47现在生产的钢丝绳复合耗能防撞圈，大号的每个吸能10，000J50，000J，要成百上千个才能实现桥墩防撞，于是在防撞圈之外作一钢围，一方面将船撞上来的力及时分布到各个防撞圈，另一方面将船头滑开因此，这一外钢围必须强度大、刚性好图3是一段外钢围连同4个和8个防撞圈组成的11分段的动态“力一位移”图，4个圈的是单层，8个圈的是双层单层的后退400MM左右，双层的后退800MM左右说明4个圈在单层钢围的作用下得到联动，双层的分段在双层钢围的作用下也得到联动图3防撞装
8、置分段的“力一位移”图有外钢围3柔性耗能防撞装置应用实例811桥梁的桥墩和其他水中柱桩防船撞的装置从力学和吸能的角度可分为弹性防撞元件、弹塑性防撞元件和粘性防撞元件三种。上海民生路渡口装设的两船进出航道当中的分隔桩，桩外有较大的钢围，桩与钢围之间装设橡胶管，这橡胶管就是弹性的防撞元件；上海奉浦大桥主航道两边桥墩承台周围装设的钢管浮式防撞装置，其中的钢管就是弹塑性的防撞元件；在这两种元件的基础上发展出粘性防撞元件，它可以有液态的、气态的和固态的形式。湛江海湾大桥用的是固态的粘性防撞元件，是由钢丝绳圈和橡胶复合制成的，它的性能有点像湿面团，初受载时变形很大，这就显示了充分的柔性，卸载时曲线陡降，这
9、样上升下降回线包围的面积很大，那么消耗掉的能量就很大，占到输入功的60以上，受冲击后不立刻反弹。湛江海湾大桥的防撞设施一个桥墩使用几百个防撞圈见图2，每个防撞圈消耗能量几万焦耳，外面用钢围使这几百个圈同期作用，以对付几万吨的大船，在受撞之后实现船头与防撞装置表面的相对滑动，拨开船头，使船的动能保留在船上而只有少部分参加交换。这样就在世界上第一次实现了对5万吨船的柔性防撞，第一次建造出一个浮式的、能降低撞击力的高耗能防撞装置。桥墩柔性防撞装置图4鼓型橡胶护舷应用传统橡胶护舷1216M型橡胶护舷防撞装置菠萝庙船厂码头原配置M型橡胶护舷防撞装置，现在码头从靠泊35000DWT船舶提升至76000DW
10、T船舶，防撞装置主体M型橡胶护舷能否满足使用要求，通过验算船舶靠泊产生的撞击力予以求证。1船舶撞击力船舶撞击力按76000DWT船舶控制。船舶靠岸时的有效撞击能量按下式计算E02MVN式中E0船舶的有效撞击能量KJP有效动量系数，取08M空载船舶质量T，按76000DWT船舶计算M16410TVN船舶靠岸时的法向速度MS，取008MSE0420KJ从计算结果得知76000DWT船舶靠泊时产生的撞击动能是420KJ。2M型橡胶护舷力学性能码头目前使用的是M型600H1500L橡胶护舷，标准反力为R6375KN，标准变形下吸能量为150KJ，能满足76000DWT船舶靠泊的使用要求。3M型橡胶护舷
11、的结构M型橡胶护舷属拱型结构见图L，其顶部比较宽，顶部的中间还设有一个U型沟，使护舷的顶部有较大的表面积，当船舶靠泊码头时，护舷施加船体的面压较低，对船体有较好的保护。但是受到船舶的撞击时，会产生较大的不规则的变形，容易与冲压过来的船体发生局部贴服，在较大的摩擦力作用下，受船的拉动被撕裂，出现早期破坏。M6OOH1500L橡胶护舷只需6根固定螺栓，所以安装较方便。由于护舷本体重量达800KG，连同安装配件的总价格偏高。5充气护舷的应用1722随着运输船舶日趋大型化，对海上靠泊安全性的关注也提高到一个新的高度。原先使用的压缩型橡胶护舷已不能满足高冲撞能量吸收的需要，于是充气护舷应运而生。充气护舷
12、利用压缩空气作缓冲介质。当船舶冲撞挤压时，它会柔和地变形，不仅吸收能量大，而且作用于船舶的反压力很均匀，不会损伤船体及其涂层。所以它比起单纯依靠压缩弹性的橡胶护舷来说具有显著的优点。（1）高吸收能量吸收能量的大小是护舷器具的主要技术性能指标。随着船舶吨位的增长，靠泊作业时，船舶接触岸壁或其它船只的冲撞能量也成倍地增长。巨大的冲撞能量必须依赖于护舷的充分变形及足够的接触面积来吸收。充气护舷的压缩变形量可达到60以上，而且接触面积随着变形而迅速扩大，其吸收能量的能力远较其它护舷大得多。（2）超低反压力充气护舷中充的是低压气体，在压缩变形中内压的提高很有限。由于接触面积大，作用于船体表面的单位压力很
