CN103562060B - 具有对高载荷平滑应力应变响应的系泊组件 - Google Patents

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Abstract

一种系泊组件(20)，其包含由弹性体材料形成的数个不同的可变形元件(22a‑22f)。该组件具有拉延长度L，至少一个元件具有<L的长度L′。由于系泊组件(20)包含数个不同的弹性体元件(22a‑22f)，每个都具有其自己的独特的弹性(即可逆的)应力应变响应，组件(20)的总体响应是由数个弹性体元件(22a‑22f)的每一个响应的组合而产生的复合弹性响应。系泊组件(20)可以形成用于浮动装置和海基结构如再生能源装置的系泊系统的一部分，尤其在低余地或高可变性环境中，再生能源装置包括低余地波能转化装置、潮汐涡轮机和潮间台、养鱼场、采油场和离岸风电场。

Description

具有对高载荷平滑应力应变响应的系泊组件
技术领域
本发明涉及系绳组件，例如用于系泊水体内的浮动或浸没装置或结构的组件。该组件特别适于在要求小覆盖区和低余地操作的情况下的系泊应用。
背景技术
传统上，系泊组件限于近岸使用，例如将船只或浮船拴系至栈桥或码头。常规系泊绳通常由合成材料例如聚酯、尼龙或制成。虽然聚酯和尼龙系泊绳十分具弹性，但它们仅实现大约10-25％的小延长。常规系泊绳也可由金属丝金属线制成，极其牢固，但难以操持和维护。由金属丝绳和合成材料的组合制成的常规系泊组件通常称为锚索。
绳索和缆绳技术的最新进展还实现了在钢绞线之间使用聚合物材料来在采矿和油/气应用中帮助保护绳索以避免金属疲劳。这种聚合物材料保护套，例如Bridon公司的Dyform牌绳索中的许多都未利用聚合物的延长能力，因为缆绳的延长受到钢绞线的限制。US4534262和US4597351包含有这种保护套方法的实例。坚固的套材料可以像绳索那样编织，但其因此也像绳索那样具有类似最大延展的限制。这些最大延展取决于编织设计，但极为有限，并且没有利用弹性体材料可能的100％+延展。使用现有编织尼龙和聚酯绳将使相同的延长下能承受更高的载荷而带来更多益处。此外，编织本身带来了磨损问题，这些设计类型由于合成绳索在循环载荷环境下遇到相同的磨损问题。
FR2501739含有用于拖缆的替代性方法，其中将长度比芯橡胶部分更长的非弹性体旁路缆绳用于保护以免高载荷。在该情境下，该橡胶芯现在可以在钢旁路缆绳接受载荷之前，伸展至更长的长度。然而，钢缆绳本身是非弹性的，并且与弹性芯相比具有几乎无限斜率(应力/应变)。这导致冲击载荷的重大问题。一旦橡胶芯伸展至其极限，则钢缆绳保护它，但产生高冲击载荷，这导致更高的峰载荷，并且要求钢缆绳比其他情况下可能所需的更厚。这些高冲击载荷增加锚载荷并且该装置上的载荷本身增加疲劳损坏和成本。
是用于固定浮船的弹性系泊系统。系泊组件是一种锚索，其一个或多个橡胶绞线和所谓的旁路缆绳，所述旁路缆绳由刚性合成纤维或线形成并且防止橡胶绞线过度延展。橡胶锚索可以承受高于10kN的力和超过100％的延长以允许所述系泊考虑到水位波动的程度。US2005/103251和US2009/202306类似于Seaflex方法并且描述其中使用钢旁路缆绳("安全锁定环")的弹性体系泊解决方案。在这些情况下，当弹性体绳索完全延展而钢缆绳承重时再次发生问题。由于与弹性体绳索相比钢缆绳几乎无限的斜率，生成可以导致疲劳、损坏和更高的锚成本的高冲击载荷。一般而言，这些常规钢旁路系泊解决方案仅适于通常多个锚索分担载荷的低载荷、近岸、受掩蔽的应用。
然而，常规系泊解决方案如锚索不适于在深水中将装置拴系至海床或者用于在浮动装置承受大潮汐流和/或波浪运动的环境中系泊。例如，苏格兰北海岸以外，40m水深处，波浪将平均小于2m高，每年风暴期间增加到平均4m并且百年一遇的风暴时增加到平均高于5m。个别波浪可能比平均高度高数倍，导致波浪高度的变化占波浪深度的比例很大(低余地情境)的。常规缆绳和锚索的强度不能承受由潮汐运动和不可预测的风暴浪施加在浮动装置上的力，或者其成本过高而不能安装可以处理这些力的系统。
因此要求另一类别的系泊组件，其可以用于拴系浮动装置和海基结构如再生能源装置的系泊系统，所述浮动装置和海基结构包括尤其是在低余地或高可变性环境中的波能转化装置、潮汐涡轮机和潮间台、养鱼场、采油场和离岸风电场。在这些环境下需要有这样一种系泊解决方案，其可以在正常波浪或潮汐响应下实现低斜率(理想地是平的)载荷响应，并且在更极端环境下具有平滑承力高斜率保护性弹性体响应。理想地，随着延展的斜率连续增加，该承力较高斜率响应将是非线性的。
系泊组件的主要目的是控制被系泊装置和其拴系点之间的相对运动。这种运动可能由波浪和/或潮汐运动导致。因此该系泊组件必须针对该装置的运动施加回复力。在待系泊装置相对于水深度发生相对大位移的情况下，可能难以满足系泊组件的需要。在这些环境下，需要系泊的余地不太大，其中"余地"定义为每单位水深度的系泊长度。还需要最小化系泊系统的覆盖区，其中"覆盖区"为由系泊组件占据的海床面积。
图1为常规用于拴系浮动结构3如潮间台的基本单点悬索系泊的示意图。该悬索系泊线包含水平通往海床的自由悬挂线或缆绳5(一般为钢链)。系泊线5的回复力主要地由该线中悬挂重量和预张力产生。图1表明，当水深度由于大波浪而增加时，悬索链5因为平台3向上和向左漂移而被提升离海床4。当水深度降低时，链5沿海床4布置并且平台3向下并向右漂移。因此，需要大量的链和大空间包络来在水深度上升和下落时允许平台水平运动。这导致系泊系统的极高材料成本并且限制阵列中平台的定位。悬索系泊系统甚至可以用于深海应用，但所述链必须制作得很长，使其在锚点不产生任何垂直载荷。
由于与悬索系统一起使用的常规牵引嵌入锚的水平反应性质，必须选择该缆绳的余地以使得该缆绳在给定环境条件下永不从海床上拉起。大波浪可以高达20m高，即与水深度相同量级，并且处理这种变化所要求的链长度变得很大。通常余地为三就足够，但在较浅水中，经常要求大于五的余地。这种系泊系统通常效率低并且占据该装置周围的大量海床空间，导致高成本和大覆盖区。在最极端条件下，钢悬索系统上的水平系泊力可能高于5000kN。因为系泊线易于在海床接地点磨损，悬索系统的其它缺点为疲劳。
因此，当用潮间台等等实施悬索系泊系统时，存在许多问题。特别地，要求极大的余地、海床覆盖区和水平运动包络来允许平台经受得住波浪。
存在替代性系泊系统，其可以更合适特定环境，例如使用水面浮体、或重量。然而，这些系统也导致相当大的额外成本并且通常受累于更大覆盖区和很高力的类似问题。这些替代性方法中的许多将使用钢缆绳和聚酯绳来试图克服所述挑战，但它们不可能在高度可变的海洋环境中向主体的运动提供足够响应。它们在高峰力时或在力大变化时特别受损害，导致较高的疲劳度。
