船舶智能防撞氣囊設(shè)計(jì)研究

楊志堅(jiān) 王 彬 向 萌 葉加林 唐詩(shī)雨

船舶智能防撞氣囊設(shè)計(jì)研究

楊志堅(jiān) 王 彬 向 萌 葉加林 唐詩(shī)雨

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

針對(duì)船舶碰撞造成物資、人員的損失及原油泄露污染環(huán)境等問(wèn)題，我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)新型船舶智能防撞裝置。該裝置引入智能控制理念，通過(guò)傳感器與控制信號(hào)完成分布于船體舷側(cè)和船體艏艉處的安全氣囊充氣，以緩沖船舶碰撞造成的巨大沖擊力，減少船舶結(jié)構(gòu)性的破壞；同時(shí)，增大船舶的抗沉能力，氣囊打開(kāi)后可提供部分浮力，大幅增加船舶碰撞后的施救時(shí)間。

船舶防撞；智能控制；安全氣囊

1 研制背景及意義

1.1 研制背景

船舶交通作為目前全球最重要的交通運(yùn)輸方式之一，其在拉動(dòng)各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，改善了國(guó)民生活質(zhì)量，然而，船舶交通事故也屢見(jiàn)不鮮。根據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社對(duì)船舶交通事故的統(tǒng)計(jì)可知，全球范圍內(nèi)船舶碰撞事故的發(fā)生率每年均占海上交通事故的10%以上［1］。因此，減小碰撞事故所帶來(lái)的危害勢(shì)在必行。

1.2 研制意義

船舶是一個(gè)復(fù)雜的水上工程建筑物，保證其安全性尤為重要。目前，船舶普遍充當(dāng)運(yùn)輸原油、雜貨、人員的一種交通工具，一旦發(fā)生事故，人員、財(cái)物將會(huì)受到重大損失。在此前提下，我們團(tuán)隊(duì)提出了船舶安全氣囊的理念，在船舶的吃水線以上設(shè)計(jì)安裝船舶安全氣囊，以緩沖船舶碰撞造成的巨大沖擊力，減少船舶結(jié)構(gòu)性破壞，同時(shí)也可以增大船舶的抗沉能力以增加船舶的搶救時(shí)間［2］。這能從根本上解決船舶在航行中遇到的突發(fā)問(wèn)題，提高航行時(shí)的安全系數(shù)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原理

從多年來(lái)的船舶碰撞事故統(tǒng)計(jì)來(lái)看，船體舷側(cè)與船艏這兩部分是船舶發(fā)生碰撞的主要部位，而船艏、舷側(cè)之間的橫向范圍內(nèi)往往又是船舶比較薄弱的部分。因此，本設(shè)計(jì)考慮到既然不能增減少船舶相撞的可能性，可以減少船舶因相撞后產(chǎn)生巨大沖擊力對(duì)船體本身造成的影響［3］。在事故發(fā)生時(shí)，安裝在船體舷側(cè)和艏部的安全氣囊在碰撞傳感器預(yù)警安全氣囊電腦系統(tǒng)控制下迅速?gòu)棾觯耆采w在船舶吃水線上方且快速完成充氣，在船舶觸礁或者是相撞之前做好安全防護(hù)措施，以減少船舶受到的損害。

2.2 防撞氣囊的組成與預(yù)警系統(tǒng)

船舶安全氣囊主要由傳感器、微處理器、氣體發(fā)生裝置氣囊儲(chǔ)存管道和滑槽組成。船舶安全氣囊在預(yù)警、防護(hù)方面的主要設(shè)計(jì)思路就是如何準(zhǔn)確地提前預(yù)警，合理打開(kāi)氣囊。預(yù)警系統(tǒng)主要采用GPS技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、因特網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)、預(yù)報(bào)控制技術(shù)等進(jìn)行事故預(yù)警，以避免船舶撞擊的突發(fā)性。

根據(jù)目前內(nèi)河航區(qū)的通航船型的分析結(jié)果，我們采用兩艘5 000t級(jí)的集裝箱船進(jìn)行試驗(yàn)。碰撞實(shí)驗(yàn)船型參數(shù)如表1所示。

表1 碰撞實(shí)驗(yàn)船型參數(shù)表

設(shè)計(jì)的A船以3.7m/s的速度船艏垂直撞擊靜止的B船舷側(cè)。計(jì)算采用雙坐標(biāo)系，(xc,iyc)為船舶碰撞點(diǎn)的坐標(biāo)，α為初始碰撞角度。如圖1所示：

圖1 撞擊示意圖

假設(shè)碰撞船為剛體，其動(dòng)量方程為：

其中，Ma為碰撞船的質(zhì)量;分別為碰撞船在xc方向、y方向和旋轉(zhuǎn)方向的加速度；max、may、ja分別為附水質(zhì)量在浮動(dòng)、搖擺、旋轉(zhuǎn)3個(gè)分量的質(zhì)量系數(shù)；Ra為碰撞船只質(zhì)量慣量繞重心旋轉(zhuǎn)半徑。

圖2給出的船舶與船舶、船舶與氣囊相撞時(shí)的受力與時(shí)間歷程曲線。從圖2可以看出：5 000t級(jí)船造成的撞擊力最大為37MN，在安裝氣囊之后，最大力下降到了25.7%，起到了較好的防撞效果，同時(shí)也減少了船舶損傷。因此氣囊起到了很好的保護(hù)效果。

圖2 碰撞力時(shí)間歷程曲線

從圖3可以看出，1.5s時(shí)碰撞船舶變形吸收能量21MJ，船舶氣囊裝置吸收能量27MJ，而且在碰撞過(guò)程中，氣囊吸量始終大于船舶變形吸能。由此可以看出，安裝安全氣囊防撞裝置能吸收主要的碰撞動(dòng)能，大大減輕船舶的變形損傷。

圖3 碰撞吸能曲線（1-船舶，2-氣囊）

3 創(chuàng)新特色

①該裝置大大提高了船舶航行的安全系數(shù)，填補(bǔ)了此項(xiàng)技術(shù)的空白，為船舶的安全航行奠定了基礎(chǔ)。

②智能控制使該裝置具有快速性和應(yīng)急性，加之預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了船舶航行的安全系數(shù)。

③創(chuàng)新設(shè)計(jì)多層氣囊和新型充氣共晶體，更加適用船舶大型安全設(shè)備需求。

④如遇毀滅性沖擊，安全氣囊可以減緩沉船時(shí)間，為救援爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。

［1］王建平.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［2］劉希恭.國(guó)產(chǎn)汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)故障檢修實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］王自力，顧永寧.船舶碰撞數(shù)值仿真的一種組合模型［J］.華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（6）：1-6.

Design of Intelligent Collision Avoidance Airbag for Ships

Yang Zhijian Wang Bin Xiang Meng Ye Jialin Tang Shiyu
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074）

In view of the material and personnel losses caused by ship collision,as well as the leakage of crude oil and the pollution of the environment,we design and design a new type of intelligent collision avoidance device for ships.The device introduced intelligent control idea,through the sensor and control signals to complete the inflatable airbags distribution on the hull side and hull at the bow and stern,the huge impact to the buffer caused by ship collision force,reduce the damage to the structure;at the same time,the increase of ship anti sinking capability,the airbags can provide some buoyancy,a substantial increase in the ship after the collision of rescue time.

ship collision avoidance；intelligent control；airbag

U667

A

103-5168（2017）09-0123-02

2017-08-01

楊志堅(jiān)（1995-），男，本科，研究方向：船舶復(fù)合材料。