气囊的强度取决于材料、结构和工艺三个要素,以下从安全角度来分别加以讨论。
7.1 材料
主要是橡胶和帘线。橡胶是基础材料,采用品质好的橡胶可以提高与帘线的粘接强度,提高耐磨性和抗老化能力,提高使用寿命。
帘线是一种加强材料。过去曾使用过棉帆布做骨架材料,被证明是不理想的。目前使用的帘线布类似于汽车轮胎中的加强纤维,其经向线密度高,纬向线密度低,所以是一种单向承力材料。由于强度计算时,假定基体橡胶不承担强度,所以气囊的强度主要取决于帘线在经向的强度。过去使用的帘线,其断裂强力为205.8N/根,目前使用的帘线,其断裂强力已提高到274.4N/根。采用高强力的帘线使气囊的强度提高了33.3%。
7.2 结构
主要是指帘线的布线方向。对于多层结构来说,气囊囊壁强度的各向均衡性非常重要。根据我们的研究,气囊在不同的工作高度下,其主应力方向也不同,因此任何一个方向的强度增加都无济于事。气囊的工作高度不能一成不变,当主应力方向与帘线布线方向不一致时,布线薄弱的方向就决定了气囊的承载强度。根据这一原则,多层帘线的分布应尽量做到各向强度的均衡性。
7.3 工艺
同样的材料和结构,由于气囊制作工艺不同,其强度的相差也很大。济南昌林气囊容器厂从生产第一代气囊改进到第二代气囊,强度提高了50%。其中因帘线强度的提高产生的贡献率仅占2/3,还有1/3是靠工艺技术的改进得到的,称为科技进步贡献率。
早期生产的橡胶气囊,由于没有解决整体环绕的技术难题,只能分成几段来制作,然后通过二次胶接工艺形成一个整体。这样制作的气囊,在二次胶接的部位,帘线不能连续,强度受到影响。这种工艺制作的气囊,只适用于承载力要求不高的场合。目前仍有相当数量的气囊生产厂使用分段胶接工艺来生产气囊,这样的气囊应用于大型船舶上下水是很危险的。
7.4 强度
综合起来说,气囊的囊壁属于纤维增强的橡胶复合结构,属于弹塑性材料的范畴,其强度受人工操作技能的影响较大,存在着一定的不确定性。目前最好的强度测定手段是进行爆破试验。
在强度理论的研究方面,虽然我们做过一些工作,譬如气囊的压缩性能测试(图10)揭示了气囊在压缩过程中内压变化的规律,但毕竟还很有限,存在着理论研究方面的许多空白。
近几年来,在材料力学和结构力学领域,应用有限元分析来研究结构强度已很普及。上海704研究所曾对橡胶气胎式刹车装置做过有限元分析,研究其结构的合理性。气胎式刹车装置的结构与气囊囊壁的结构十分相似,因此可以应用相似的方法来研究气囊结构的合理性和强度理论。山东大学工程力学测试中心拥有这方面的技术和人才,过去我们和他们进行过气囊力学性能测试方面的研究合作,今后可以开展气囊强度理论有限元分析方面的研究合作。