1、本科毕业论文（20届）基于圆柱橡胶密封气垫双箱体结构防船撞击装置设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要桥是跨航道的重要通道，桥墩作为航道中的障碍物，由于自然和人为条件的多变，容易出现船撞桥墩的事故。双箱体结构的防船撞击装置是一种新的桥墩防撞装置，随着桥梁防撞装置的不断发展，它正在逐渐成为桥梁防撞装置中的主流设计。本文主要借鉴目前国内比较成熟的充气橡胶护舷技术，以此为基础设计了一种可应用在桥梁防撞装置中的圆柱橡胶密封气垫，来替代橡胶钢丝复合防撞圈。这种元件构成的防撞装置关键在于初撞时会后退，以此改变船的方向，使船的动能保留在碰撞后的船上。能量交换
2、少了，三不坏防撞设施就容易实现了。它具有吸收能量大，碰撞反作用力小，倾斜接触适应能力好以及浮于水面等优点。本文通过理论计算进行了可行性分析和强度验算,然后运用了ANSYS软件对设计的气垫进行了仿真受力试验，并且根据有限元分析的结果对结构进行了优化设计。最后在新型柔性耗能部件的基础上，结合工程实际设计了一种全新的双箱体防船撞击装置。关键词柔性耗能；桥梁防撞；圆柱橡胶气垫；双箱体结构；有限元。IIABSTRACTBRIDGEISANIMPORTANTCHANNEL,PIERISTHEOBSTACLESACROSSTHECHANNELBECAUSEOFNATURALANDHUMANCONDITION
3、CHANGEABLE,ITISPRONETOBOATPIERACCIDENTSDOUBLEBOXSTRUCTUREANTISHIPCOLLISIONDEVICEISANEWBRIDGEPIERANTICOLLISIONDEVICEWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFBRIDGEANTICOLLISIONDEVICE,ITISGRADUALLYBECOMINGTHEMAINSTREAMAMONGBRIDGEANTICOLLISIONDEVICETHISARTICLEMAINLYREFERENCEDTHECURRENTDOMESTICMATUREINFLATABLERUBB
4、ERFENDERSTECHNOLOGYBASEDONTHISTECHNOLOGY，IDESIGNEDACYLINDRICALRUBBERSEALINGAIRCUSHIONTHATCANBEAPPLIEDINABRIDGEANTICOLLISIONDEVICE,WHICHAREUSEDTOREPLACERUBBERWIRECOMPOSITEBULLRINGTHEKEYCOMPONENTSOFTHISANTICOLLISIONDEVICEISTHATITWILLRECEDEINTOTHEDIRECTIONOFTHESHIP,CHANGETHESHIPDIRECTION,ANDKEEPINGKINE
5、TICENERGYRESERVESONTHESHIPEXCHANGEOFENERGYLESS,SOTHATTHREENOBADIMPACTPROOFFACILITIESISEASYTOREALIZEITSMERITSARELARGEABSORPTIONENERGY,COLLISIONANDTILTCONTACTREACTIONSMALL,ABILITYTOADAPTINCLINEDCONTACTANDFLOATSONTHEWATER,ETCTHROUGHTHEORETICALCALCULATION，IMAKEFEASIBILITYANALYSESANDINTENSITYCHECKINGTHEN
6、USINGANSYSSOFTWARETODESIGNOFAIRCUSHIONISSIMULATEDSTRESSTESTANDACCORDINGTOTHERESULTSOFFINITEELEMENTANALYSISFORTHEOPTIMIZATIONDESIGNFORBETTERSTRUCTUREFINALLY,BASEDONTHENEWFLEXIBLEANDENERGYPARTS,DESIGNEDAKINDOFBRANDNEWDOUBLECABINETPREVENTSHIPCOLLISIONDEVICECOMBINEWITHACTUALPROJECTKEYWORDSFLEXIBLEENERGY
