拱形压缩橡胶护弦装置的结构设计与性能优化研究

近年来，材料科学和工程力学相互交叉和融合，给橡胶护弦技术革新带来新的动力。拱形结构以其优良的承载能力和能量吸收特性在防护装置的设计上逐渐脱颖而出。但目前拱形压缩橡胶护弦装置结构参数、材料特性和工作性能之间耦合关系还不够清晰，且缺少系统设计理论和优化方法。因此，深入探讨其结构设计原理和进行性能优化研究，对于促进橡胶护弦技术的发展是非常有意义的。

一、拱形压缩橡胶护弦装置的结构设计

（一）拱形橡胶体

拱形橡胶体为整台设备核心吸能单元。在材料的配方设计中，选择天然橡胶（NR）与合成橡胶的混合体系[1]。其中，天然橡胶展现出卓越的弹性和初始拉伸特性，而合成橡胶，例如丁苯橡胶（SBR），则增强其耐磨和抗撕裂的能力。以常用的港口护弦装置配方为例，天然橡胶占 60% ，丁苯橡胶占 30% ，同时添加 10% 的特种助剂，包括防老剂、硫化剂等，以增强橡胶的耐老化性能和加工性能。它的拱形结构设计中包含着巧妙的力学原理。船舶靠岸形成冲击力后，拱形结构可以把外力转换为橡胶体压缩变形和弯曲变形，并通过橡胶分子链拉伸和回弹来吸能。经过实验验证，与平面橡胶结构相比，采用拱形设计可以将能量吸收效率提高大约 35% 。另外橡胶体表面防滑纹路利用仿生学设计理念模仿章鱼吸盘凹凸结构并通过增大接触面积及摩擦系数来有效阻止船体和护弦装置之间发生相对滑移。纹路的深度被控制在 3-5mm 之间，并且角度以 45°的方式交错排列，这样做不仅确保摩擦力，还避免由于纹路深度过大而导致橡胶体强度降低的问题。

（二）金属骨架

金属骨架就像设备的“骨骼”一样，对橡胶体起到支撑和防护作用。所选高强度钢材要求符合具体力学性能标准，其屈服强度不得小于 420MPa， 抗拉强度可达 550MPa 或更高。加工工艺方面，通过激光切割成型金属骨架，保证与拱形橡胶体贴合的精度误差不超过 。采用热硫化工艺，当金属骨架镶嵌于橡胶体内部后，金属表面提前喷砂，同时涂上特制的橡胶与金属粘接剂后，二者结合强度可达 8kN/m. ， 有效地避免长时间受力时脱粘。

（三）连接部件

连接部件连接在设备和船体或者码头设施之间。螺栓连接方式为 8.8 级高强螺栓，螺栓直径按设备的规格从 M16～M24 范围内选取，并且每根护弦设备上至少有 4 根螺栓固定以保证连接的可靠性。在焊接连接过程中，使用惰性气体保护焊（MIG 焊）技术，确保焊缝的高度不低于 8mm， 并在焊接完成后进行超声波探伤检查，以确保焊接的高质量。同时连接部件采用可调安装孔位设计，孔位间距误差为 ±2mm. ， 便于不同大小船体或者码头结构的快速安装和适配。

具体尺寸设计中，对拱形橡胶护弦装置高，宽和厚进行仔细测算。以常见的港口用护弦装置为例（见表 1），高度一般在 300-500mm 之间，宽度为 200-400mm ， 厚度为 50-100mm 。在确定上述尺寸时，考虑到设备的承载能力，安装空间和对不同船体适配性等因素。

表1 ：拱形压缩橡胶护弦装置常见规格尺寸及适用范围

二、拱形压缩橡胶护弦装置性能优化措施

（一）材料优化

为使拱形压缩橡胶护弦装置性能得到改善，材料优化成为一个重要的突破口。在橡胶的材料结构中，采用三元乙丙橡胶（EPDM）进行改良，这种材料的分子结构中包含非共轭的双键，从而赋予它出色的耐气候、抗臭氧和化学稳定性。通过系统实验（见表 2），当三元乙丙橡胶含量从 10% 提升至 30% 时，橡胶体的拉伸强度从12MPa 提高到 15MPa ， 提升 25% ；经过 70^∘ ° C×168h 的老化试验，橡胶体的性能保持率从 75% 增长到 90% ，这大大提高其在复杂户外环境中的使用寿命 [2]。

表2 ：不同三元乙丙橡胶含量下橡胶体性能数据

将金属骨架材料升级为新型的低合金高强度钢（Q460），其屈服强度比传统钢材提高大约 10% ，达到 460MPa 以上，同时还具有良好的焊接性能和低温韧性。在进行疲劳测试时，使用 Q460 钢材制成的金属框架在经历 10^6 次的循环加载之后，并没有出现明显的裂痕。而与此相反，传统钢材在同样的条件下已经出现明显的疲劳裂纹，这大大减少设备因框架损伤导致的失效风险。

（二）结构参数优化

借助有限元分析软件（如 ANSYS）对拱形橡胶体的弧度进行参数化优化。经过深入研究，发现当拱形的圆心角从 120^∘ °调整到 150°时，该装置在 100kN冲击力作用下的最大应力从 8MPa 下降到 6.8MPa， 同时能量吸收效率也从 65% 增加到 73% ，增长 12% 。同时，将金属骨架的厚度从 8mm 增加至 10mm ， 密度从 7850kg/m3 提升至 8000kg/m3 ， 在保持装置柔韧性的基础上，其抗压刚度提高18% ，有效增强整体结构的抗变形能力 [3]。

在连接部件的设计中，利用拓扑优化算法调整螺栓的分布。通过将传统的矩形布局转变为三角形的交错布局，装置在承受偏心载荷的情况下，螺栓的受力分布变得更为均衡，从而使最大应力下降 22% 。根据装置的受力状况，螺栓的尺寸被分为不同级别进行设计：小型装置选用 M16 螺栓，中型装置选用 M20螺栓，而大型装置则选用 M24 螺栓。此外，对连接部件的表面进行达克罗的涂覆处理，确保涂层的厚度控制在 8-10μm 范围内。经过盐雾实验的验证，该设备的耐腐蚀性可以超过1000h， 这大大增强其在海洋环境中的持久性。

三、结语

在港口工程和船舶工业飞速发展的背景下，拱形压缩橡胶护弦装置性能的提高已成为确保设施安全作业的关键。研究采用多学科交叉融合的方法，实现材料和结构协同优化并揭示其内在性能提升机理。这一系统性的优化策略由微观材料改性向宏观结构设计转变，既为护弦装置的性能改进提供科学依据，也为港口防护装备方面技术的创新开拓新途径，这对于促进产业高质量发展有一定理论价值和现实指导意义。

参考文献：

[1] 赵蒙 ， 熊润东 . 基于英标的橡胶护舷选型优化分析 [J]. 港工技术 ，2021，58（03）：61-65.

[2] 吴昊 . 水上现浇小型梁板式高桩码头施工技术 [J]. 建筑技术开发 ，2020，47（22）：72-74.

[3] 丁建军 ， 李少斌 ， 卢生军 . 基于 PIANC 的国外港口工程护舷设计方法研究 [J]. 港工技术 ，2018，55（03）：53-57.

[4] 储雪权. 拱形自浮式水上升降防撞装置结构优化[D]. 重庆交通大学，2018.