增加工程船舶穩定性的垂蕩板的製作方法

2023-05-16 15:15:26

本發明涉及船舶與海洋工程中的垂蕩板
技術領域：
。更具體地說，本發明涉及一種增加工程船舶穩定性的垂蕩板。
背景技術：
：隨著國家「一帶一路」政策的大力推進，遠海區域的工程建設項目增多，在海上工程建設過程中，風浪作用下工程船舶的穩定性是影響安全施工和保證工程質量的首要因素。為提高施工效率，增加工程船舶的作業窗口，可預先在起重船、浮吊船等工程船舶的下部加裝垂蕩板，提高工程船舶在極端天氣下的穩定性。由於工程船舶自身的結構特性，其垂蕩運動阻尼和附加質量很小，因此，借鑑spar平臺上垂蕩板的特性，經理論研究和試驗驗證，將改良過的垂蕩板應用於工程船舶，可以顯著的增加工程船舶的阻尼和附加質量，從而提高工程船舶抵禦風浪的能力。近年來，關於垂蕩板的結構形式成為研究的重點，通過不斷改變垂蕩板的幾何外形、厚寬比、板面孔隙率和粗糙度，驗證對垂蕩板水力特性的影響，從而確定可有效提高工程船舶阻尼和附加質量的垂蕩板結構形式。技術實現要素：本發明的一個目的是解決至少上述問題，並提供至少後面將說明的優點。本發明還有一個目的是提供一種增加工程船舶穩定性的垂蕩板，此垂蕩板可增大工程船舶在風浪作用下的阻尼和提高工程船舶的附加質量，從而提高工程船舶的穩定性。並且此垂蕩板滿足便於加工製作、便於安裝、施工快捷等工程要求。為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種增加工程船舶穩定性的垂蕩板，所述垂蕩板的板面形狀為方形，所述垂蕩板的板面設置有均勻分布的多個圓形通孔，所述垂蕩板的一個板面上設置有均勻分布的多個第一凸起單元，另一個板面上設置有與所述第一凸起單元對稱且形狀相同的第二凸起單元，所述圓形通孔與所述第一凸起單元及第二凸起單元均間隔設置，所述垂蕩板的邊緣和角點設置有平滑連接的圓角。優選的是，所述垂蕩板的厚度一致，且厚寬比為1～5：53～66。優選的是，所述垂蕩板上開設的圓形通孔的孔隙率為7％～15％。優選的是，所有所述第一凸起單元的橫截面總面積佔所述垂蕩板面積的11％～18％。優選的是，所述第一凸起單元為正方體形，高度為所述垂蕩板厚度的一半。優選的是，所述垂蕩板邊緣在垂直板面方向的圓角半徑為所述垂蕩板板厚的一半，所述垂蕩板角點在板面上的圓角半徑與所述垂蕩板的板厚相同。優選的是，所述垂蕩板邊緣在垂直板面方向的圓角半徑與所述垂蕩板板厚的相同，所述垂蕩板角點在板面上的圓角半徑與所述垂蕩板的板厚相同。優選的是，所述垂蕩板由鋼板焊接加工而成。優選的是，所述垂蕩板由鋼筋混凝土預製而成。優選的是，所述第一凸起單元的頂面為正五角星形，且與所述垂蕩板的板面平行，每個所述第一凸起單元均與所述垂蕩板的板面垂直，所述第一凸起單元的頂面上還設置有不規則排列的曲線淺槽，相鄰的兩個所述第一凸起單元的高度不同，分別為所述垂蕩板板厚的一半和四分之一，每個所述第一凸起單元周圍還均勻分布有四個所述圓形通孔，所述圓形通孔的軸線與所述垂蕩板板面法線方向的夾角為10°，在所述垂蕩板的一個板面上，圍繞高度為所述垂蕩板板厚的一半的第一凸起單元的四個所述圓形通孔的軸線交於一點，在所述垂蕩板的另一板面上，圍繞高度為所述垂蕩板板厚的四分之一的第二凸起單元的四個所述圓形通孔的軸線交於一點。本發明至少包括以下有益效果：1、本發明所述垂蕩板上的圓形開孔和凸起單元能夠大幅提高工程船舶的阻尼和附加質量，使工程船舶在極端天氣條件下的垂蕩運動幅值降低，從而提高工程船舶的穩定性。2、本發明所述垂蕩板的邊倒角和頂點倒角較好的改善了垂蕩板的水力特性。3、本發明所述垂蕩板容易加工製作，並可通過浮運與工程船舶進行快速安裝。本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。