7、；BRIDGEIMPACTPROOF；CYLINDRICALRUBBERCUSHIONS；DOUBLEENCLOSURESTRUCTURE；FINITEELEMENTIII目录摘要I目录III1绪论111桥梁防撞系统1111桥梁防撞发展现状112船舶充气护舷的应用3121高吸收能量4122超低反压力4123倾斜接触的适应性好4124浮于水面413毕业设计（论文）的选题意义与研究内容4131毕业论文选题意义4132毕业设计所做的工作52圆柱橡胶密封气垫结构设计621橡胶材料选择6211外层橡胶材料6212内层橡胶材料722总体结构设计7221受压结构8222内部结构10223圆柱气垫与内外钢围的
8、连接1023圆柱橡胶气垫的生产工艺12231成型工艺13232橡胶部件的粘结163圆柱橡胶气垫和连接件的强度验算以及有限元分析1731连接件强度验算1732圆柱橡胶气垫受拉力1833圆柱橡胶气垫结构受压19331原始压强作用下19332工作压强下1934圆柱气垫受拉时的有限元分析20IV341建立模型并划分网格20342加载拉力21343结果后处理2235圆柱气垫受压时的有限元分析23351建立模型并划分网格23352加载压力23353结果后处理2436结构优化264基于圆柱橡胶密封气垫双箱体结构防撞装置的实际应用设计2841防撞装置用途2842象山港公路大桥概况2843防撞装置的工作原理及结
9、构特征29431防撞装置的特点29432防撞装置的结构型式2944防撞装置结构29441内钢围（内浮箱）30442外钢围30443立柱和拉索31444舾装件31445防腐涂装31446减摩材料3145防撞装置的维修保养31451内、外钢围的长期防腐设计31452装置撞坏后的维修32453防撞气垫的维修3246防撞装置主要材料及用量3247适用技术标准及规范335结论与展望34参考文献35致谢错误未定义书签。附录3711绪论11桥梁防撞系统桥是跨航道的重要通道，桥墩是航道中的障碍物，由于自然和人为条件的多变，容易出现船撞桥墩的事故。历史上有大承台、人工岛等行之有效的防撞设施，长期保护了桥；后来出
10、现木栅、钢链和浮舟等设施，希望除了保护桥之外也保护船，但这些设施比较易坏。随着人们进一步要求桥、船和防撞设施三者都不坏简称三不坏，于是就出现了会后退的外刚内柔的三不坏防撞装置。从分析防撞要求人手，得出理想的防撞“力一位移”曲线的型式，制造出这种型式的元件。这种元件构成的防撞装置关键在于初撞时会后退，从而改变船的方向，使船的动能保留在碰撞后的船上。交换的能量少了，三不坏防撞设施就易于实现了。1111桥梁防撞发展现状上世纪人类明确提出防灾减灾的要求，并且在联合国已组成相应机构，国内的研究结果也明确提出桥墩防撞装置应该满足以下要求2,31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应尽量少
11、占地方，不碍航。3能应适应水位变化的要求枯水、洪水；涨潮、退潮。4吸收能量的能能力要大，而且要可以将船的动能仍保留在船上。5撞后应可以自行恢复，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。双箱体结构柔性防撞装置5,6,71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
12、有使用，木板、木桩也不需频繁修、换。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2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。2柔性防撞的物理意义8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
13、厂给用户提供的碰垫的“力一位移”曲线9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11是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11橡胶碰垫和耗能防撞圈的“力位移”曲线图12是动态的“力位移”曲线10，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70至85左右的能11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
