分析模型与柔性防撞气囊的缓冲性能

《Ocean Engineering》：Analytical model and cushioning performance of flexible anti-collision airbag

船舶与桥梁碰撞防护中多层柔性气垫非线性力学响应分析。提出基于改进大变形假设的分析模型，整合能量法预测端面变形与初始充气行为，假设气体等温过程，模型与实验及数值模拟吻合。系统研究初始压力、材料厚度和体积对缓冲性能的影响，为气垫设计优化提供理论支撑。

　　随着全球航运业的快速发展，船舶与桥梁碰撞事故的发生频率和严重程度不断上升，对桥梁结构安全构成了重大威胁。这类碰撞不仅可能导致桥墩的剪切和弯曲破坏，甚至可能引发整体结构的坍塌，造成人员伤亡、经济损失以及环境影响。尽管已有一些全面的法规和标准被实施以降低这些风险，但由于海上航行的不可预测性，完全避免碰撞仍存在困难。因此，开发和优化具有高能量吸收能力的防撞措施对于桥梁结构保护至关重要。

在实际工程中，防撞技术通常被分为两类：主动防撞系统和被动防撞装置。主动系统依赖于预警机制，能够提前识别潜在的碰撞风险，从而采取措施避免碰撞发生。然而，主动系统在实际应用中面临诸多挑战，例如预测精度不足以及实施复杂性较高，导致其难以广泛应用。相比之下，被动防撞装置则专注于在碰撞发生时吸收冲击能量，以减少对结构的破坏。目前，被动防撞技术包括人工岛、围堰、防撞桥墩、浮式缓冲装置以及阻尼系统等。虽然人工岛和围堰在保护桥墩方面表现出色，但它们的建设和维护成本较高，影响航道通行，并且对水位变化的适应性较差。刚性防撞装置通过塑性变形来耗散能量，但往往导致船舶严重受损，需要昂贵的维修费用。相比之下，阻尼装置和浮式薄壁缓冲装置则提供了中等程度的保护，并且安装成本较低。然而，这些装置在经历冲击后往往难以修复和重复使用，降低了其经济价值。

因此，当前的首要任务是设计一种既经济又高效的防撞系统，能够在不阻碍航道通行的前提下，同时保护桥梁结构、船舶本身，并减少对环境的影响。在此背景下，柔性引导防撞设施逐渐受到关注。这类设施具有良好的适应性和可调性，能够根据实际需求进行定制化设计。近年来，可充气气囊因其轻质、易折叠、快速充气以及可调刚度等优势，被广泛应用于各种防撞场景，包括汽车安全、航天器软着陆系统以及海洋工程等领域。特别是在船舶与桥梁碰撞防护方面，可充气气囊展现出巨大的潜力。

可充气气囊通常由复合膜材料包裹的气体腔体构成，其结构设计使得气囊在受到冲击时能够通过柔性变形来吸收能量，从而有效降低碰撞力。根据不同的应用场景，气囊可以采用多种几何形状，如圆柱形、球形、立方形和环形等，以及不同的配置方式，如非通气式、通气式和混合式等。这些不同的设计形式使得气囊能够满足特定的抗冲击性能需求，同时实现灵活的部署。此外，气囊的折叠结构使其在不使用时可以节省空间，便于运输和安装，而其快速充气特性则有助于在紧急情况下迅速响应。通过调整材料厚度和气囊体积，还可以进一步优化其缓冲性能，提高整体的防护效果。

为了准确评估气囊的缓冲性能，研究者通常采用理论分析、有限元模拟（FEM）以及实验测试等方法。其中，全尺寸实验能够提供最直接和精确的结果，但由于其成本高昂且耗时较长，通常仅用于验证目的。因此，在初步评估和设计优化阶段，理论分析和数值模拟成为主要手段。在数值模拟方法中，控制体积（CV）方法因其在计算效率和求解精度之间的良好平衡，相较于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法和离散元方法（DEM）具有明显优势。然而，目前大多数理论模型仍基于传统的圆柱形气囊结构，由于其结构简单且易于制造，成为研究的常见对象。这些模型通常采用经典的变形假设，即假设气囊在受到压缩时主要发生截面变化，而忽略了端面变形的影响，导致其预测能力受限。此外，实际的载荷条件往往与理想化的假设存在较大差异，气囊的变形呈现出局部化和非均匀的特性，而现有的理论模型难以准确捕捉这些复杂行为。

因此，为了更精确地预测柔性防撞气囊的变形特性，有必要开发更加先进的理论模型。本文提出了一种基于改进的大变形假设的多层柔性气囊分析模型，以有效表征其非线性缓冲响应。该模型结合了能量方法预测的端面变形以及气囊初始充气行为的分析，以更全面地描述其力学特性。研究还基于实验结果假设气囊内部气体经历等温过程，从而更贴近实际工况。通过将该分析模型与数值模拟和实验数据进行对比，发现其预测结果与实验结果具有良好的一致性，验证了模型的有效性。

在本文的研究中，重点探讨了初始气囊压力、材料厚度以及气囊体积等关键参数对缓冲性能的影响。通过系统地分析这些参数的变化，研究者能够更好地理解其对气囊性能的具体作用，并为气囊的设计和优化提供理论依据。具体而言，研究采用了一种准静态压缩测试方法，以研究单层柔性气囊在局部载荷条件下的非线性变形行为和力学响应。通过比较实验数据与数值模拟结果，进一步验证了所提出的分析模型的准确性。此外，研究还对气囊的全局和局部压缩行为进行了分析，探讨了不同参数对缓冲性能的影响，并评估了气囊在不同初始压力条件下的冲击力、内部压力和体积变化。

本研究的成果不仅提高了对柔性气囊性能的理解，还为实际工程中的防撞系统设计和优化提供了理论支持。通过深入分析气囊的变形机制和能量吸收能力，研究者能够更有效地预测其在不同工况下的表现，并为未来的防撞技术发展提供参考。此外，研究还强调了气囊在海上应用中的重要性，特别是在提高船舶与桥梁碰撞防护能力方面，其轻质、易折叠、快速充气以及可调刚度等特性，使其成为一种理想的防撞装置。随着对气囊性能研究的不断深入，未来有望进一步优化其结构设计，提高其在不同环境条件下的适应性，并推动其在更多领域的应用。

本研究的成果将为防撞技术的发展提供新的思路和方法，特别是在提高结构安全性的同时，降低经济成本和环境影响方面具有重要意义。通过结合实验、理论分析和数值模拟，研究者能够更全面地理解气囊的性能，并为实际工程中的应用提供可靠的理论依据。此外，研究还强调了多层结构设计的优势，通过合理配置气囊的层数和厚度，可以进一步提高其缓冲能力和能量吸收效率。这些研究结果不仅有助于提升船舶与桥梁碰撞防护技术的水平，也为未来相关领域的研究提供了重要的参考价值。