作为悬索系泊系统的替代形式，有限数量的弹性系泊组件已变得可利用，其相比于悬索系统是拉紧的。如上文提及，这些缆绳通常包含弹性体(例如橡胶)材料，以便允许系泊延长以适应(例如)由于潮汐流导致的装置的运动。在这些系泊组件中，一个或多个橡胶绞线可能与由刚性合成纤维或线形成的所谓的旁路缆绳平行组合，所述旁路缆绳由刚性合成纤维或线形成并且防止橡胶绞线过度延展。然而，这种旁路缆绳的重大问题在于，一般非平滑应力应变响应冒响应于延长的极高峰力的危险，导致疲劳和损坏。
包含弹性体材料的系泊组件正在近岸和码头系泊应用中变得流行。通过允许系泊系统中的柔性组件随着船舶或装置的起伏和浪涌伸展，它们提供优于传统系泊解决方案的许多优点。它们还导致更少的海床损坏，作为可以将额外的松弛性构建到系泊系统内。然而，这些系泊系统主要设计成防止船舶漂移，而未被设计成在较深的水中提供低余地、小覆盖区性能。当前弹性体解决方案仅在相对于水深度而言波浪高度变化较小的情况下良好运转，其中该系泊被用于例如非港口浮船，或水高度的潮汐变化很低的河口。
包含橡胶元件和刚性旁路缆绳以防止过度延展的弹性系泊线受限于它们可以制作的长度，因为合成纤维或钢旁路缆绳可能不相称地添加组件重量。在实践中，这种线不超过约10m长，因此大多数用于系泊小艇码头中的浮船和船只。这些系泊的某些中的编织合成绳索可能还受累于磨损问题。
此外，这些弹性体解决方案均受累于相同的基本问题，即在低波情境中实现回复力所要求的弹性体材料直径远小于承受很高力所要求的直径。对于正常橡胶材料，狂浪状况下需要的～MN的反作用力将要求材料直径>1m。该直径将沿橡胶组件的整个长度存在，导致难控制或不经济的组件。这因此将可以常规弹性体实现的非线性力响应的范围限制到很小范围，这不可能解决在非掩蔽的例如高波环境下的系泊需要。钢旁路缆绳当然可以用较小直径实现这种力，但如果包括这种缆绳，则力响应将不平滑。
本申请优先权日期之后公布的WO 2011/033114公开一种对这一问题的解决方案。其提出使用多个不同的弹性体长度，这些弹性体一个比一个更厚，实现一个比一个更高的载荷保护，在一个比一个更长的延展下承力。虽然该解决方案确实起作用，但受累于上文强调的相同问题，即承受高载荷所要求的弹性体的厚度变得极大。此外，最厚弹性体也是组件中的最长元件，因此整个装置在较大尺寸下变得难控制。
虽然当前可用的弹性线如可以能够在掩蔽环境中承受恶劣气候条件而不断裂，但它们在延长后提供急剧增加的应力应变响应，并且可能因此对系泊系统施加相对高的力。虽然可向所施加的波浪力提供非线性应力应变响应，但它们未实现更挑战的系泊环境所要求的平滑性能和响应曲线。为了实现许多离岸应用所要求的性能水平，这些系泊将要求相对大的余地，也就是说，每单位深度的长度和大的海床覆盖区。这意味着将必须使用更多材料、更高等级的材料并且成本可能变得昂贵。
理想地，深海系泊系统需要能在其放置的位置处适应于海洋状况，所以其必须能够在极短时间内调整其对来自波浪的作用力的响应。理想地，这种系泊系统是自调整的，以便降低严酷环境中的故障的风险。理想地，系泊系统应该在最低可能断裂限度下吸收载荷力。其还应该是高性价比的。
发明内容
本发明寻求提供改进的系泊组件和系统，所述系泊组件和系统可以承受波浪高度和/或潮汐运动的相对大变化并同时具有低余地和小覆盖区。
根据本发明的第一方面，提供一种系泊组件，其包含由弹性体材料形成的数个不同可变形元件，其中该组件具有拉延长度L并且至少一个该元件具有<L的长度L’。
因此认识到，实际上可以选择较短弹性体元件来提供比其它更长的弹性体元件更大的刚性，以提供保护以免高作为平滑复合应力应变响应的一部分的载荷，也就是说，没有刚性旁路环典型的突然冲击力。这是与现有技术在方向上的彻底改变，其中另外的安全拴系或旁路线长于该组件的拉延长度。
因此，根据本发明，提供一种拉紧系泊组件，其中，例如因为该组件连接到承受潮汐流和/或波浪的主体，将元件设置成当施力以延展系泊组件的拉延长度时变形。因为系泊组件包含数个不同的弹性体元件，各自具有其自身唯一的弹性(即可逆的)应力应变响应，组件的总体响应是由数个弹性体元件中的每一个的响应的组合产生的复合弹性响应。此外，至少由于元件之间的长度差异，以及弹性体元件之间的任何其它差异，总体应力应变响应不是线性的。由于其非线性响应，系泊组件在其伸展时可以平滑地且温和地接合。
特别地，在低余地或高可变性环境中，合意的是具有这样一种弹性体系泊组件，其可以在正常波浪或潮汐响应下实现低斜率(理想地是平的)载荷响应，并且在更极端环境下平滑地接合高斜率保护性弹性体响应。理想地，在伴随延展的斜率连续增加下，该接合较高斜率响应将是非线性的。本发明允许实现比通过单个可变形元件或通过就组成和构造而言相同的多个元件可以提供的更复杂的非线性应力应变轮廓。有利地，可以选择不同弹性体元件以便针对系泊系统将使用的位置来修整组件对预期环境载荷的总体复合非线性响应。
组件的拉延长度L定义为将响应于作用力而伸展的初始长度。该长度L在未伸展状态下测量，并且对应于组件的应力应变响应曲线中的零应变点。当然，例如，因为该弹性体元件通过非可变形元件如刚性合成或金属缆绳而附接到端部连接器，该组件可以具有高于长度L的物理长度。这种附接意味着不贡献组件的非线性弹性响应并且在测量该拉延长度L时不被考虑。
优选地，数个不同可变形元件、或至少长度L’的弹性体元件和长度L的一个或多个弹性体元件在该系泊组件中平行连接。这意味着该元件被设置成响应平行施加的拉伸应力，以便元件的弹性常数将根据相反关系组合，而不仅仅如弹性元件串联连接时的总和关系。所得复合应力应变响应将因此含有来自不同元件的加权贡献。平行排列还可以组件的长度最小化，并同时提供许多不同弹性体元件以贡献总体非线性弹性响应。根据一组实施方案，平行排列可以包含数个弹性体元件，所述弹性体元件并排地延展，可能彼此触碰，但优选处于基本上非接触排列。这种排列可以简化设计和组件的装配。在其它组实施方案中，该平行排列可以包含数个弹性体元件，所述弹性体元件被布置、束缚、缠绕、包裹和/或编织在一起。这种排列可以实现较低的缠结风险，但具有更复杂的装配和设计。当然，组合排列还可以用于相同组件中，其中某些元件缠绕在一起并且其它呈非接触排列。
如本文所用的术语"复合"表明应力应变响应是组合或累积或混合式可逆非线性应力应变响应。该系泊组件包含数个不同可变形元件并且所得非线性响应是数个不同元件中的每一个的响应的组合。优选地，该组件具有在其正常操作范围内的复杂非线性应力应变响应。合意地，该组件具有在其操作范围内的数个非线性应力应变响应。
虽然可以使用提供基本上线性弹性响应的某些弹性体材料和/或元件构造，但优选的是每个弹性体元件具有非线性弹性响应。这可以使得更容易将组件的总体复合弹性响应修整为非线性的并且以复杂方式改变。更优选的是，元件的组合响应(即复合响应)是平滑的，不含有可能在系泊系统中导致高冲击载荷的突然的载荷步骤或斜率的剧烈改变。
