單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋工程機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種海洋浮體的防傾覆結(jié)構(gòu)，具體的說，涉及一種單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)的傾覆后自動扶正裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)是一類海洋漂浮結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，這類結(jié)構(gòu)物通常包括位于海面上的浮體和用于系泊浮體的錨鏈，浮體通過錨系固定在海洋中某一定點(diǎn)位置。例如海洋環(huán)境監(jiān)測的各種資料浮標(biāo)和船標(biāo)、利用波浪能發(fā)電的浮子式波浪能裝置，用于船舶引航的航標(biāo)燈等。
[0003]該類結(jié)構(gòu)物甲板或者浮體艙室內(nèi)通常搭載各種儀器設(shè)備，實現(xiàn)特定的功能。以海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)為例，浮體的甲板上通常搭載有微型天線，風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器等，浮體的內(nèi)腔中設(shè)置有集控中心、蓄電池、發(fā)電機(jī)等。受海況的影響，漂浮在海面的浮體將遭受著波浪、風(fēng)和海流的作用。雖然該類結(jié)構(gòu)物在建造之初進(jìn)行了穩(wěn)性計算，例如:為了增加浮體的穩(wěn)性，通常會在浮體艙室內(nèi)安裝重物，增加浮體的壓載，以降低浮體的重心，增加浮體的穩(wěn)性，但這種結(jié)構(gòu)會占用浮體艙室內(nèi)的可利用空間，同時仍有可能在極端惡劣海況或船舶意外碰撞情況下會發(fā)生傾覆，且一旦傾覆后，不能自動扶正，造成損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆后自動扶正裝置，該裝置可保證浮式結(jié)構(gòu)物在發(fā)生傾覆后，能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)自動扶正，以維持系統(tǒng)的正常的工作狀態(tài)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，安裝在浮體和浮體系泊錨鏈之間;包括安裝在浮體下端面，向浮體下方延伸的一支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)下方安裝有一扶正擺臂，扶正擺臂與支撐結(jié)構(gòu)之間活動連接，扶正擺臂下方有一重塊，重塊下方與系泊錨鏈相連。
[0006]優(yōu)選的是:支撐結(jié)構(gòu)包括一框架結(jié)構(gòu)，框架底部具有一轉(zhuǎn)接板，扶正擺臂與轉(zhuǎn)接板相接的。
[0007]優(yōu)選的是:扶正擺臂與支撐結(jié)構(gòu)間通過萬向鉸連接。扶正擺臂可繞萬向鉸自由擺動和旋轉(zhuǎn)。
[0008]優(yōu)選的是:重塊為圓形，阻尼系數(shù)小。
[0009]優(yōu)選的是:正浮狀態(tài)下，浮體與自動扶正裝置構(gòu)成的浮體系統(tǒng)的重心與浮心在同一鉛垂線上。
[0010]本發(fā)明的有益效果為:
[0011]1、與傳統(tǒng)的浮體底部中心直接安裝錨鏈的系泊結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明在浮體底部增加了一框架結(jié)構(gòu)，系鏈點(diǎn)位于框架底部，降低了錨系作用點(diǎn)位置，增加了錨系的扶正力矩，增強(qiáng)了表面浮體的穩(wěn)性。
[0012]2、浮體底部框架下端連接單擺結(jié)構(gòu)，單擺的重塊作為外部壓載，降低了浮體的重心位置，避免了在浮體內(nèi)部艙室配置壓載的不便，同時增加了浮體艙室內(nèi)部的有效利用空間。
[0013]3、框架底部通過萬向鉸連接一單擺結(jié)構(gòu)，該單擺能夠隨著浮體的搖擺而擺動，可部分吸收浮體系統(tǒng)所承受的波浪激勵能量，降低浮體隨波浪搖擺及垂蕩等運(yùn)動響應(yīng)，增強(qiáng)浮體的耐波性。
[0014]4、系泊浮體傾覆后，單擺結(jié)構(gòu)在重力作用下擺動至框架底部平面上，此時重塊重心位置遠(yuǎn)離浮體浮心作用線，產(chǎn)生一個扶正力矩，通過計算保證此狀態(tài)下復(fù)原力臂GZ均小于零，g卩可保證浮體能自行恢復(fù)至正浮狀態(tài)。
