2. 2 气囊滚动阻力的计算
气囊滚动阻力的计算正确与否,主要影响船舶
下水速度、加速度以及钢丝绳牵引力的计算。气囊
滚动阻力的计算从气囊下水实施以来一直颇受关
注,一些文章对此作过专门讨论,但目前尚无法给出
一个较为理想的计算方法。
对气囊滚动阻力的认识有一个过程。一开始把
气囊下水的阻力看成是摩擦阻力,想通过船首牵引
力的测量得到一个类似于滑道摩擦阻力系数的公
式,这一努力取得了一些成果,至少对船首钢丝绳牵
引力的计算提供了依据。但由于对气囊滚动阻力产
生的机理认识不足,这样的公式在理论上存在一些
缺陷。
李明忠[ 7 ]在“500 t沿海集装箱船气囊下水摩擦
力的分析计算”一文中认为气囊的滚动摩擦力相当
于滚动时消耗功与复原功之差,可用圆柱所做的功
Φ1与弹性滞后系数Ar 的乘积来表示。而圆柱所做
的功又用刚性圆柱体沿弹性基础滚动时的力矩来模
拟,这显然与气囊滚动的条件和机理不符。正如作
者在文中描述的那样:船舶采用气囊下水时,气囊为
弹性柱体,地面和船底平面可近似刚体。因此地面
和船底不会产生弹塑性变形,与刚性圆柱体嵌入弹
性基础滚动时产生摩擦的机理截然不同。该文导出
的滚动摩擦系数:
f = 0. 056 b /R (3)
式中 f———滚动摩擦系数;
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2009年6月
第3期
船 舶
SH IP & BOAT
June, 2009
NO. 3
b———气囊接触面积的半宽;
R ———气囊的半径。
对于这个系数的正确性,作者没有给出测试资
料加以佐证。但文中提到,在坡度为5%时,计算的
摩擦力大于船舶下滑力,这有点出乎意料,因为根据
我们现有的实践经验,坡度为5%时,船在气囊垫上
是能依靠重力下滑的。
陈邦杆等[ 8 ]在“船舶纵向气囊下水气囊滚动阻
力分析”一文中,认为气囊滚动阻力的主要来源是
滚动摩擦阻力,包括微观滑动、粘弹性滞后、塑性变
形与粘着效应;并认为气囊的滚动机理与充气轮胎
的滚动有相似之处。因此可借用其机理,分析上述
4种滚动阻力。在分析中,认为气囊在工作高度下
对船台板和船体的压力分布是呈梯形的,分布状况
可按Sakai提出的压力分布规律表示。接触长度越
长, n取值越大,压力越趋向梯形分布。由于没有给
出影响滚动摩擦阻力各参数的取值范围和实船算
例,所以还很难判断其实际应用的可行性。不过,把
船用气囊的滚动机理用充气轮胎的滚动机理来相似
似乎不妥。因为像汽车轮胎那样的充气轮胎,其结
构特征限制了轮胎的充分变形机能,它是依靠克服
地面的摩擦阻力前进的,与船底下气囊的滚动机理
不能等同。另外,该文作者认为气囊在工作高度下
对船台板和船体的压力分布是呈梯形的,这一点好
像也没有什么根据。因为气囊内压对囊壁各处的压
力分布是均匀的,它传递给船台板或船底板的压力
也应当是均匀的。不可能呈梯形分布。
根据我们对气囊滚动机理的认识,如图2所示。
图2 气囊滚动机理示意图
船体运动需要克服的阻力有二种,一种是气囊与船
底或地面的摩擦力;另一种是气囊变形的阻力,即滚
动阻力。当摩擦阻力小于滚动阻力时,船底与气囊
之间或气囊与地面之间可以产生滑移,气囊的形态
不发生改变;当摩擦阻力足够大,船底与气囊之间或
气囊与地面之间不产生相对移动,而是依靠气囊的
变形使船体向下行进,这是气囊滚动下水的基本方
式。船体下移力所做的功主要被气囊的变形能所吸
收。那么气囊变形能的消耗应当与气囊参数相关,
如气囊的数量、内压力、工作高度、囊壁的厚度或弯
曲变形的抗力都对气囊滚动阻力有影响。一些试验
表明,地面的性质(砂地、草地、水泥地)对气囊滚动
阻力也有影响。由于做过的模拟实验有限,气