还优选的是，弹性体元件提供被动弹性响应，无论是线性的还是非线性的。如本文所用的术语"被动"表明拉伸元件的应力应变响应是固有性质，其随其中包含的材料或材料和/或该元件的设计、形状和/或构造而变。因此将理解，被动响应不要求任何额外输入，例如气压、液压、或施加的电荷或电压。
因为提供复合非线性响应，可以有效地修整单个系泊组件来应付许多海洋状况或环境条件。可以实现比用常规组件可能的更复杂的应力应变轮廓。例如，复合应力应变轮廓可以具有许多非线性的点，以使得该组件在作用力的若干阈值或水平下提供反作用力的剧烈增加。在复合应力应变轮廓的至少某些部分中，可以在例如阈值点之间提供基本上线性的响应。修整的非线性复合应力应变响应可以允许为系泊系统设计宽范围的潜在响应曲线，并且所需反应力在组件的特定延展下实现。因此，可以降低在该系泊系统下产生的载荷力。
由于不同弹性体元件的组合，系泊组件可以具有提高的在宽范围的操作条件下吸收力的能力。当拉伸以适应系泊系统中装置的运动时，弹性体元件的至少一些可以能够提供大延展，例如多达300％。元件的拉紧构造和变形性可以显著降低系泊组件要求的材料量以及其尺寸。这意味着，系泊系统的余地、水平空间包络和海床覆盖区可以减小，并同时向各种环境载荷提供改进的响应。该系泊系统因此可以提供包括减少成本和浮动装置的更大封装密度在内的优点。
此外，申请人已认识到，可能有益的是最小化系泊组件中的弹性体材料量，以不仅减少成本而且还减小系泊组件的尺寸和/或重量。系泊组件的尺寸和重量可能是运输和安装的重要因数。材料的拉伸强度越高，实现所需力所要求的直径越小。可以使用更少的弹性体材料，前提条件是弹性体元件中的至少一个具有小于组件的拉延长度L的长度L’。例如通过将具有长度L’的较短元件设计为仅在较大延展下提供反作用力的元件，可以不折损组件的复合响应。例如，只要组件处于张力下，则具有与系泊组件的相同的长度L的至少一个元件可以伸展并且提供初始响应，同时具有<L的长度L’的另一个元件可以被设置成使得其不响应，直至已经达到预定应变。这些元件可以与可能单独具有长于L的长度的非弹性元件如钢缆绳组合。
不同可变形元件中的每一个均可以响应于所施加应变而拉伸或压缩。当然，为了系泊组件能够伸展并且允许装置在某个运动包络内移动，其必须在其总体响应内拉伸。优选地，具有长度L的至少一个元件是拉伸元件。然而，应了解复合非线性弹性响应可以包含拉伸和/或压缩贡献。
优选地，该组件包含设置成向所施加拉伸应力提供拉伸响应的至少一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多个弹性体元件。
替代或另外地，优选地，该组件包含设置成向所施加拉伸应力提供压缩响应的至少一个、两个、三个或更多个弹性体元件。
在一个优选组的实施方案中，该系泊组件包含具有等于所述组件的拉延长度的长度L的至少一个拉伸弹性体元件，和具有<L的长度L’的至少一个可变形弹性体元件。长度L’的可变形元件可以是由弹性体材料形成的拉伸元件或压缩元件。优选地，当组件处于其未伸展长度L时，无元件受预应变。
在其中长度L’的弹性体元件提供拉伸响应的实施方案中，该元件可以在系泊组件中简单地连接，以使得其在系泊组件经受超过某阈值的延展时伸展。在其中长度L’的弹性体元件提供压缩响应的实施方案中，该元件可以在系泊组件中连接，以使得其响应于超过某阈值的组件延展而在固定部分和移动部分之间被压缩。这在以下情况下是可能的，系泊组件的一个端部一般连接(直接或间接)到锚(例如在海床上)并且因此固定，同时另一端(直接或间接)连接到水面或水面附近的移动装置。下文讨论系泊组件可以如何在系泊系统中连接的其它细节。
具有长度L’的弹性体元件以及长度至多且包括初始拉延长度L的任选的其它元件可以操作性连接以按任何合适方式贡献组件的非线性弹性响应。优选地，每个弹性体元件在所述系泊组件中连接以使得当该组件从其初始拉延长度达到某延展时其贡献弹性响应(拉伸或压缩)。优选地，提供至少一个只要组件从其初始长度L延展就给予拉伸响应的元件。其它拉伸元件也可被设置成在组件延展时贡献复合响应。
除在系泊组件中选择弹性体元件的不同长度之外，组件的总体长度--其优选地与初始拉延长度L基本相同(例如考虑任何端部连接器之后)--可以根据许多因数选择，所述因数包括水深度，系泊系统整合，组件运输和安装，和/或成本。一旦已经选择所需组件长度，则这一长度可以与在组件将使用的位置处平均波浪高度以及波浪高度的预期变化相比。随后，将由海洋环境决定的组件的要求延长范围和应力应变响应用于设计弹性体元件的选择。
在确定组件的要求延长范围时，被系泊主体的轨道运动(将取决于发生的波浪状态)可以与组件的长度相比。组件优选被设计成使得其可以伸展以适应运动的预期改变并同时保持弹性响应的安全因数。例如取决于元件的弹性体材料，一个组件与另一组件的安全因数可能不同，但可能涉及最大延长，在超过该最大延长时，相对于其预定保养时间，该组件预期遭受不可接受水平的疲劳度。
在一些实施方案中，复合可逆非线性应力应变响应可能包含组件初始长度的至多10-20％延长的回复力初始增加。另外或替代地，该响应优选地在组件的正常操作范围的至少一部分内提供一般恒定的回复力，其中正常操作范围一般可以对应于20％到至多200％的延长，或在某些情况下更多。例如考虑到通常的波浪高度和/或潮汐流，该正常操作范围可以对应于在其位置处典型条件下拴系装置的预期水平运动包络。在至少一些实施方案中，将元件设置成为以下一个或多个范围内的延长提供包含一般恒定的回复力的响应∶(i)20-30％；(ii)30-40％；(iii)40-50％；(iv)50-60％；(v)60-70％；(vi)70-80％；(vii)80-90％；(viii)90-100％；(ix)100-110％；(x)110-120％；(xi)120-130％；(xii)130-140％；(xiii)140-150％；(xiv)150-160％；(xv)160-170％；(xvi)170-180％；(xvii)180-190％；和(xviii)190-200％。有利地，该组件因此可以被修整成提供将该装置约束在正常条件下的接近恒定的系泊力。
如上文所阐述，取决于系泊位置可以通过适当选择不同弹性体元件来设计给定长度的系泊组件以提供所要求的延长范围。可以从预期平均波浪高度与组件长度的比率确定延长范围。虽然一般将范围选择为不太小以免组件中的弹性体材料浪费，但可以有限该范围以便避免随着时间的过去而疲劳并且包括某些安全因数。在至少一些实施方案中，该组件可以在约50-100％延长的正常操作范围内提供一般恒定的回复力，但这取决于组件的设计并且纯粹通过举例给出。
理想地，选择组件的拉伸弹性体响应，以在给定系泊系统的正常操作范围内提供一般恒定的回复力。因此，选择组件的长度L，以便所需的最大延长在其中疲劳度最小的弹性体的正常操作延长内(例如对于橡胶，的100-150％)。随后设计额外元件来在这一正常操作范围以外平滑地接合，实现进一步延展，但伴有大大增加的载荷，在更极端环境条件下保护被系泊装置。在许多系泊情境下，正常操作延展通过当前载荷和波浪的轨道运动(即波长)的组合来定义。