14、垫这部分比例很大；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3图12动态“力位移”曲线围着的面积代表耗能3从单个吸能圈到防撞装置现在生产的钢丝绳复合耗能防撞圈，大号（外径800MM）的每个吸能10000J到50000J12，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13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13，4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
15、层钢围的作用下也得到联动图13防撞装置分段的“力一位移”图有外钢围12船舶充气护舷的应用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14已不能满足高冲撞能量吸收的需要，于是充气护舷15应运而生。充气护舷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。4121高吸收能量吸收能量16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
16、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。122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低每平方米只有120KN17，与其它护舷器具相比较，就不是一般的低反压力了。123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。124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
17、擦力很小。因而不会损伤船体表面的涂层，而且还能起到减摇减振的作用。13毕业设计（论文）的选题意义与研究内容131毕业论文选题意义双箱体柔性防撞设施一个过渡桥墩使用数十个防撞圈，每个防撞圈消耗能量几万焦耳，外面用钢围使这几十个圈同期作用，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。这样就实现了对5万吨船的柔性防撞，建造出一个浮式的、能降低撞击力的高耗能防撞装置。我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
18、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。5132毕业设计所做的工作本次设计是圆柱橡胶密封气垫结构设计的探索研究和双箱体防撞结构的总体设计装配，具体内容如下1分析橡胶护舷（垫）的原理及特点，制定独特的圆柱橡胶密封气垫设计方案。2完成圆柱橡胶密封气垫结构设计和建立三维实体模型。3ANSYS有限元对建立圆柱橡胶密封气垫结构分析模型。4用有限元分析对圆柱橡胶密封气垫结构进行优化设计。5完成圆柱橡胶密封气垫双箱体装置的典型应用设计。6采用PRO/E等软件设计装配装置的三维实体模型，完成二维装配图和主要部件工程图。62圆
19、柱橡胶密封气垫结构设计21橡胶材料选择橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。橡胶属于完全无定型聚合物，它的玻璃化转变温度（TG）低，分子量往往很大，大于几十万18,19。211外层橡胶材料由于双箱体柔性防撞装置属于浮式防护结构，因此其二分之一体上的体积长期沉浸在海水中。常年的海水浸泡很容易对橡胶产生腐蚀，而且橡胶的老化对整个气垫结构也会产生很大的危害。橡胶老化会发生龟裂、硬化等现象，使得气垫破裂，失去作用。综合这些情况，可以列出圆柱气垫外层材料需具备的要素第一，抗腐蚀能力强；第二，耐老化性好；第三，弹性好耐磨性强；第四，
