CN105584603B - 单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置 - Google Patents
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Abstract
单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置，其特征在于：安装在浮体和浮体系泊锚链之间；包括安装在浮体下端面，向浮体下方延伸的一支撑结构，所述支撑结构下方安装有一扶正摆臂，扶正摆臂与支撑结构之间活动连接，扶正摆臂下方安装一重块，重块下方与系泊锚链相连。该发明结构简单，易于生产制造和安装，特别适合用于小尺寸的单点系泊海洋浮式结构物上，提高浮体在波浪中的耐波性，并实现浮体倾覆后的自动扶正，确保装置的安全。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程机械技术领域，涉及一种海洋浮体的防倾覆结构，具体的说，涉及一种单点系泊浮式结构的倾覆后自动扶正装置。
背景技术
单点系泊浮式结构是一类海洋漂浮结构的统称，这类结构物通常包括位于海面上的浮体和用于系泊浮体的锚链，浮体通过锚系固定在海洋中某一定点位置。例如海洋环境监测的各种资料浮标和船标、利用波浪能发电的浮子式波浪能装置，用于船舶引航的航标灯等。
该类结构物甲板或者浮体舱室内通常搭载各种仪器设备，实现特定的功能。以海洋环境监测浮标为例，浮体的甲板上通常搭载有微型天线，风向传感器、温湿度传感器等，浮体的内腔中设置有集控中心、蓄电池、发电机等。受海况的影响，漂浮在海面的浮体将遭受着波浪、风和海流的作用。虽然该类结构物在建造之初进行了稳性计算，例如：为了增加浮体的稳性，通常会在浮体舱室内安装重物，增加浮体的压载，以降低浮体的重心，增加浮体的稳性，但这种结构会占用浮体舱室内的可利用空间，同时仍有可能在极端恶劣海况或船舶意外碰撞情况下会发生倾覆，且一旦倾覆后，不能自动扶正，造成损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单点系泊浮式结构物的倾覆后自动扶正装置，该装置可保证浮式结构物在发生倾覆后，能够在较短时间内实现自动扶正，以维持系统的正常的工作状态。
本发明的技术方案如下：单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置，安装在浮体和浮体系泊锚链之间；包括安装在浮体下端面，向浮体下方延伸的一支撑结构，所述支撑结构下方安装有一扶正摆臂，扶正摆臂与支撑结构之间活动连接，扶正摆臂下方有一重块，重块下方与系泊锚链相连。
优选的是：支撑结构包括一框架结构，框架底部具有一转接板，扶正摆臂与转接板相接的。
优选的是：扶正摆臂与支撑结构间通过万向铰连接。扶正摆臂可绕万向铰自由摆动和旋转。
优选的是：重块为圆形，阻尼系数小。
优选的是：正浮状态下，浮体与自动扶正装置构成的浮体系统的重心与浮心在同一铅垂线上。
本发明的有益效果为：
1、与传统的浮体底部中心直接安装锚链的系泊结构相比，本发明在浮体底部增加了一框架结构，系链点位于框架底部，降低了锚系作用点位置，增加了锚系的扶正力矩，增强了表面浮体的稳性。
2、浮体底部框架下端连接单摆结构，单摆的重块作为外部压载，降低了浮体的重心位置，避免了在浮体内部舱室配置压载的不便，同时增加了浮体舱室内部的有效利用空间。
3、框架底部通过万向铰连接一单摆结构，该单摆能够随着浮体的摇摆而摆动，可部分吸收浮体系统所承受的波浪激励能量，降低浮体随波浪摇摆及垂荡等运动响应，增强浮体的耐波性。
4、系泊浮体倾覆后，单摆结构在重力作用下摆动至框架底部平面上，此时重块重心位置远离浮体浮心作用线，产生一个扶正力矩，通过计算保证此状态下复原力臂GZ均小于零，即可保证浮体能自行恢复至正浮状态。
5、该发明结构简单，易于生产制造和安装，特别适合用于小尺寸的单点系泊海洋浮式结构物上，提高浮体在波浪中的耐波性，并实现浮体倾覆后的自动扶正，确保装置的安全。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为浮体倾斜后的受力示意图。
图3为浮体配备自动扶正装置前后的正浮状态静稳性复原力臂曲线对比图。
图4为本发明在倾覆后的结构状态及受力示意图。
图5为浮体配备自动扶正装置前后的倾覆状态静稳性复原力臂曲线对比图。
其中：1-浮体，2-框架，3-万向铰，4-扶正摆臂，5-重块，6-系泊锚链，7-浮体重心，8-浮体浮心，9-转接板
具体实施方式
如图1所示，单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置，安装在浮体1和浮体系泊锚链6之间；包括安装在浮体1下端面，向浮体1下方延伸的一支撑结构，支撑结构为浮体和扶正装置提供转接的作用。为了方便设计，也为了结构的稳定性，支撑结构采用框架2结构，框架2采用管材或型材制作，为多边形结构，在浮体1正浮的情况下，降低浮体1的系锚点。