优选地设置具有长度L’的一个或多个元件，以便仅当组件从其初始拉延长度达到某延展时提供额外响应(拉伸或压缩)。因此可以将这些元件设计成在被系泊装置承受异常条件如高风暴浪和/或潮汐流时约束该装置。在优选实施方案中，复合响应可以包含对于高于100％、120％、140％、160％、180％、200％、220％、240％、或甚至高于250％的延长的回复力剧烈增加。另外，这些值仅通过举例给出，并且将取决于系泊位置和组件设计的选择。优选地通过具有长度L’的一个或多个元件提供该响应这一部分。
在一组实施方案中，通过非弹性体的一个或多个额外拉伸元件将具有长度L’的元件在所述组件中操作性连接。非弹性体元件可以由更便宜或更高拉伸强度的材料如钢缆绳组成。这些非弹性体元件也可具有非线性响应，但优选地，其弹性响应是线性的并且比弹性体元件更加刚性。虽然额外的拉伸元件将以某些方式贡献总体复合响应，但可以将它们设计成提供相对低的、且优选恒定或线性的、弹性回复力，所述回复力基本上不参与修整非线性响应的计算。因此，其优选地为复合非线性响应的大部分修整的弹性体元件。
在一个优选组的实施方案中，具有长度L’的每个弹性体元件与非弹性体的一个或多个额外拉伸元件操作性串联连接。这些额外非弹性体元件可以具有初始拉延长度，所述初始拉延长度与弹性体元件的长度L’组合以匹配系泊组件的拉延长度L。换句话说，一个或多个非弹性体元件可以具有L-L’的总拉延长度。一个或多个非弹性体元件可以跨越距离L-L’，并且优选地将长度L’的弹性体元件连接到系泊组件的端部。
优选地，额外的拉伸元件提供对拉伸应力的弹性响应。在某些实施方案中，额外的拉伸元件可以包含例如合成或金属材料的松弛缆绳，其具有大于所需拉延长度L-L’的物理长度以便允许扩展。因此，仅当连接缆绳在张力下拉紧时，短弹性体元件将开始在其长度L’中发生的应变。优选地，缆绳很薄和/或由相对轻质的材料制成。这可以帮助节省材料成本和重量。其它实施方案中，额外的拉伸元件可以包含非弹性体弹簧，例如金属弹簧。优选地，该弹簧具有比长度L’的弹性体元件更低的弹性模数。因此，当力施加到该组件时，非弹性体弹簧将易于首先伸展，并且弹性体元件将仅在更大延展的应变下伸展。该非弹性体拉伸元件优选是坚固的，具有很高的最终拉伸强度，以便其在拉紧时不断裂并且能够将力传递到弹性体元件。
优选地，具有<L的长度L’的一个或多个弹性体元件在所述组件中操作性连接，使得它们仅当组件的延展为至少50％、100％、150％、200％、250％、300％、或超过300％时经受应变。如上文所阐述，这可以在至少一组实施方案中通过将弹性体元件与具有较低弹性模数(或较高拉伸强度)的拉伸元件如金属弹簧串联连接来实现。可以设置长度L’的弹性体元件以发生正应变(拉伸)或负应变(压缩)。在后一种情况下，例如，与压缩弹性体元件串联连接的非弹性体元件可以在可移动元件上拉动，所述可移动元件相对于固定元件推动该压缩元件。在任何情况下，在达到系泊组件的预定应变阈值后，将非弹性体元件设置成将应变传递到较短弹性体元件，以便它们可以开始贡献组件的复合非线性响应。该响应因此可以被修整以应付极端延展，使得例如系泊可以响应风暴条件和异常波。
因此应了解，根据本发明，可以通过选择许多优选平行连接的不同弹性体元件来实现，但是通过将一个或多个较短弹性体元件与在某延展阈值处将应变传递到它们的非弹性体元件串联放置，减少组件中的弹性体材料的量。即使较短弹性体元件可以更厚，以便提供更强响应，但材料体积可以仍更小。就弹性体材料而言，组件的重量和成本可以因此减少。
具有<L的长度L’的若干弹性体元件可以在不同的长度和/或厚度和/或材料情况下平行设置。在至少某些实施方案中，可能优选的是对各种元件使用相同弹性体材料。在这种实施方案中，就其长度和/或厚度而言，弹性体元件可以不同。
在一组优选实施方案中，该系泊组件包含具有弹性体材料的数个可变形元件，其中至少一个元件具有选自以下一个的长度L∶(i)4-6m；(ii)6-8m；(iii)8-10m；(iv)10-12m；(v)12-14m；(vi)14-16m；(vii)16-18m；(viii)18-20m；or(ix)>20m并且其中至少一个弹性体元件具有选自以下一个的<L的长度L’∶(i)1-2m；(ii)2-4m；(iii)4-6m；(iv)6-8m；(v)8-10m；(vi)10-12m；或(vii)12-14m。元件长度L和L’的选择将十分取决于系泊位置和波浪高度。拉延长度L应该优选地等于或高于相当普通的波浪状况下的波浪高度，以便在该海洋状况下产生100％或更低的延展，并且更高的海洋状况产生更多延展，并且更低的海洋状况产生更少延展。在至少某些实施方案中，该组件包含数个弹性体元件，每个均具有不同的<L的长度L’。这些元件可以覆盖至多拉延长度L的长度范围。优选地，该弹性体元件平行连接。该复合响应因此可以修整为不同长度元件中的每一个的响应的组合。应了解，通过使用这种弹性体元件的组合，该系泊组件可以制作成基本上比现有产品更短。
在其它实施方案中，替代或另外地，具有<L的长度L’的至少一个元件的横截面积(厚度)可以不同于一个或多个其它元件，使得复合响应是不同厚度元件中的每一个的响应的组合。不同的弹性体元件的厚度或直径优选选自以下一个或多个范围∶(i)0.05-0.1m；(ii)0.1-0.2m；(iii)0.2-0.3m；(iv)0.3-0.4m；(v)0.4-0.5m；(vi)0.5-0.6m；(vii)0.6-0.7m；(viii)0.7-0.8m；(ix)0.8-0.9m；和(x)0.9-1.0m。
应了解，为元件选择的厚度和/或材料十分尺度依赖。在全尺度波能转化装置的系泊组件中，例如，力在正常操作期间可能在1-10MN的范围内，例如可以预期在100％延长下为～3MN。组件中的总体材料厚度则取决于所选材料和所要求的延长。～100％延长下的弹性体元件通常实现1.2MPa的拉伸强度，因此对于～3MN的力，可以使用3MN/1.2MPa＝2.5m2的总横截面积。例如，所述元件可以具有不同厚度和/或材料以便修整组件的总体复合应力应变响应，而不是在直径各0.75m的六个相同元件之间分担所述力。
已经认识到，尤其在长度L’的较短元件中，通过使用较刚性弹性体(例如其比其它弹性体元件具有更高拉伸强度)，可以进一步减少弹性体材料的量。另外或替代地，因此优选的是，具有<L的长度L’的一个或多个可变形元件包含这样的弹性体材料，其具有比具有长度L(或长度>L’但小于L)的元件的弹性体材料更高的弹性模数。一旦更柔性和更长弹性体元件已伸展，这些较短元件可以因此设计成仅在较大延展下贡献复合应力应变响应。最短元件可以设置成提供保护以免例如由风暴浪导致的极端位移。