20、抗撕裂能力好20,21。根据这些要素，在211所述的常用橡胶材料中，选择使用顺丁橡胶（BR）和天然橡胶（NR）混合使用。下面简要介绍一下两种橡胶的特性22（1）顺丁橡胶的性能由于顺丁橡胶的分子结构主要是顺式1，4结构，分子排列规整，所以其弹性比天然橡胶还好。顺丁橡胶的玻璃化温度TG105，故它的低温物理性能很好，耐寒温度低于55。弹性是通用橡胶中最好的一种。特点耐热性与天然橡胶相同，都为120，但耐热老化性能却优于天然橡胶。拉伸强度比天然橡胶、丁苯橡胶都低，因此必须加入炭黑等补强剂。撕裂强度也比天然橡胶低，抗湿滑性能不好，用于轮胎胎面、鞋底时，在湿路上易打滑。顺丁橡胶的耐磨性优异，滞后损失小，
21、生热低，这对制品在多次变形下的生热和永久变形的降低都十分有利。应用主要用于制造轮胎，还可用于制造耐磨制品（如胶鞋、胶辊）、耐寒制品和防震制品，可作为塑料的改性剂。顺丁橡胶可与多种橡胶并用。制造乘用汽车轮时，可与丁苯橡胶并用，并用量为3550。制造载重汽车轮胎胎面时，常与天然橡胶并用，并用量为2550。用于重型越野汽车轮胎胎面时，天然橡胶75份，顺丁橡胶25份较好。用于胶布时，一般与丁苯橡胶并用，并用量为1530。用于制造轮胎胎侧时可与氯丁橡胶并用，以提高耐低温性能。顺丁橡胶也可与氯磺化聚乙烯并用。（2）天然橡胶是从天然产胶植物中制取的橡胶。市面售的天然橡胶主要是由三叶橡胶树的乳胶制得。天然橡胶
22、是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，分子式是（C5H8）N，其成分中9194是橡胶烃（聚异戊二烯），其余为蛋白质、脂肪酸、7灰分、糖类等非橡胶物质。天然橡胶是应用最广的通用橡胶。天然橡胶按制造工艺和外形的不同，分为烟片胶、颗粒胶、绉片胶和乳胶等。但市场上以烟片胶和颗粒胶为主。特点是具有较高的门尼粘度（胶料在模腔内对粘度计转子转动所产生的剪切阻力），在存放过程中增硬，低温存放时容易结晶，在70左右时变成脆性物质。无一定熔点，加热到130140完全软化，200左右开始分解。具有高弹性，弹性模量约为36MPA，弹性伸长率可达1000。加工性能好，易于同填料及配合剂混合，而且可与多数合成橡
23、胶并用。为非极性橡胶，在非极性溶剂中膨胀，故耐油、耐溶剂性差。因含大量不饱和双键，化学活性高，易于交联和氧化，耐老化性差。应用于轮胎、胶带、胶管，电线电缆和多数橡胶制品，是应用最广的橡胶根据两种橡胶的特点，初步确定用75的天然橡胶和25的顺丁橡胶混合制成圆柱气垫的外层材料。212内层橡胶材料内层橡胶材料所需的要素是第一，气密性好；第二，抗老化性好根据这些要素，在常用的橡胶材料中，选用丁基橡胶（IIR）。其特性是23丁基橡胶是合成橡胶的一种，由异丁烯和少量异戊二烯合成。制成品不易漏气，一般用来制造汽车、飞机轮子的内胎。丁基橡胶是异丁烯和异戊二烯的共聚物，它在1943年投入工业生产。丁基橡胶的最大
24、优点是气密性好。它还能耐热、耐臭氧、耐老化、耐化学药品，并有吸震、电绝缘性能。缺点是硫化慢，加工性能较差。主要用途有制作各种轮胎的内胎、无内胎轮胎的气密层、各种密封垫圈，在化学工业中作盛放腐蚀性液体容器的衬里、管道和输送带，农业上用作防水材料。22总体结构设计圆柱橡胶气垫在工作时主要承受的是压力和拉力，根据工程实际状况，预设每个圆柱橡胶气垫在碰撞时受到1MN的正压力或1MN的正拉力。当船舶以一定速度撞击防护装置时，碰撞的能量通过外层钢围均匀的分散到了每个橡胶气垫上，图21所示。碰撞产生的冲击能量大部分由受压的圆柱气垫吸收24。8图21221受压结构万吨级的船舶撞击防撞装置时，将会产生巨大的冲击
25、力。在这种情况下，初撞时反力小位移大、吸能大、反力作功小的柔性防撞是目前工程设计的首选方案。当前所用的防撞圈是橡胶与钢丝的复合才材料，这种材料在实际中吸收能量并不理想，而且在一次碰撞中钢丝容易发生塑性变形失效。其重复使用率较低，经济性差。因此本次设计选用了一种全新的柔性防撞方案，充气式圆柱橡胶气垫。充气护舷目前在船舶停靠等方面使用已经越来与而广泛，图22，在实际运用中显示出了其优良的特性高能量吸收，低反压力，良好的倾斜接触适应性等等。这些特性都十分符合柔性防撞的要求。9图22船用充气护舷根据双箱体防撞装置的要求，初步设计气垫为一个外直径1200MM，总长6000MM的充气圆柱。为了保证其强度，