附圖說明圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明中垂蕩板邊緣倒角為板厚一半的實施例的側面結構示意圖；圖3為本發明中垂蕩板邊緣倒角與板厚相同的實施例的側面結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。需要說明的是，在本發明的描述中，術語「橫向」、「縱向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，並不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。如圖1至圖3所示，本發明提供一種增加工程船舶穩定性的垂蕩板，所述垂蕩板1的板面形狀為方形，所述垂蕩板1的板面設置有均勻分布的多個圓形通孔2，所述垂蕩板1的一個板面上設置有均勻分布的多個第一凸起單元3，另一個板面上設置有與所述第一凸起單元3對稱且形狀相同的第二凸起單元4，所述圓形通孔2與所述第一凸起單元3及第二凸起單元4均間隔設置，所述垂蕩板1的邊緣和角點設置有平滑連接的圓角。根據資料可知，安裝垂蕩板能減小工程船舶在風浪下的垂蕩響應的主要原因是：第一、調整工程船舶的垂蕩固有周期，使其遠離波浪主要能量的周期範圍，避免共振；第二、增大工程船舶垂蕩運動的阻尼，抑制垂蕩響應，而影響垂蕩板性能的主要因素有附加質量係數和阻尼係數，兩者增大均能較好的抑制垂蕩運動，通過測量垂蕩板在固定條件下振動的位移時歷和所受的流體阻尼可推算出附加質量係數和阻尼係數，進而確定出垂蕩板的幾何外形，為了得出較好的結果，進行了如下的實驗過程，採用了面積均為400mm2，質量均為32kg的圓形垂蕩板、方形垂蕩板和三角形垂蕩板分別在相同的注滿水的玻璃水槽中做上下運動，垂蕩板均水平放置，上下運動的幅度為50mm，運動的頻率為1.5hz，實驗結果如表1。表1、不同形狀的垂蕩板的附加質量係數和阻尼係數對照表圓形板方形板三角形板附加質量係數1.71.81.2阻尼係數0.660.680.64從表中可以看出附加質量係數和阻尼係數均是方形板的最佳，故選用方形板做垂蕩板的板面外形。在另一組實驗中，採用面積均為400mm2的四個方形垂蕩板，板面均勻設置有圓形通孔，孔隙率分別為0，5％，10％，15％，分別在相同的注滿水的玻璃水槽中做上下運動，垂蕩板均水平放置，上下運動的幅度為50mm，運動的頻率為1.5hz，實驗結果如表2。表2、不同孔隙率的垂蕩板的阻尼係數對照錶板面孔隙率05％10％15％阻尼係數0.680.700.820.83從上表可以看出，板面開有圓形通孔後阻尼係數均得到了提高，故在垂蕩板的板面設置圓形通孔。而在垂蕩板的板面上設置凸起單元，則是為了提高垂蕩板的附加質量係數，同時因為凸起單元的存在增加了垂蕩板板面的粗糙度，進一步加大了垂蕩板的阻尼係數，在上一實驗最佳結果的基礎上，對垂蕩板的兩個板面均設置凸起總面積佔板面0，10％，20％的凸起單元，實驗結果如表3。表3、不同凸起總面積的垂蕩板的附加質量係數和阻尼係數對照表010％20％附加質量係數1.641.881.86阻尼係數0.830.920.90從上表可以看出，板面設置凸起單元後，附加質量係數和阻尼係數均有所提高。凸起單元與圓形通孔間隔設置主要是為了保持垂蕩板的重心位於板的幾何中心，若兩者分布不均，則會使板的一側偏重，一側偏輕，安裝在工程船舶上反而更不利於船舶的穩定，在垂蕩板的邊緣與角點設置平滑連接的圓角則是因為圓角在水中受到的來流衝擊力較小，能儘量減少垂蕩板的受力以維持工程船舶的穩定性。上述垂蕩板在使用過程中，首先將船舶主體停泊在施工現場附件的水域，在施工現場將加工好的垂蕩板四個角上焊接與板面垂直的連接杆，焊接完成後，在連接杆的另一端綁系多個可充氣的氣囊和牽引繩，氣囊可為焊接完成的垂蕩板結構在水中浮運提供足夠的浮力，將氣囊進行充氣，再將垂蕩板和氣囊吊入水中，垂蕩板由於重力潛於水中，通過牽引繩將垂蕩板浮運至船舶本體旁邊，將連接杆與船舷上預留的連接孔進行固定連接，即可完成垂蕩板的安裝。