具有<L的长度L’的可变形元件优选地包含弹性模数为至少1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa或更大的弹性体材料。优选地，提供具有<L的长度L’的至少一个可变形元件，其包含弹性模数至少为6MPa的弹性体材料。例如，将热塑性材料用于最短元件可以实现比橡胶基材料高20-30倍的拉伸强度并且该元件可以因此具有所得更低直径。此外，重要的是，任何这种高拉伸强度材料可以在相对波浪高度较大的可变形长度上实现强度而不是在短冲击时间/距离内实现。通过结合这种高强度元件，系泊组件可以被更好配备以吸收大载荷并且针对极端波浪或漂移进行保护。在至少某些实施方案中，具有长度L的一个或多个元件也可包含弹性模数至多6MPa的弹性体材料。以此方式增加弹性体元件的强度可以降低组件的重量和体积，但可能使得更难以在较低延长下将"柔性"响应结合到复合应力应变曲线中。也可能需要针对更高强度材料的成本平衡重量减少。
可以将拉伸/压缩元件的弹性体材料选择为具有一种弹性模数，所述弹性模数将为具体系泊组件提供所需程度的延长和力。该弹性体材料可以是热塑性或热固性的。合适的弹性体材料包括天然橡胶和合成橡胶如聚氨基甲酸酯或SBR，以及具有较高拉伸强度的材料如或这些材料适于海洋使用并且可以具有超过20年的极端寿命。优选的是，所述元件中的至少一些(特别是具有长度L的元件)由能够延长至少75％、100％、150％、200％、250％、或高于250％的弹性体材料形成。
无论是在张力或压缩下可以提供相对高弹性模数并且可以用于在组件中形成短的刚性元件的各种弹性体材料是可用的。然而，申请人已了解，可能强度高且材料体积低的弹性体元件的一种特别有利的形式是压缩元件，其设置成响应于施加到组件的拉伸应力而经受(负)应变。具有<L的长度L’的这种压缩弹性体元件优选地具有至少10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa或更大的弹性模数。这些元件可以用于针对组件的极端延展实现高反作用力。
申请人已认识到，可以通过将具有<L的长度L’的一个或多个压缩弹性体元件结合到系泊组件中实现上述关于材料和成本节省的有益效果。压缩元件可以具有比拉伸元件更高的强度并且可以因此能够使用更少量的材料(例如)针对极端潮汐漂移或波浪贡献更大回复力。可能有益的是在系泊组件中组合拉伸和压缩元件，因为这可以有利于用最小数量的不同元件修整组件的复合应力应变响应。虽然拉伸元件可以提供200％、250％或更多的延长，并且允许用高延长率(例如10m/s或更大)快速响应改变的海洋状况，但压缩元件可以在其中拉伸元件可能已达到其拉伸有限的高应变下针对极端位移另外提供大反作用力。因此，虽然拉伸元件可以在较低的力下实现系泊组件的主要扩展，但压缩元件可以在大延展下实现最高的力。无论使用何种材料，均可以实现所得的复合应力应变响应。
该压缩元件可以具有任何适当形式，例如为压缩弹簧。然而，为了结构稳定性和易于制造，压缩元件优选地包含由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件。在一组优选实施方案中，<L的长度L’的弹性体元件因此采用包含由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件的压缩元件的形式。
压缩元件可以是固体圆柱；然而，圆柱形元件优选地采用中空圆筒或管的形式，在其侧壁中具有折皱或波纹，以便延展其运动范围。这种中空结构允许在显著变形长度上来自高拉伸强度材料的修整应力应变响应，使得组件能够响应相对于其长度的波浪高度大变化。圆柱形元件可以在轴向压缩下(即压缩力沿其纵轴作用)作用以提供非线性响应。折皱/波纹和弹性体材料本身可以安一种方式轴向压缩，使得当压缩程度增加时，压缩阻尼构件所要求的力更急剧增加。这种压缩元件因此特别适合于针对系泊组件的复合非线性应力应变响应中的大位移提供强反作用力。
压缩元件的波纹结构和其由弹性体材料制成的事实可以允许系泊反作用力相对于作用力和作用力的变化速率非线性地增加。对于正常波浪，系泊反作用力可能极低，被系泊物体响应于波浪的运动可能基本上不受系泊组件中压缩元件的影响。然而，当作用力(或作用力的变化速率)超过阈值时，例如，在极端波浪的情况下，系泊反作用力可能更高，从而防止系泊物体的极端运动超过其正常运动包络。压缩元件可以从而防止系泊组件在极端条件下断裂。
应了解，将包含由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件结合到系泊组件中可能有利地允许组件响应极端条件，无论是否提供由弹性体材料形成的其它元件。因此认为该特征其本身是新颖和发明性的，因此根据本发明的第二方面，提供一种包含至少一个拉伸元件和至少一个压缩元件的系泊组件，所述拉伸和压缩元件被设置成响应于拉伸应力经受应变。优选地，至少一个拉伸元件和至少一个压缩元件平行设置。另外或替代地，优选的是至少一个拉伸元件和/或至少一个压缩元件由弹性体材料形成。
应理解，根据本发明的这一方面的系泊组件代表与标准系泊组件的结构的显著偏差，其仅包含响应于施加的拉伸应力而伸展的拉伸元件。据申请人所知，先前尚未提出在系泊组件中将拉伸和压缩元件优选平行地组合在一起，并且两种元件响应拉伸应力，即对组件的延长作出反应。当然，元件之一(例如压缩元件)可以设置成仅在某应变阈值以上作用，如上文所述。贡献组件的复合拉伸应力应变响应的拉伸和压缩元件的优点在于，该响应可以对系泊位置处的海洋条件进行更好修整。虽然拉伸元件可以在较低应变下实现组件的主要扩展，但压缩元件可以在更高应变下实现强反作用力(或反之亦然)。
优选地，压缩元件包含由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件。如上文所讨论，已发现这种元件能够提供极高的弹性模数，并同时最小化所要求的弹性体材料量。
一个或多个拉伸元件可以由任何合适弹性材料形成，包括合成和/或金属纤维。可以使用弹性弹簧。然而，在至少一组优选实施方案中，至少一个拉伸元件包含弹性体材料，以便提供具有例如200％或更多的大延展度的组件。可以提供包含弹性体材料的数个不同拉伸元件。因此，上文所述优选特征中的任一项可以单独或组合地(除非相互排斥)结合在本发明的第二方面中。因此，根据一组优选实施方案，该组件可以包含至少一个压缩元件，所述压缩元件包含与由弹性体材料形成的一个或多个拉伸元件平行设置的由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件。压缩元件可以具有小于组件的拉延长度L的长度L’。已发现这种组合为减小的材料体积提供高度可修整的复合非线性应力应变响应的有益效果。