26、设计壁厚50MM。外层材料用75的天然橡胶和25的顺丁橡胶，内层材料用丁基橡胶，橡胶拉伸强度大于20MPA。骨架材料采用单根为三股的优等锦纶浸胶帘子布，帘子布层设计总厚度8MM，从而很大程度提高了其的性能和使用寿命。外形如图23所示。图23圆柱橡胶气垫外部结构图中两侧橡胶是与双箱体结构的内层钢围和外层钢围的链接部分。10222内部结构圆柱橡胶气垫的主要工作受力虽然为压力，但是在碰撞过程中，由于外层钢围是刚性的，因此在一部分受压的同时总会存在受拉的气垫。而充气气垫虽然有很强的抗压力的能力，抗拉能力却较弱。为了让圆柱橡胶气垫具备较好的抗拉能力，在本次的设计方案中对气垫进行了改进，在气垫内部用十字形
27、的橡胶肋加强，十字肋板厚度为100MM，如图24所示。原本单个的空间被分成了4个独立的相同大小的空间。如此一来，不仅增强了圆柱气垫结构的总体抗拉能力，也使其可靠性大幅提升。万一有一个空间破裂，其它3个空间仍然可以工作。图24气垫内部结构223圆柱气垫与内外钢围的连接圆柱橡胶气垫与钢围的连接主要通过螺栓连接，如图24所示11图24图中，圆柱橡胶的两端通过M30的螺栓与焊接在内外层钢围上的肋板连接，每一边有14个螺栓连接，橡胶板的一边垫有12MM的钢板。螺栓孔的分布如图25所示。图25螺栓孔分布12图26支座图27圆柱橡胶气垫安装23圆柱橡胶气垫的生产工艺橡胶制品的主要原料是生胶、各种配合剂、以及
28、作为骨架材料的纤维和金属材料，橡胶制品的基本生产工艺过程包括塑炼、混炼、压延、压出、成型、硫化6个基本工序。橡胶的加工工艺过程主要是解决塑性和弹性矛盾的过程，通过各种加工手段，使得13弹性的橡胶变成具有塑性的塑炼胶，在加入各种配合剂制成半成品，然后通过硫化是具有塑性的半成品又变成弹性高、物理机械性能好的橡胶制品25,26。231成型工艺橡胶制品的制造工艺基本相同，本文论述的工艺主要是其中的成型工艺。在橡胶制品的生产过程中，利用压延机或压出机预先制成形状各式各样、尺寸各不相同的工艺过程，称之为成型。成型的方法有压延成型适用于制造简单的片状、板状制品。它是将混炼胶通过压延机压制成一定形状、一定尺寸
29、的胶片的方法叫压延成型。有些橡胶制品（如轮胎、胶布、胶管等）所用纺织纤维材料，必须涂上一层薄胶（在纤维上涂胶也叫贴胶或擦胶），涂胶工序一般也在压延机上完成。纤维材料在压延前需要进行烘干和浸胶，烘干的目的是为了减少纤维材料的含水量（以免水分蒸发起泡）和提高纤维材料的温度，以保证压延工艺的质量。浸胶是挂胶前的必要工序，目的是为了提高纤维材料与胶料的结合性能。压出成型用于较为复杂的橡胶制品，象轮胎胎面、胶管、金属丝表面覆胶需要用压出成型的方法制造。它是把具有一定塑性的混炼胶，放入到挤压机的料斗内，在螺杆的挤压下，通过各种各样的口型（也叫样板）进行连续造型的一种方法。压出之前，胶料必须进行预热，使胶料
30、柔软、易于挤出，从而得到表面光滑、尺寸准确的橡胶制品。模压成型也可以用模压方法来制造某些形状复杂（如皮碗、密封圈）的橡胶制品，借助成型的阴、阳模具，将胶料放置在模具中加热成型。根据不同成型方法的特点，设计圆柱橡胶气垫分别用不同成型工艺。一、圆柱气垫外壁（图28）用压延成型法二、十字肋板（图29）和连接板（图210）用压出成型法三、端盖（图211）用模压成型14图28圆柱外壁图29十字肋板15图210连接板图211端盖16232橡胶部件的粘结橡胶与橡胶的粘接可以分为三种请况；未硫化胶与末硫化胶粘接；未硫化胶与硫化胶粘接；硫化胶与硫化胶粘接27。一末硫化胶之间的粘接在橡胶制品的加工制造过程中，部件
31、与部件之间的互相粘接和贴合极为普遍。未硫化胶之间的粘接一般采用热粘接方法，因为胶料在热贴合时一般都具有较好的粘接性能，半制品的压延压出过程可以采用热贴合将胶料部件结合在一起。在室温条件下粘接，就必须采用溶剂涂刷胶料的粘接面，以清除表面杂质，保证粘接效果。对于粘接性能太差的胶料还必须涂刷胶粘剂之后才能进行粘接。一般天然胶料的自粘性较好，易于成型加工，合成胶料尤其是非极性的合成胶料自粘性较差，粘接比较困难，必须经过适当的改性，如在分子链中引入树脂或在胶扔中添加极性树脂才能改善其粘接性能。两种不同的胶料之间粘接时，若二者间的极性或不饱和程度相差较大，为保证粘接效果，在制品胶料粘贴成型时，一殷要采用过