13、低每平方米只有120KN，与其它护舷器具相比较，就不是一般的低反压力了。（3）倾斜接触的适应性好对船舶来说，必须要有一定角度接岸、接舷的可能性。充气护舷对倾斜接触来说，其适应性要比其它护舷高得多。（4）浮于水面，船舶摇摆都能适用充气护舷浮于水面，随着海潮涨落相对于船舷的位置不会改变。尤其是船舶随着海浪起伏摇摆时，圆筒形的充气护舷随着滚动，磨擦力很小。因而不会伤船体表面的涂层，而且还能起到减摇减振的作用。6结语2324钢丝绳复合耗能防撞圈能达到柔性和高吸能；在众多防撞圈的外面包络强的外钢围能使这些防撞圈达到高的受力同期性；外钢围尖形，能滑开船头，使大部分动能保留在船上而不参与交换实现了桥墩柔性防
14、撞我要研究的课题是基于圆柱橡胶密封气垫双箱体结构防船撞击装置设计。该课题主要研究方向就是用圆柱橡胶密封气垫来代替钢丝绳复合耗能防撞圈。由于大型船舶的撞击能量非常大，而充气气垫最大的特点就是可以吸收巨大的能量，同时对船舶的反压力均匀。因此，圆柱橡胶密封气垫在桥梁防撞装置的设计中会有不错的应用前景。参考文献1陈国虞防御船撞桥的新装置及其机理研究A上海海洋钢结构研究所20072陈国虞防御船撞桥的桥墩防撞装置上海海洋钢结构研究所20013张巍，严少波，张文明薄壁桥墩防撞浮箱的设计与仿真A世界桥梁200724于波充气护舷系统的设计方法A船舶201015李干华，王大展各种橡胶护舷防撞装置在修船码头的应用分
15、析建造工艺20076孙菊香,朱珉虎充气护舷当今世界流行的船舶防撞装备A船舶201047陈国虞，张政“柔性耗能防撞”项目技术的沿革城市道桥与防洪200858陈国虞，张政柔性耗能防撞装置中采用的新技术城市道桥与防洪200879岳磊，黄翔。浮箱式桥墩防撞设施设计中外公路2009410陈国虞，张政权柔性耗能防撞装置的应用城市道桥与防洪2008811张海涛，张琪，李万富大型橡胶护舷的研制B橡胶工业20045112郭丽娜，唐长刚，周风华，杨黎明桥墩柔性防撞装置的静态等效弹性系数A宁波大学学报理工版2010213夏飞桥梁防撞系统的发展A中国水运2008114王克洪桥梁主墩浮式柔性防撞护套A武汉水利电力大学学
16、报1994615郑明军，聂国权，程京平橡胶夹层复合材料粘结界面应力应变研究A石家庄铁道学院学报2004216杨永坚船舶撞击桥梁研究及预防对策A硅谷200817陈国虞三个“桥墩防撞设计指南、规范”的对比研究城市道桥与防洪2009218孙菊香,朱珉虎我国浮式充气靠球护舷研制开发与标准制订船艇工业2005519顾红军,赵国志高聚物复合材料动力学性能实验研究振动与冲击2003220HOLGERSVENSSONPROTECTIONOFBRIDGEPIERSAGAINSTSHIPCOLLISIONSTEELCONSTRUCTION22009,NO121WVMARS,AFATEMIALITERATURESU
17、RVEYONFATIGUEANALYSISAPPROACHESFORRUBBERINTERNATIONALJOURNALOFFATIGUE24200294996122YONGCHENA,ZPTONGC,HXHUAA,YWANGBANDHYGOUAEXPERIMENTALINVESTIGATIONONTHEDYNAMICRESPONSEOFSCALEDSHIPMODELWITHRUBBERSANDWICHCOATINGSSUBJECTEDTOUNDERWATEREXPLOSIONINTERNATIONALJOURNALOFIMPACTENGINEERINGVOLUME36,ISSUE2,FEBRUARY2009,PAGES31832823ZHIYUJIANG,MINTONGGUOPTIMIZATIONOFAFENDERSTRUCTUREFORTHECRASHWORTHINESSDESIGNMATERIALSANDDESIGN3120101085109524GOKDENIZNESER_,DENIZUNSALANDYNAMICSOFSHIPSANDFENDERSDURINGBERTHINGINATIMEDOMAINOCEANENGINEERING33200619191934