因此，根据本发明的其它方面，提供一种系泊组件，其包含由弹性体材料形成并且平行设置以便响应拉伸应力的数个不同的可变形元件，其中弹性体元件中的至少一个为具有对应于组件的未伸展长度L的长度L的拉伸元件并且弹性体元件的至少另一个为具有<L的长度L’的压缩元件。优选地，压缩元件包含由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件。也可单独或组合地将上文所述的优选特征中任一项应用于本发明的该其他方面。
通过将优选更低强度、更高延长的拉伸弹性体元件与优选更高强度的压缩弹性体元件组合，可以实现提供高延展性(通常>100％)并同时还承受若干MN力的复合非线性应力应变响应。已发现，例如相比于单独包含拉伸弹性体元件的系泊组件，这种混合式拉伸/压缩系泊组件实现高度可定制的复合应力应变响应，并同时还极限所用弹性体材料的材料体积/重量。
现在将描述压缩圆柱形弹性体元件的某些优选特征，所述特征适用于上述本发明的方面中的每一个。
如本文所用的术语"圆柱"和"圆柱形"不仅包括当在轴向上沿元件移动时恒定平均横截面周长的元件，还包括当在轴向上沿元件移动时横截面周长变化的圆柱，例如锥形圆柱和截锥体。在一组实施方案中，压缩元件呈在侧壁中具有环向波纹的截断中空锥形的形式(即，当沿元件轴向移动时波纹的平均横截面周长增加)。或者，压缩元件可以呈在侧壁中具有环向波纹的中空管的形式(即，当沿元件轴向移动时波纹的平均横截面周长基本上不增加)。该术语还包括具有非圆形横截面的形状，例如椭圆横截面或多边形横截面(例如正方形、矩形、六边形、八边形等等)。还包括非中空圆柱。
波纹圆柱形元件的载荷响应可以通过折皱的设计(回转直径)来控制。通过藉由改变锋部的直径/半径和谷部的直径/半径来改变峰部直径与谷部直径的比率，通过改变波纹/回转的数量，通过改变节距，或通过改变波纹的最小外直径处的圆角半径和波纹的最大外直径处的圆角半径，有可能改变圆柱形元件的响应。也有可能通过改变壁厚度来改变中空圆柱形元件的响应。圆柱形元件可以包含都沿其长度的环向折皱、波纹或回转或可以包含由平滑区域中断的折皱、波纹或回转。
在一组实施方案中，系泊组件包含由弹性体材料形成的至少一个圆柱形折皱或波纹元件，所述元件具有选自以下一个的<L的长度L’∶(i)<0.5m；(ii)0.5-1m；(iii)1-2m；(iv)2-3m；(v)3-4m；(vi)4-5m；或(vii)>5m。由弹性体材料形成的至少一个圆柱形折皱或波纹元件的直径优选地选自以下一个∶(i)<0.1m；(ii)0.1-0.2m；(iii)0.2-0.4m；(iv)0.4-0.6m；(v)0.6-0.8m；(vi)0.8-1.0m；(vii)1.0-1.2m；(viii)1.2-1.4m；(ix)1.4-1.6m；(x)1.6-1.8m；(xi)1.8-2.0m；或(xii)>2.0。优选地，至少一个圆柱形折皱或波纹元件与一个或多个其它弹性体元件、优选拉伸弹性体元件平行连接。拉伸弹性体元件可以具有至多为拉延长度L的不同长度的范围，例如长度2-20m范围内。拉伸弹性体元件可以具有不同厚度的范围，但它们优选地比至少一个圆柱形折皱或波纹元件更薄，例如厚度在0.1-1.0m范围内。复合响应因此可以修整为不同拉伸和压缩弹性体元件中的每一个的响应的组合。应了解，通过将包含圆柱形折皱或波纹元件的至少一个弹性体压缩元件与一个或多个弹性体拉伸元件组合，可以制得基本上比现有产品更短的系泊组件。
可能重要的是选择用于折皱圆柱形元件的弹性体材料。虽然弹性体材料可以为热塑性或热固性，但弹性体材料优选地为热塑性的，以便有利于制造和减少生产成本。热塑性材料可以为热塑性聚氨基甲酸酯(TPU)，热塑性硫化橡胶(TPV)(即，由连续热塑性相与分散于其中中的硫化弹性体的相组成)，热塑性聚烯烃弹性体(TPO)，苯乙烯热塑性弹性体(TPS)，热塑性聚酰胺嵌段共聚物(TPA)，或共聚物如共聚醚酯或共聚多酯。TPV将交联橡胶的许多合意的特性与热塑性弹性体的某些特性如可加工性组合。
还可用于折皱圆柱形元件的是热固性和弹性体材料，比如交联橡胶如天然橡胶，苯乙烯丁二烯橡胶，聚氯丁烯CR，EPDM(乙烯丙烯二烯单体)，HNBR(氢化丁腈橡胶)，NBR(丁腈橡胶),ACM,AEM,EVA,CM,CSM,CO。
用于折皱圆柱形元件的优选弹性体材料为可得自E.I.du Pont deNemours and Company,Wilmington,Delaware.为热塑性共聚醚酯弹性体，其将橡胶的柔韧性、塑料的强度和热塑性物的可加工性组合。其具有杰出的环境稳定性，包括耐化学性，海水相容性和在宽温度范围内的耐老化和压缩变定性。其还是比橡胶更容易和更有性价比的方法，并且不像橡胶和热固弹性体，其还可再循环。其可以通过各种热塑性加工技术轻易地形成到压缩元件中，包括注射模塑、挤出、吹塑成型、旋转模制和熔融浇铸。特别地，折皱挤出可以允许容易和高性价比地制造具有回转的中空管。加工温度在177和260℃之间。
根据一组实施方案，折皱圆柱形元件由聚合物或聚合物混合物制成，所述聚合物或聚合物混合物包含∶共聚多酯热塑性弹性体(TPC)，例如共聚醚酯或共聚多酯，其为具有通过酯键头尾接合的多个重复长链酯单元和短链酯单元的共聚物，所述长链酯单元由式(A)代表∶
并且所述短链酯单元由式(B)代表∶
其中∶G为从优选具有约400至约6000的数均分子量的聚(烯基氧化物)二醇上除去末端羟基基团之后残留的二价基团；
R为从具有小于约300的分子量的二元羧酸上除去羧基之后残留的二价基团；和
D为从具有优选小于约250的分子量的二醇上除去羟基基团之后残留的二价基团；并且其中所述共聚醚酯优选地含有约15至约99重量％的短链酯单元和约1至约85重量％的长链酯单元。
如本文中所用，当用于聚合体链中的单元时，术语"长链酯单元"是指长链二醇与二元羧酸的反应产物。合适的长链二醇为聚(烯基氧化物)二醇，其具有末端(或尽可能接近末端)羟基并且具有约400至约6000、优选地约600至约3000的数均分子量。优选的聚(烯基氧化物)二醇包括聚(四亚甲基氧化物)二醇，聚(三亚甲基氧化物)二醇，聚(氧化丙烯)二醇，聚(氧化乙烯)二醇，这些烯基氧化物的共聚物二醇，以及嵌段共聚物如氧化乙烯-封端的聚(氧化丙烯)二醇。可以使用这些二醇中两个或更多个的混合物。
当用于聚合体链中的单元时，术语"短链酯单元"是指低分子量的化合物或聚合体链单元。它们是通过使低分子量二醇或二醇混合物与二元羧酸反应以形成上式(B)代表的酯单元而制得。反应形成适用于制备共聚醚酯的短链酯单元的低分子量二醇是非环状、脂环族和芳族二羟基化合物。优选化合物是具有约2-15个碳原子的二醇，例如乙二醇，丙二醇，异丁二醇，丁二醇，1,4-戊二醇，2,2-新戊二醇，己二醇和癸二醇，二羟基环已烷，环己烷二甲醇，雷琐辛，氢醌，1,5-二羟基萘等等。尤其优选的二醇是含有2-8个碳原子的脂族二醇，并且更优选的二醇是1,4-丁二醇。