32、渡性的中间胶层。如未硫化的丁基胶与天然料粘贴时，可以采用氯化丁基胶勺氯丁肢并用体系胶料作过渡胶层。该配方过渡层彼料硫化150后，丁基胶与天然胶粘接的剥离强度可达180220N25CM。未硫化的三元乙丙胶与天然胶胶料之间的粘接、过渡胶层。二未硫化胶与硫化胶之间的粘接这项粘接技术多用于轮胎翻修、胶囊修补和某些橡胶制品的制造。粘按时，首先对硫化胶的表面进行处理，如机械汀磨、化学处理，然后用溶剂摈洗。干燥后涂刷胶粘剂，乾贴末硫化胶片加热硫化，达到粘接的目的。胶粘剂要根据被粘硫化胶与末硫化胶的胶种和性能进行配制。三硫化胶之间的抬接硫化胶之间的粘接，比末硫化胶的粘接要困难得多，因为交联后的橡胶分子链难以扩
33、散、渗透，大大减少了界面分子间的接触机会，而且由于硫化后橡胶分子链上的活性宫能团减少了，界面分子问产生进一步化学结合的机会也减少了。另外胶料配方中的增塑剂等某些成分容易迁移析出到表面，也会影响界面分子间的良好接触。这些因素都不利于粘接界面过渡层的形成，从而影响粘接。硫化胶在粘接之前必须对其表面进行机械打磨或化学处理，使其表面清洁、新鲜或改性之后再选用合适的胶粘剂。参考橡胶的粘结方法，本次设计选用在各部件未硫化之前进行粘结。173圆柱橡胶气垫和连接件的强度验算以及有限元分析31连接件强度验算圆柱橡胶气垫在工作时的受力为拉力。根据前面的设计，在船舶碰撞时，受拉的气垫需能承受1MN的拉力。因为气垫每
34、一边都由14根螺栓连接，每一根螺栓的受力为NNFF7150014/1014/61螺栓危险截面的拉伸应力MPADF101030250/71500250/221设计中选用的螺栓是M30，性能等级为88。屈服极限640SAMP，取安全系数为15，则其许用拉应力为所以有拉伸应力满足要求。图31螺栓内部应力AASMPMPS74265164018图32螺栓位移通过ANSYS软件做的有限元分析，螺栓在71500N拉力作用下，内部应力均匀，无明显受力集中，位移量也极小，符合设计要求。32圆柱橡胶气垫受拉力根据第二章中的结构设计，圆柱橡胶气垫用优等锦纶浸胶帘子布（尼龙）作为骨架材料,尼龙层厚度设计为8MM。查阅
35、资料可知，现有的尼龙材料抗拉强度为5083MN/2M，弹性模量为00283MPA510，泊松比为04。分析圆柱气垫的结构，设计的承受拉力为MNF1，主要的受拉结构为气垫内部的十字肋板。在伸长量较低的情况下，十字肋板中的尼龙材料承受着大部分的拉力。在本次设计中，拉力作用下的强度计算主要分析尼龙材料，取安全系数为15,尼龙抗拉强度50MN/2M十字肋板可承受的极限拉力FFMNMMN4200806/1050226有FF,所以在工作拉力作用下，气垫可以安全使用。1933圆柱橡胶气垫结构受压设计气垫充气压强为015MPA在碰撞时承受的压力为MNF1橡胶的综合拉伸强度为MPA201，弹性模量为784MPA
36、，泊松比为047尼龙抗拉强度为MPA502。由于21，在受压情况下，因此本次设计只验算橡胶强度，取安全因素为15。连接橡胶与圆柱气垫的接触面积S约为482M当两边作用MN1的压力时，气垫压强变为331原始压强作用下平常状态下，圆柱橡胶气垫内压强为015MPA,此时气垫壁承受主要的作用力，气垫壁厚T50MM，圆柱内半径R055M。气垫壁X方向的应力为MPAMMPATPRX651050550101506气垫壁Y方向的应力为MPAMMPATPRY825005025501015026橡胶的许用拉伸强度MPAMPA3135120511有X，Y，所以在原始压强作用下，橡胶内拉应力在其拉伸强度内，可以安全使
37、用。332工作压强下在工作状态下，圆柱橡胶气垫内压强为0208MPA气垫壁X方向的应力为MPAMMPATPRX2920505501020806气垫壁Y方向的应力为MPAMMPATPRY151050255010208026MPASFP20808410620有X，Y，所以在工作压强作用下，橡胶内拉应力在其拉伸强度内，可以安全使用。34圆柱气垫受拉时的有限元分析341建立模型并划分网格在ANSYS软件中建立起圆柱橡胶气垫的模型，尺寸与设计尺寸一致。由于工作时端盖部分起到了增加整体强度的作用，若去掉端盖的结构强度满足要求则原有结构必然满足设计要求。因此，为了简化模型，将两边端盖省去，同时将螺栓孔也略去