框架2的底部的下方具有一与扶正摆臂4转接的结构，该转接结构包括一转接板9，转接板9为平板装，平行于海面的方向。扶正摆臂4采用钢性材质，为金属管或金属棒，竖直向下延伸，扶正摆臂4与转接板之间为活动链接，扶正摆臂4可绕其与转接板9的连接处转动。本实施例中，转接板处安装有万向铰3，扶正摆臂4通过万向铰3与转接板9相接，在波浪的作用下，扶正摆臂4绕万向铰3进行自由旋转摇摆，吸收一部分波浪施加在浮体1上的能量，适应各个方向波浪的激励作用。
扶正摆臂4下方有一重块5，重块5与扶正摆臂4之间为一体或可拆卸的结构，重块5下方与系泊锚链6相连。重块5为金属或浇筑的水泥重块，为了减小阻力系数，重块5的外形设计为球形。与传统的锚链直接与浮体1相接的结构相比，重块5的安装降低了整个浮体系统的重心，从而增加了浮体的稳性，同时，重块5也可以吸收一部分波浪带来的摇摆的能量，减少浮体1的摇摆幅值，增加浮体1的耐波性能。另一方面，重块5替代了安装在浮体舱内的压载，增加了浮体舱室内部的有效利用空间，避免了在浮体内部舱室配置的不便。
浮体1和扶正装置构成的浮体系统设计为对称结构，正浮状态下，浮体1与自动扶正装置构成的浮体系统的重心与浮心在同一铅垂线上。这种结构有利于增加整个浮体系统的稳性。
波浪对浮体1的影响，较轻的情况下，仅会造成浮体1的摆动，但浮体1仍保持正浮的状态，这种情况下，浮体系统在海面的浮动情况如图2和图3所示。
参见图2，为一个倾斜浮体1的横剖面。该浮体在外部倾斜力矩的作用下倾斜一定角度φ，浮体1重心位置为G，没有变化，排水体积Δ与浮体重量相等，也没有变化。但是由于水线位置的变化，浮体1的排水体积形状发生变化，浮心由B移动到B1处。此时，重心和浮心不再位于同一铅垂线上，因而浮力和重力形成一个力偶，即促使浮体1回复到原来平衡位置的扶正力矩MR。自重心G作直线GZ垂直于通过B1的垂线，则扶正力矩MR表达式如下：
MR＝Δ·GZ
其中，GZ为复原力臂，计算不同倾角φ所对应的复原力臂，并绘制成曲线，即得到浮体的静稳性曲线，如图3所示。如果扶正力矩与倾斜力矩的方向相反，则GZ为正值，即意味着当倾斜外力一旦消失，它能使浮体1回复到原来的正浮平衡位置。若扶正力矩与倾斜力矩的方向相同，则GZ为负值，会促使浮体1继续倾斜。
由图2可知，当浮体1底部增加自动扶正装置后，浮体1的重心下降至G1处，此时的复原力臂G1Z1大于原复原力臂GZ，证明浮体1在相同倾斜角度下具有更大的扶正力矩，稳性得到提高。从图3可以看出，与无自动扶正装置的情况相比，增加自动浮动装置后，浮体系统的复原力臂将大大增加。
若海况较恶劣，波浪对浮体1将产生较恶劣的影响，较严重的情况下，会造成浮体1的倾覆，这种情况下，浮体1系统在海面的情况如图4和图5所示。
参见图4，当浮体1在极端恶劣海况或船舶意外碰撞等情况下会发生倾覆时，由于自身重力作用，摆臂4会绕万向铰3摆靠至底部框架的底部转接板9上，重块5的重心距离浮体中心线的距离近似为摆臂长度，因此浮体总体重心7与浮体浮心8不在同一条直线上，会形成一个扶正力矩M。不同的摆臂4长度和重块5重量的组合下，浮体1的质量参数不同，静稳性也不同。选择合适的摆臂4长度以及重块5的重量，计算该状态下浮体1的静稳性曲线，若浮体1的复原力臂GZ在180°范围内均小于零，即可保证浮体1在该单摆配置状态下能够实现自动扶正。
参见图5，以一个直径6m的圆盘式单点系泊波能发电装置为例，计算其配备自动扶正装置前后的倾覆状态的稳性复原力臂曲线。实线是底部没有自动扶正装置的浮体1在倾覆后的复原力臂曲线，通过曲线可知，浮体1倾覆后，在其横摇角约小于75°范围内，浮体1的复原力臂GZ为正值，说明浮体1在此范围内具备一定的复原力矩，即倾覆的浮体1不能实现自动扶正，只有当浮体的倾斜角度超过75°以后，浮体1才能自行复原到正浮状态。但配备了自动扶正装置的浮体1在倾覆后，其复原力臂GZ在180°范围内始终小于零，说明浮体1倾覆后，其扶正力矩与倾斜力矩的方向相同，会促使浮体1继续倾斜，即可自动回复到正浮状态。
Claims (3)
1.单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置，其特征在于：安装在浮体和浮体系泊锚链之间；包括安装在浮体下端面，向浮体下方延伸的一支撑结构，所述支撑结构下方安装有一扶正摆臂，扶正摆臂与支撑结构之间活动连接，扶正摆臂下方有一重块，重块下方与系泊锚链相连；所述支撑结构包括一框架结构，框架底部具有一转接板，扶正摆臂与转接板相接；正浮状态下，浮体与自动扶正装置构成的浮体系统的重心与浮心在同一铅垂线上。
2.如权利要求1所述的单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置，其特征在于：所述扶正摆臂与支撑结构间通过万向铰连接。
3.如权利要求1所述的单点系泊浮式结构物的倾覆自动扶正装置，其特征在于：所述重块为圆形。
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