船用气囊力学性能、变形规律及滚动接触动态过程数值模拟研究

船用气囊在船舶下水、码头沉箱搬运等船舶与海洋工程领域的使用愈趋频繁，下水船舶载重吨已达5万。随着所承载结构物的大型化，使用气囊的风险也在增加，气囊的安全应用已成为突出问题。本项目研究通过对船用气囊在典型承载状态下的力学特征，气囊运动过程中的变形状态和可能的破坏机理进行理论研究和数值模拟。建立气囊的本构模型，对气囊材料与充气模式之间的物理特征进行数学描述，基于ALE有限元方法开发接触求解算法，分析典型承载状态下，气囊与承载结构、地面接触滚动时的非线性大变形特征及承压能力的实时变化。建立典型承载状态下气囊的滚动运动方程，分析船舶下水中多气囊与所承载结构物接触及滚动运动过程，对承载结构物的影响。研究在局部冲击载荷作用下充气气囊的变形和局部强度，探究气囊的失效破坏机理。建立气囊强度计算和校核准则，以保证施工的安全性。

船用气囊下水在国内中小船厂普遍应用，下水船舶载重吨不断提高，已达到7万吨。然而，气囊下水的安全性还缺乏理论支撑，使用风险依然存在。本研究的主要成果：1、研究并提出气囊等效非线性弹性系数即刚度方程，进行囊体材料单轴拉伸试验，确定材料系数并建立气囊囊体超弹性本构模型，经过气囊产品实测数据检验。2、考虑下水过程中承压气囊囊体的材料和几何变形的非线性特征，研究了气囊运动过程及摩擦系数，对下水气囊的布置进行了优化。3、根据弹性力学理论，将船体作为弹性梁，建立气囊下水计算程序，耦合承压气囊的刚度方程，迭代得到最终稳定状态，通过计算获得整船下水过程的静动态参数变化，以五万吨级船舶为算例，验证程序。4、建立五万吨级船舶三维CAD模型及有限元模型，编制下水计算程序计算出典型工况和载荷，研究气囊和船体之间的应力影响。5、从囊体材料特性出发，建立气囊安全极限衡准方程，相关方法已申请发明专利。