38、，如图33图33建模设置材料属性，如下表31杨氏模量/MPA泊松比屈服应力/MPA6904720划分网格，如图3421图34网格划分342加载拉力设计工作拉力为1MN，均匀地加载在连接面上，力F的方向如图35图35加载拉力22343结果后处理在定义了材料属性、网格划分、施加载荷以及边界条件以后进行有限元求解，其计算结果通过节点等效应力、节点结构总变形等值线图加以直观反映机架的应力以及位移的分布情况。在建模时采用与原结构几何形状及尺寸一致的实体建模，使得模型的刚度不会发生大的变化。在选择单元时选择了语气结构相适应的四面体单元，确保了有限模型处理的精度。由机架的结构及载荷的作用位置，通过ANSYS
39、后处理后可以得出以下结果一，位移变形在1MPA的拉力载荷作用下，圆柱气垫发生明显的挠性弯曲，变形范围在0MM30333MM之间。最大挠性弯曲部位发生气垫连接座与钢围的连接处，其中最大偏移量DMX30333MM,SMX30333MM。总体变形结果如图36。从变形区域与结构与结构特点的关系来看，主要变形集中在左右两侧的连接部件上。图36受拉变形二、内部应力23图37受拉应力图从节点等效应力分布云图（图37）载荷产生的应力只要集中在圆柱气垫外壁与连接座的结合处附近，应力在279817148E8之间。最大等效应力水平约为148MPA。在外壁与连接座的结合处附近，等效应力下降的梯度明显变大，表明该处应力
40、集中较明显，易于发生失效。表32在受拉力作用下的应力和变形最大应力最大应力区域最大变形最大变形区域148MPA外壁与连接座结合处30333MM连接座边缘35圆柱气垫受压时的有限元分析351建立模型并划分网格与受拉力时一致，不再重复说明。352加载压力设计工作压力为1MN，均匀地加载在连接座与外壁接触面上，力F的方向如图3824图38加载压力353结果后处理一、位移变形25图39受压变形在1MPA的压力载荷作用下，圆柱气垫发生较小变形，变形范围在0MM83631MM之间。最大挠性弯曲部位发生气垫与钢围的，其中最大偏移量DMX83631MM,SMX83631MM。总体变形结果如图39。从变形区域与
41、结构与结构特点的关系来看，主要变形集中在左右两侧的连接座上。二、内部应力26图310受压应力图从节点等效应力分布云图（图310）载荷产生的应力只要集中在圆柱气垫外壁和十字肋板上，应力在2039490515E7之间。最大等效应力水平约为515MPA。在外壁与十字肋板附近，等效应力下降的梯度明显变大，表明该处应力集中较明显，易于发生失效。表33受压力作用时的应力和变形最大应力最大应力区域最大变形最大变形区域515MPA十字肋板83631MM连接座36结构优化通过分析ANSYS模拟得到的结果，本文设计的圆柱密封橡胶气垫符合设计要求，在工作状态下各项强度均小于材料的极限强度。但是在受压工作状态下，十字
42、肋板处的应力要高于其它部位，有明显的应力集中，见图310。而本文设计的圆柱橡胶气垫主要承受的力为压力，因此根据分析结果，将现有的十字肋板进行优化设计，主要旨在减小肋板在受压时的应力集中，优化后的肋板如图311所示27图311优化设计后的十字肋板图312优化后的总体结构通过理论计算，本文设计的圆柱密封橡胶气垫符合设计要求，在工作状态下各项强度均小于材料的极限强度。ANSYS模拟得到的结构变形和内部应力也均在材料的承受范围内。因此，该圆柱密封橡胶气垫设计基本可以在工程实际中应用。284基于圆柱橡胶密封气垫双箱体结构防撞装置的实际应用设计41防撞装置用途本装置是安装在象山港公路大桥过渡墩的承台部位，
43、为了桥梁安全使用的一种防撞设施。过渡墩设防标准5万吨货船，航速每秒09米；和3000吨货船，航速每秒33米。本装置将在设防条件下，使得桥墩承台所承受的船撞击力降低到桥墩允许的范围内28。42象山港公路大桥概况象山港大桥长67公里，主桥采用主跨为688米的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，按通航5万吨级散货船设计29。大桥桥型如下图所示，图41大桥设计的抗船舶撞击力标准如下表位置主墩辅助墩过渡墩横桥向抗撞力（MN）9843232229大桥设计的最高通航水位为464，最底通航水位为288。桥墩承台的封底的底面高程为20。43防撞装置的工作原理及结构特征431防撞装置的特点本设计中防撞装置的特点为柔性、耗能。