优选地，折皱圆柱形元件的弹性体材料具有在5和100MPa之间、优选约30MPa的拉伸强度(屈服)。弹性的拉伸模数(例如根据ISO 527-1/-2测量)可以为至多20,000MPa，但优选在25MPa和1200MPa之间，最优选在100和600MPa之间。现在将描述适用于上述所有本发明的方面的系泊组件的某些一般特征。
无论可变形元件是否包含数个拉伸和/或压缩元件，弹性体元件优选至少在系泊组件的端部连接在一起。这可以确保施加到组件的拉伸应力在不同元件之间分担。优选地在组件的端部提供附接构件。这种附接构件可以设计和优化用于将系泊组件连接到系泊系统中的其它组件，例如连接到拴系线和锚。在一组实施方案中，数个弹性体元件优选平行排列地连接在附接构件之间。平行排列意味着所述元件设置成平行地响应施加的拉伸应力。所述元件可以物理地彼此平行定位，但也可以如上文提及那样围绕另一个或多个而放置、缠绕或包裹。也如上文所述，其它非弹性体元件可以与弹性体元件串联连接并因此可以将弹性体元件连接到端部附接构件。附接构件优选地为非弹性的，并且用于在系泊组件内部将拉伸应力传递至元件。
提供在系泊组件的端部的附接构件可以呈与拉伸和/或压缩元件分离的端部连接器的形式。这可以向组件制造商提供与提供组件的拉伸响应的元件无关的设计端部连接器的能力。或者，附接构件可以通过所述拉伸和/或压缩元件中的一个或多个整体地提供。在优选组的实施方案中，系泊组件包含长度L的包括整体形成的端部连接器的一个或多个拉伸弹性体元件。例如，端部连接器可以被模制到弹性体元件中。一个或多个这种端部连接器可以组成附接构件，从而免除分离端部连接器和其连接至元件的需要。端部连接器可以通过弹性体材料的增厚部分形成，使得它们比主要元件更刚性。
在优选实施方案中，系泊组件在其未伸展状况下相对更短。例如，能够拉伸至40m的15m长组件可以将系泊系统的覆盖区从150m减小至40m。组件的延长将取决于其操作条件，例如波浪和/或潮汐流的大小。因为相比于在常规(例如)悬索系泊系统中的运动，由根据本发明的实施方案的系泊组件拴系的装置的轨道运动可以更受约束，这可以确保沿组件本身的应力基本上恒定。在至少一组实施方案中，系泊组件优选地具有选自以下的拉延长度L：(i)5-10m；(ii)10-15m；(iii)15-20m；(iv)20-25m；或(v)25-30m。这是在未伸展状况下测量的组件的长度。在一组实施方案中所述系泊组件的优选长度是12-16m。
本发明还涉及至包含上文所述的系泊组件的系泊系统。在优选组的实施方案中，组件被浸没并直接或间接在浮体和海床之间。例如，该组件可以连接在浮体如浮动渔场、浮动平台或浮动风电场与海床之间。该系泊系统可以包含一个或多个系泊组件，并且可以使用不同系泊组件的组合。该系泊系统可以是用于深海环境、潮汐流环境或挡潮闸环境的系泊系统。
在另一个组实施方案中，组件连接在两个(或更多个)浮体之间。该连接可以是直接或间接的。因此，优选的是在某些实施方案中，该组件直接或间接连接在第一浮体和第二浮体之间并且任选地，该浮体形成阵列的一部分。在这种实施方案中，该系泊组件可以通过针对可能具有更大惯性的另一个浮体而作出反应来响应一个浮体的运动。
在优选实施方案中，组件可能的延长(即可用的伸展)应使得要求组件的最小长度实现所需性能。优选地，该组件能够延长至多300％。在系泊系统的至少某些实施方案中，将该组件接近于海洋表面放置(较大系泊系统的一部分)以最小化对系泊系统其余部分的应力。这确保波浪或潮汐运动使得仅系泊组件(并且不是整个系泊系统)伸展。在系泊系统的至少某些实施方案中，组件连接在浮动元件与常规系泊线如合成绳索(例如)和/或钢链之间。该连接可以是直接或间接的。系泊组件中的一个或多个可以串联或平行连接。
在一组优选实施方案中，系泊系统包含浮动平台并且系泊组件连接在平台与海床之间。在至少某些实施方案中，系泊组件优选地连接在浮动平台与连接到海床的系泊线之间。该系泊线可以包含合成绳或钢链。还可通过常规系泊线如合成绳索将组件连接到平台。浮动平台可以形成潮汐或波能转化装置的一部分。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用于深海系泊系统的系泊组件的方法，所述方法包含以下步骤：识别待系泊的主体和所述主体待系泊的位置；确定在所述位置处所述主体上的预期环境载荷；用该组件上系泊力的所需变更来确定所述组件响应预期环境载荷所要求的应力应变响应；和从由弹性体材料形成的数个不同可变形元件形成该系泊组件，其中该组件具有拉延长度L并且该元件中的至少一个具有<L的长度L’，以使得组件的所要求响应为复合可逆非线性应力应变响应，该响应为数个弹性体元件中的每一个的响应的组合并且在组件上提供系泊力的所需变更。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用于深海系泊系统的系泊组件的方法，所述方法包含以下步骤：识别待系泊的主体和所述主体待系泊的位置；确定在该位置处主体上的预期环境载荷；用组件上系泊力的所需变更来确定组件响应预期环境载荷所要求的应力应变响应；和由至少一个拉伸元件和至少一个压缩元件形成系泊组件，所述拉伸和压缩元件均设置成响应于拉伸应力而经受应变，以使得组件的所要求响应为复合可逆非线性应力应变响应，该响应为元件的响应的组合并且在组件上提供系泊力的所需变更。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用于深海系泊系统的系泊组件的方法，所述方法包含以下步骤：识别待系泊的主体和所述主体待系泊的位置；确定在该位置处主体上的预期环境载荷；用组件上系泊力的所需变更来确定组件响应预期环境载荷所要求的应力应变响应；和从数个不同可变形元件形成所述系泊组件，所述数个不同可变形元件由弹性体材料形成并且平行设置以便响应拉伸应力，其中所述弹性体元件中的至少一个为具有对应于组件的未伸展长度L的长度L的拉伸元件，并且弹性体元件中的至少另一个为具有<L的长度L’的压缩元件，以使得组件的所要求响应为复合可逆非线性应力应变响应，该响应为元件的响应的组合并且在组件上提供系泊力的所需变更。
虽然已经在控制承受波浪和/或潮汐运动的浮动物体的运动的系泊组件和系统的背景下描述了本发明的各个方面和实施方案，但上文所述的组件和系统也可应用于海洋系泊以外。特别地，包含至少一个拉伸弹性体元件和至少一个压缩弹性体元件(拉伸和压缩弹性体元件均设置成响应于拉伸应力而经受应变)的组件可以用于在非海洋环境中拴系物体。上文所述的任一特征可能潜在地甚至在非海洋环境中也同样适用。
本发明因此涉及一种系绳，其包含至少一个拉伸弹性体元件和至少一个压缩弹性体元件，所述拉伸和压缩弹性体元件均设置成响应于拉伸应力而经受应变。
应了解本发明的某些优选特征(为清楚起见，上文在单独实施方案的背景下已描述)也可以单个实施方案的组合来提供。相反，本发明的各种优选特征(为简便起见，已在单个实施方案的背景下描述)也可分别地或以任何合适的子组合来提供。
