刚柔组合式充气膜结构浮桥模块的弯曲行为研究与等效刚度预测模型构建

推荐：本研究针对充气式浮桥模块承载特性预测难题，开发了考虑气膜耦合效应的数值模型，通过实验验证揭示了结构从线性变形到局部屈曲的失效机理。研究发现甲板厚度、高度及内压可显著提升承载力，建立的等效刚度预测模型误差仅0.594%，为轻量化浮桥设计提供了理论支撑。

　　

在灾害救援和临时交通建设中，便携式浮桥是恢复关键物资运输的生命线。传统钢桁架结构自重大、部署效率低，而横向排列气囊的充气浮桥又存在承载力不足的缺陷。为此，研究人员提出纵向排列气囊的刚性-柔性组合浮桥模块（RFCP），但其复杂的非线性行为和缺乏精准预测模型制约了工程应用。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Ocean Engineering》发表了突破性研究。通过开发融合流体腔法的气膜耦合数值模型，系统分析了RFCP模块的弯曲特性。研究发现：结构在载荷下呈现线性变形-软化-局部屈曲的典型响应；甲板厚度每增加0.1mm可使刚度提升15%，而内压超过90kPa后增强效果递减；提出的等效刚度预测模型误差仅0.594%。该成果为充气浮桥的优化设计提供了关键理论工具。

关键技术包括：1）基于ABAQUS显式动力学构建4节点流体体积单元模型；2）采用正交各向异性模型（E₁₂=1019MPa, E₂₁=232MPa）描述编织膜材；3）通过响应面法（RSM）建立三参数（甲板厚度t、高度H、内压p）预测方程。

【数值模型验证】
实验与仿真对比显示，30-70kPa内压下的载荷-变形曲线吻合良好（平均误差2.11%）。典型失效表现为甲板加载点凹陷（图5），验证了模型捕捉局部屈曲的能力。

【弯曲行为分析】
模块呈现三阶段变形：初始线性（OA段）、塑性软化（AB段）和膜-底甲板协同承载（BC段）。当刚度比β=k₂/k₁>0.55时，结构转为渐进式失效（表3）。

【参数影响】
甲板参数（t, H）与刚度呈线性关系，而内压存在最优值（图15）。厚度从0.7mm增至4mm时，失效模式从渐进式转为同步失效（图13）。

【预测模型】
精简立方模型（RC）保留9项显著参数（p<0.01），其预测R²达0.9972。公式(2)显示，tH交叉项系数15.54反映几何参数协同效应，而p³项(-0.00107)表征高压区收益递减。

该研究首次量化了刚度比β对失效模式的调控规律，建立的预测模型将传统数值仿真效率提升两个数量级。未来结合流固耦合分析，可进一步拓展至波浪载荷等复杂工况，为海洋应急设施设计开辟新路径。