在另一實施例中，所述垂蕩板1的厚度一致，且厚寬比為1～5：53～66，該厚寬比的垂蕩板1的附加質量係數和阻尼係數較高，若低於該比值，則會因為板厚過於薄，垂蕩板1的強度無法保證，若是高於該比值，垂蕩板1的附加質量係數和阻尼係數就會降至較低水平，減弱垂蕩板1的抗垂蕩運動的效果。在另一實施例中，所述垂蕩板1上開設的圓形通孔2的孔隙率為7％～15％，該孔隙率能保證垂蕩板1的附加質量係數和阻尼係數均達到較好的水平，因為如果孔隙率過高，附加質量係數必然會降至很低，即使阻尼係數提高，兩者的綜合效果並不顯著，而孔隙率過低又無法提高阻尼係數，故綜合考慮設置為該實施例的孔隙率。在另一實施例中，所有第一凸起單元3的橫截面總面積佔所述垂蕩板1面積的11％～18％，設置為該比例是因為如果第一凸起單元3的橫截面總面積低於該比例，垂蕩板1的附加質量係數和阻尼係數增長不明顯，如果第一凸起單元3的橫截面總面積高於該比例，雖然附加質量係數有所提高，但是因為凸起覆蓋面過高使凸起面又基本拼接為一平面，反而降低了阻尼係數。在另一實施例中，所述第一凸起單元3為正方體形，高度為所述垂蕩板1厚度的一半，因為相比於圓柱體或其他多邊形柱體，正方體的的邊緣更為鋒銳，能增強垂蕩板1的洩渦作用，增大垂蕩板1的阻尼係數，相比於三角形柱體，正方體的角更多，在每個角的洩渦作用相差不大的情況下，使用正方體增大阻尼係數的效果更為明顯。在另一實施例中，所述垂蕩板1邊緣在垂直板面方向的圓角半徑為所述垂蕩板1板厚的一半，所述垂蕩板1角點在板面上的圓角半徑與所述垂蕩板1的板厚相同，該垂蕩板1主要是作為多垂蕩板1結構的中間層來使用，設置上述圓角後，垂蕩板1的邊緣均為圓形，更符合了流體力學使自身受到的來流衝擊力降低至最小，較好的增加了工程船舶的穩定性。在另一實施例中，所述垂蕩板1邊緣在垂直板面方向的圓角半徑與所述垂蕩板1板厚的相同，所述垂蕩板1角點在板面上的圓角半徑與所述垂蕩板1的板厚相同，該垂蕩板1主要是作為多垂蕩板1結構的最底層來使用，由於垂蕩板1上下兩個面面積不同，下表面還包含圓角的曲面所以面積更大，故下表面單位時間內流過的水流量小，上表面水流量大，因此上表面受到的水壓大於下表面水壓，總體的水壓方向為向下的，在此壓力下工程船舶吃水位會下降以減小風浪對船舶的影響。在另一實施例中，所述垂蕩板1由鋼板焊接加工而成，該方法製作垂蕩板1快捷，工期短。在另一實施例中，所述垂蕩板1由鋼筋混凝土預製而成，該方法製作垂蕩板1不僅能節省鋼材而且相同體積下附加質量係數更大。在另一實施例中，所述第一凸起單元的頂面為正五角星形，且與所述垂蕩板的板面平行，每個所述第一凸起單元均與所述垂蕩板的板面垂直，所述第一凸起單元的頂面上還設置有不規則排列的曲線淺槽，相鄰的兩個所述第一凸起單元的高度不同，分別為所述垂蕩板板厚的一半和四分之一，每個所述第一凸起單元周圍還均勻分布有四個所述圓形通孔，所述圓形通孔的軸線與所述垂蕩板板面法線方向的夾角為10°，在所述垂蕩板的一個板面上，圍繞高度為所述垂蕩板板厚的一半的第一凸起單元的四個所述圓形通孔的軸線交於一點，在所述垂蕩板的另一板面上，圍繞高度為所述垂蕩板板厚的四分之一的第二凸起單元的四個所述圓形通孔的軸線交於一點。在上述實施例中，由於正五角星形鋒銳的角較多，故能較大程度的提高垂蕩板的阻尼係數，又第一凸起單元的頂面與垂蕩板的板面平行能降低水流在豎直方向對垂蕩板的作用力，儘量減少不可控制的豎直方向作用力對垂蕩板的影響，在第一凸起單元的頂面設置不規則排列的曲線淺槽則是為了增大垂蕩板的阻尼係數，同時，因為相鄰的兩個第一凸起單元的高度不同會造成水流的阻力增大，減少垂蕩板在豎直方向的垂蕩運動，而在垂蕩板的一個板面上，每個高凸起單元周圍設置軸心交於一點的四個圓形通孔，在垂蕩板的另一板面上，每個矮凸起單元的四個所述圓形通孔的軸線交於一點則是因為水流在通過圓形通孔後形成渦激，而該分布狀態下的四個圓形通孔形成的渦激與凸起單元接觸較近，能快速作用於凸起單元的柱面形成較強的阻尼作用。儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。當前第1頁12