44、即船撞到装置时，作用到装置上的力，通过一个由柔性元件构成的装置经耗能后使桥墩实际所受到的力小于装置所受到的力；当桥墩实际所受到的力小于所能承受的力时，桥便得到了保护。另一方面当船撞上桥墩时，不但使桥不坏，也使船不会有大的损坏，从而最大可能地防止船舱内燃油、货油或化学物品等的外泄，以保护水质。432防撞装置的结构型式该防撞设施结构型式是浮式，即防撞装置随潮位的涨落而浮动。过渡墩的柔性防撞装置装由防撞外钢围、内钢围（内浮箱）和圆柱密封气垫构成。外钢围、内钢围（内浮箱）是水密性箱体结构，水线位于柔性防撞装置的高程中部。外钢围和内格栅以及内钢围（内浮箱）都是圈形的围着桥墩承台的钢结构，内格栅（内浮箱）
45、靠里，外钢围靠外，其间安装有上百个圆柱密封气垫。外钢围沿航向是一个梭形的钢构架，其沿航向夹角为75，为直接承受外来撞击力的设施。船舶撞上外钢围后，具有一定钢性的外钢围能带动所有的圆柱密封气垫变形，外钢围往后退，船头滑动并被拨动，延长了低撞击力下的撞击时间，降低了撞击力，通过内钢围传递到桥墩承台的撞击力便会小于承台设计承受力，达到防撞的目的。为了限制因波浪作用而导致的内外钢围间的相对上下运动，在内、外钢围之间设计钢绳和压板，钢丝绳限制外钢围相对内钢围向下运动，而压板阻止因波浪作用而导致的外钢围相对内钢围向上运动，使得内外钢围在同一水平线上。目的是减少圆柱密封气垫的剪切变形，延长使用寿命。同时，还
46、兼有防台风的保护功能。44防撞装置结构本设计是依据承台施工套箱的尺寸设计的，主墩承台施工套箱的宽度（承台施工套箱外缘与承台间距）150米，辅助墩和过渡墩承台施工套箱的宽度（承台施工套箱外缘与承台间距）120米。如果实际承台施工套箱尺寸有所改变，防撞装置结构的尺寸要作相应调整。30过渡墩墩装置外轮廓主要尺度总长614M总宽330M高度40M图42441内钢围（内浮箱）内钢围为等截面圈形钢箱（水密）结构，内钢围是一个全焊整体（和两水密箱间可用螺栓连接，见设计图）。其一边（外侧）与防撞圈相连，另一边（内侧）套着承台外侧可随潮位上下自由滑动。在内钢围的里侧，装有摩擦系数非常小的减摩板，以利于其在承台外
47、边随潮位上下自由滑动。内钢围的甲板上有数十块压板与外钢围相联系，压板压着摩擦系数非常小的减摩板，当外钢围受波浪冲击时，减摩板能使外钢围保持适合使用的位置。442外钢围外钢围为等截面圈形钢箱多舱水密结构，外钢围是两个全焊整体（两水密箱间可用螺栓连接，见设计图）。外钢围是防撞装置与来撞船舶接触的部分，位于防撞装置的外部前后有75尖角，尖角端为圆弧，整个外表光顺。这部分结构较强，确保与船头相遇后能使船头滑开。31外钢围上部的斜度采用船头外倾斜度的中值，以更适应多数来撞的船舶，外钢围受到船舶撞击时能有效地传递和散播船舶的撞击力，并带动防撞装置中的的防撞圈变形吸能，同时外钢围往后退，船头滑动并被外钢围产
48、生的反力所拨动，延长撞击时间降低撞击力，达到防撞目的。443立柱和拉索外钢围甲板面外舷边处布置22根立柱，过渡墩的立柱顶端伸出一悬臂梁用于悬挂内钢围。减少外钢围和内钢围之间由于海浪所引起漂移，拉索用索具螺旋扣施加初张力。444舾装件过渡墩设置56套人孔盖和相应的直梯，方便对防撞装置的舱室检查和维护。（具体见设计图纸）445防腐涂装防撞装置钢结构内，外表面涂装防腐寿命不小于20年。正常使用条件下防撞设施设计寿命大于30年。采用特别的防腐措施和养护措施后，可进一步延长套箱使用寿命446减摩材料减摩材料应具有优异的自润滑性、低的摩擦系数、高承压力、好的抗冲击性、耐磨损。用于本工程内钢围顶板与外钢围的
49、接触处起减摩作用。材料性能特点耐冲击，耐磨损，耐化学腐蚀，自润滑，老化寿命长，摩擦系数低等特点。减摩高分子材料要可用于海水环境的，老化寿命50年。用于施工套箱和防撞装置接触面上的减摩高分子材料压缩强度不小于40MPA,邵氏硬度不小于52,冲击强度不小于90MPA,摩擦系数不大于006,磨损率不大于3X107MG/NM,吸水率不大于003,线涨系数不大于9X105/C。用于内钢构挂架和中浮箱平面接触部位，以及压板与中钢围平面接触部位上的减摩高分子材料压缩强度不小于120MPA,邵氏硬度不小于62,冲击强度不小于120MPA,摩擦系数不大于012,磨损率不大于83X107MG/NM,吸水率不大于06,线涨系数不大于87X105/C。45防撞装置的维修保养451内、外钢围的长期防腐设计采用防腐涂层的长期防护体系如下表，安装完毕应对连接部位进行防腐补涂30。防撞装置防腐设计32部位工序标准道数干膜厚度年限20年水密箱内表面表面处理喷砂除锈SA25级底漆环氧富锌漆1道70中间漆环氧中间漆2道240面漆环氧面漆2道100小计5道