[0015]5、該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造和安裝，特別適合用于小尺寸的單點(diǎn)系泊海洋浮式結(jié)構(gòu)物上，提高浮體在波浪中的耐波性，并實現(xiàn)浮體傾覆后的自動扶正，確保裝置的安全。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為浮體傾斜后的受力示意圖。
[0018]圖3為浮體配備自動扶正裝置前后的正浮狀態(tài)靜穩(wěn)性復(fù)原力臂曲線對比圖。
[0019]圖4為本發(fā)明在傾覆后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及受力示意圖。
[0020]圖5為浮體配備自動扶正裝置前后的傾覆狀態(tài)靜穩(wěn)性復(fù)原力臂曲線對比圖。
[0021 ]其中:1-浮體，2-框架，3-萬向鉸，4-扶正擺臂，5-重塊，6_系泊錨鏈，7_浮體重心，8-浮體浮心，9-轉(zhuǎn)接板
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，安裝在浮體I和浮體系泊錨鏈6之間；包括安裝在浮體I下端面，向浮體I下方延伸的一支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)為浮體和扶正裝置提供轉(zhuǎn)接的作用。為了方便設(shè)計，也為了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，支撐結(jié)構(gòu)采用框架2結(jié)構(gòu)，框架2采用管材或型材制作，為多邊形結(jié)構(gòu)，在浮體I正浮的情況下，降低浮體I的系錨點(diǎn)。
[0023]框架2的底部的下方具有一與扶正擺臂4轉(zhuǎn)接的結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)包括一轉(zhuǎn)接板9，轉(zhuǎn)接板9為平板裝，平行于海面的方向。扶正擺臂4采用鋼性材質(zhì)，為金屬管或金屬棒，豎直向下延伸，扶正擺臂4與轉(zhuǎn)接板之間為活動鏈接，扶正擺臂4可繞其與轉(zhuǎn)接板9的連接處轉(zhuǎn)動。本實施例中，轉(zhuǎn)接板處安裝有萬向鉸3，扶正擺臂4通過萬向鉸3與轉(zhuǎn)接板9相接，在波浪的作用下，扶正擺臂4繞萬向鉸3進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)搖擺，吸收一部分波浪施加在浮體I上的能量，適應(yīng)各個方向波浪的激勵作用。
[0024]扶正擺臂4下方有一重塊5，重塊5與扶正擺臂4之間為一體或可拆卸的結(jié)構(gòu)，重塊5下方與系泊錨鏈6相連。重塊5為金屬或澆筑的水泥重塊，為了減小阻力系數(shù)，重塊5的外形設(shè)計為球形。與傳統(tǒng)的錨鏈直接與浮體I相接的結(jié)構(gòu)相比，重塊5的安裝降低了整個浮體系統(tǒng)的重心，從而增加了浮體的穩(wěn)性，同時，重塊5也可以吸收一部分波浪帶來的搖擺的能量，減少浮體I的搖擺幅值，增加浮體I的耐波性能。另一方面，重塊5替代了安裝在浮體艙內(nèi)的壓載，增加了浮體艙室內(nèi)部的有效利用空間，避免了在浮體內(nèi)部艙室配置的不便。
[0025]浮體I和扶正裝置構(gòu)成的浮體系統(tǒng)設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，正浮狀態(tài)下，浮體I與自動扶正裝置構(gòu)成的浮體系統(tǒng)的重心與浮心在同一鉛垂線上。這種結(jié)構(gòu)有利于增加整個浮體系統(tǒng)的穩(wěn)性。
[0026]波浪對浮體I的影響，較輕的情況下，僅會造成浮體I的擺動，但浮體I仍保持正浮的狀態(tài)，這種情況下，浮體系統(tǒng)在海面的浮動情況如圖2和圖3所示。
[0027]參見圖2，為一個傾斜浮體I的橫剖面。該浮體在外部傾斜力矩的作用下傾斜一定角度Φ，浮體I重心位置為G，沒有變化，排水體積△與浮體重量相等，也沒有變化。但是由于水線位置的變化，浮體I的排水體積形狀發(fā)生變化，浮心由B移動到仏處。此時，重心和浮心不再位于同一鉛垂線上，因而浮力和重力形成一個力偶，即促使浮體I回復(fù)到原來平衡位置的扶正力矩Mr。自重心G作直線GZ垂直于通過BI的垂線，則扶正力矩Mr表達(dá)式如下:
[0028]Mr= Δ.GZ
[0029]其中，GZ為復(fù)原力臂，計算不同傾角Φ所對應(yīng)的復(fù)原力臂，并繪制成曲線，即得到浮體的靜穩(wěn)性曲線，如圖3所示。如果扶正力矩與傾斜力矩的方向相反，則GZ為正值，即意味著當(dāng)傾斜外力一旦消失，它能使浮體I回復(fù)到原來的正浮平衡位置。若扶正力矩與傾斜力矩的方向相同，則GZ為負(fù)值，會促使浮體I繼續(xù)傾斜。
