气垫船柔性围裙在泄流条件下的成形与砰击响应特性研究

本研究针对气垫船(ACV)柔性围裙在实际泄流工况下的动态响应模拟不足问题，提出基于气动平衡方程的流固耦合模型。通过建立主气囊与气垫腔的连通气体腔室，集成连续充气和腔间气体交换机制，首次实现了泄流状态下围裙成形过程的精确模拟。结合瞬态波浪砰击载荷分析，揭示了关键参数对腔室压力演变和应力分布的影响规律，为ACV柔性围裙的优化设计提供了理论依据。

　　

气垫船(ACV)作为高性能水面运载工具，其柔性围裙的动力学特性直接决定航行稳定性和环境适应性。然而现有研究存在三大瓶颈：传统二维模型难以反映三维结构的复杂性；封闭腔室假设忽略实际泄流效应；均匀压力法无法捕捉动态成形过程。这些局限导致数值模拟与工程实际存在显著偏差。

中国船舶科学研究中心的研究团队在《Ocean Engineering》发表创新成果，通过建立包含主气囊、D型气囊和气垫腔的连通气室系统，引入质量流量输入(Q_c)和孔口泄流系数(C_j)等关键参数，构建了基于气动平衡方程的多腔室流固耦合模型。研究采用控制体积法(CV)模拟气体交换过程，结合瞬态砰击载荷分析，系统考察了7类设计参数对围裙动态响应的影响。

主要技术方法

1. 建立三维非线性膜单元模型模拟围裙结构
2. 采用罚函数法处理组件间接触行为
3. 定义连通气室的气体交换方程：P_b=P_c+1/2ρ₀(Q_c/C_jS_j)²
4. 设置12个关键测量点监测应力分布

研究结果

Inflator mass flow rate
当充气质量流量从0.5kg/s增至2.5kg/s时，外气囊稳定压力提升58.3%，但应力峰值增长非线性，在2.0kg/s后出现明显拐点。

Slamming phase parameter sensitivity analysis
D型气囊孔口长度增加20%可使砰击时的最大主应力降低12.7%，证实结构调整能有效改善应力集中。

Conclusion
该模型首次实现了泄流条件下围裙动态响应的精确模拟，揭示充气速率与孔口参数的耦合效应：当充气流量>2.0kg/s时，增大指端泄流面积(S_j)可使应力峰值降低19.3%。研究为ACV围裙的耐撞性设计提供了量化依据，推动从"经验设计"向"预测设计"的范式转变。

讨论
相比Russell和Tibert(2008)的封闭腔室模型，本研究引入的气体交换机制更符合ACV实际工况。Yuchao Yuan团队发现三维效应使应力分布较二维模型差异达22.4%，印证了全尺寸建模的必要性。未来可结合机器学习优化孔口参数组合，进一步提升设计效率。