[0030]由圖2可知，當(dāng)浮體I底部增加自動扶正裝置后，浮體I的重心下降至Gl處，此時的復(fù)原力臂GlZl大于原復(fù)原力臂GZ，證明浮體I在相同傾斜角度下具有更大的扶正力矩，穩(wěn)性得到提高。從圖3可以看出，與無自動扶正裝置的情況相比，增加自動浮動裝置后，浮體系統(tǒng)的復(fù)原力臂將大大增加。
[0031]若海況較惡劣，波浪對浮體I將產(chǎn)生較惡劣的影響，較嚴(yán)重的情況下，會造成浮體I的傾覆，這種情況下，浮體I系統(tǒng)在海面的情況如圖4和圖5所示。
[0032]參見圖4，當(dāng)浮體I在極端惡劣海況或船舶意外碰撞等情況下會發(fā)生傾覆時，由于自身重力作用，擺臂4會繞萬向鉸3擺靠至底部框架的底部轉(zhuǎn)接板9上，重塊5的重心距離浮體中心線的距離近似為擺臂長度，因此浮體總體重心7與浮體浮心8不在同一條直線上，會形成一個扶正力矩M。不同的擺臂4長度和重塊5重量的組合下，浮體I的質(zhì)量參數(shù)不同，靜穩(wěn)性也不同。選擇合適的擺臂4長度以及重塊5的重量，計算該狀態(tài)下浮體I的靜穩(wěn)性曲線，若浮體I的復(fù)原力臂GZ在180°范圍內(nèi)均小于零，即可保證浮體I在該單擺配置狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)自動扶正。
[0033]參見圖5，以一個直徑6m的圓盤式單點(diǎn)系泊波能發(fā)電裝置為例，計算其配備自動扶正裝置前后的傾覆狀態(tài)的穩(wěn)性復(fù)原力臂曲線。實線是底部沒有自動扶正裝置的浮體I在傾覆后的復(fù)原力臂曲線，通過曲線可知，浮體I傾覆后，在其橫搖角約小于75°范圍內(nèi)，浮體I的復(fù)原力臂GZ為正值，說明浮體I在此范圍內(nèi)具備一定的復(fù)原力矩，即傾覆的浮體I不能實現(xiàn)自動扶正，只有當(dāng)浮體的傾斜角度超過75°以后，浮體I才能自行復(fù)原到正浮狀態(tài)。但配備了自動扶正裝置的浮體I在傾覆后，其復(fù)原力臂GZ在180°范圍內(nèi)始終小于零，說明浮體I傾覆后，其扶正力矩與傾斜力矩的方向相同，會促使浮體I繼續(xù)傾斜，即可自動回復(fù)到正浮狀態(tài)。
【主權(quán)項】
1.單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，其特征在于:安裝在浮體和浮體系泊錨鏈之間;包括安裝在浮體下端面，向浮體下方延伸的一支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)下方安裝有一扶正擺臂，扶正擺臂與支撐結(jié)構(gòu)之間活動連接，扶正擺臂下方有一重塊，重塊下方與系泊錨鏈相連。2.如權(quán)利要求1所述的單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，其特征在于:所述支撐結(jié)構(gòu)包括一框架結(jié)構(gòu)，框架底部具有一轉(zhuǎn)接板，扶正擺臂與轉(zhuǎn)接板相接。3.如權(quán)利要求1或2所述的單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，其特征在于:所述扶正擺臂與支撐結(jié)構(gòu)間通過萬向鉸連接。4.如權(quán)利要求1所述的單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，其特征在于:所述重塊為圓形。5.如權(quán)利要求1所述的單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，其特征在于:正浮狀態(tài)下，浮體與自動扶正裝置構(gòu)成的浮體系統(tǒng)的重心與浮心在同一鉛垂線上。
【專利摘要】單點(diǎn)系泊浮式結(jié)構(gòu)物的傾覆自動扶正裝置，其特征在于：安裝在浮體和浮體系泊錨鏈之間；包括安裝在浮體下端面，向浮體下方延伸的一支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)下方安裝有一扶正擺臂，扶正擺臂與支撐結(jié)構(gòu)之間活動連接，扶正擺臂下方安裝一重塊，重塊下方與系泊錨鏈相連。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造和安裝，特別適合用于小尺寸的單點(diǎn)系泊海洋浮式結(jié)構(gòu)物上，提高浮體在波浪中的耐波性，并實現(xiàn)浮體傾覆后的自動扶正，確保裝置的安全。
【IPC分類】B63B43/04
【公開號】CN105584603
【申請?zhí)枴緾N201610157048
【發(fā)明人】孫金偉, 邵萌, 邵珠曉
【申請人】中國海洋大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2016年3月18日