附图说明
现在将仅以举例方式并且结合附图描述本发明的某些优选实施方案，其中∶
图1是现有技术的悬索系泊系统的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的系泊系统的示意图：
图3是根据本发明的实施方案的系泊组件的复合响应曲线的实例；
图4示出根据本发明的实施方案的系泊组件的经修整的复合响应曲线；
图5示出取决于系泊组件类型的系统中的水平系泊力；
图6是未伸展构造的根据本发明的系泊组件的第一实施方案的透视图；
图7a是半伸展构造的图6的系泊组件的透视图；
图7b是完全伸展构造的图6的系泊组件的透视图；
图8是根据本发明的系泊组件的第二实施方案的透视图；
图9是根据本发明的系泊组件的第三实施方案的透视图；
图10是根据本发明的系泊组件的第四实施方案的透视图；
图11是根据本发明的系泊组件的第五实施方案的透视图；
图12a是未伸展构造的根据本发明的第四实施方案的系泊组件的透视图；
图12b是半伸展构造的图12a的系泊组件的透视图；
图12c是完全伸展构造的图12a和12b的系泊组件的透视图；
图13是根据本发明的系泊组件的第六实施方案的透视图；
图14是根据本发明的系泊组件的第七实施方案的透视图；
图15a、15b和15c是根据本发明的系泊组件的第八实施方案的透视图；
图16是适用于系泊组件的第四至第八实施方案的圆柱形压缩元件的示意性局部视图；
图17是沿A-B线获取的图16中所示元件的横断面图；
图18是根据本发明的另一个实施方案的系泊系统的示意图；
图19提供就覆盖区和成本而言不同系泊系统之间的比较；
图20比较三个不同系泊系统的性能；
图21a是用于船舰的常规系泊系统的示意图；
图21b是根据本发明的实施方案的船舰的系泊系统的示意图；
图22a和22b示出常规系泊系统如何对衰减型波能转化(WEC)装置的环境载荷作出反应；和
图23a和23b示出根据本发明的实施方案的系泊系统如何对衰减型波能转化(WEC)装置的环境载荷作出反应。
具体实施方式
图1(先前讨论)描绘常规悬索系泊系统1，而虽然图2涉及包含根据本发明的实施方案的系泊组件2的拉紧系泊系统1’。在这些图中，浮动平台3通过系泊线5,5’连接到海床4。图1示出长悬索线5如钢链。从图1中可见，由波浪导致的平台3的圆周运动导致当从海底4拉起时系泊线5的大水平运动包络。当水深度由于大波浪而增加时，悬索链5因为平台3向上和向左移动而被提升离海床4。对于小波浪，当水深度降低并且平台3向下和向右漂移时，链5沿海床4布置。因此，需要大量的链和大空间包络来在水深度上升和下落时允许水平运动。系泊系统1的大覆盖区限制平台3在阵列中的定位。此外，该组件上的系泊力很高(Fmax)并且通过整个链传送，在所有点上经受。
另一方面，图2中可见，根据本发明的系泊组件2的拉紧构造能够用相对小的水平运动包络和小海床覆盖区实现低余地。相比于例如使用钢链的悬索系统1，这由系泊组件2的高延展性引起。系泊组件2的拉紧构造显著减少所要求的材料量，因此当波浪高度改变时平台3的轨道较小。这允许在阵列中，例如再生能源装置如潮汐涡轮机或波能转化装置的阵列中，浮动平台更大的封装密度。此外，系统中系泊力减小(Fmin)，无需将大重量的链拉离海床。
从图2中可见，系泊组件2(示意性示出)可以被结合用作系泊系统1’的较低部分中连接在平台3和较小链5’之间的系绳。用简单提供与海床4连接的链5’，系泊组件2吸收大多数系泊力(Fmax)。弹性体组件2可以在平台3和链5’之间间距增加时在它们上实现修整的反作用力，显著减小在较低的链5上产生的载荷力(Fmin)。弹性体组件2可以连接到任何常规系泊线5’，例如钢链或线。
从图2中还可见，浮动平台3的垂直运动可以基本上保持相同，但就经受的力而言，对系泊系统1’其余部分的作用是实惠的实质上的。当弹性体元件可以延长以适应平台3的运动时，系泊组件2上的力可能减小。一般而言，当与传统系泊线5相比时，系泊系统1’的其余部分的总横截面积可以减小超过30％，从而显著减小成本。
图3是示出根据本发明的系泊组件的变形与根据可逆非线性复合应力应变响应由组件施加的载荷的曲线图。图3的"初始接合"区域示出正常波浪条件下的理想响应，"渐进"区域示出极端条件下的理想响应，并且"饱和"区域示出当条件变得极端使得必需保护性功能时的理想响应。可见，应力应变响应理想地是梯度无任何剧烈变化的平滑曲线。此外，组件上的系泊力在相对低水平下通过"初始接合"和"渐进响应"区域维持，这是弹性体元件的逐渐变形的结果。这种响应曲线与悬索系统中所见的十分不同，在所述悬索系统中，系泊力一般较高并且可能响应于波浪高度的变化而突然增加。
图4示出系泊组件的所需非线性响应曲线可以如何从拉伸弹性体元件和压缩弹性体(例如热塑性)元件的组合中产生。实线示出示出总响应，而虚线示出来自拉伸("弹性体")元件和压缩("热塑性")元件的个别贡献。所需响应具有低刚性扩展的长区域。在理想情境下，施加相同载荷的情况下，不论如何延长，这将是几乎平坦的。该范围将对应于正常环境中浮动装置的典型轨道运动。在其中轨道运动或组合的轨道和当前运动变得更大的极端环境中，要求更高的响应并且该响应通过压缩元件实现。正常操作条件下柔性响应与极端条件下刚性(但非几乎无限)响应的这一匹配允许在所有操作条件下使载荷最小化。重要的是，这种响应是平滑的，以便使对系泊系统的任何峰载荷或冲击最小化。含有钢旁路环的传统弹性体系泊锚索，例如Seaflex、Hazelette、Supflex等提供的那些，将有效地具有在响应曲线末端无限增加的斜率。如果达到这样一点，将在系泊中导致极端冲击力，有故障风险。
图5提供具有钢线的悬索系统(A)、具有聚合物线的悬索系统(B)和诸如图2的实施方案中所示的拉紧系泊系统(C)之间的比较。在诸如百年一遇风暴的极端载荷下，总最大水平系泊力可能为5MN，载荷变化为～3.2MN。可见，系统A和B的最大力比系统C大很多。此外可见，系泊系统上力的变化对于系统A和B而言十分大，但在系统C中，该力在仅0.5MN的有限范围内变化。因此，由于弹性体系泊组件的几乎恒定的应力应变响应和在大延长范围例如20-70％内的低力，系泊系统C能够比常规系统更加有效地应付波浪高度的变化。
相比于悬索系统，根据本发明的实施方案的弹性体系泊组件可以显著降低系统上的系泊力，例如降低>75％。
图6中示出包含平行设置的三个弹性体拉伸元件12a-12c的根据本发明的系泊组件10的第一实施方案。中间元件12a具有匹配组件的可能为16m的拉延长度的长度L。另一个元件12b具有可能为8m的<L的长度L’。另一个元件12c具有可能为4m的<L的长度L’。通过钢缆绳14将两个更短的元件12b、12c连接到组件的端部。虽然弹性体元件12a-12c作为并排布置示出，但它们可以代替地以任何合适方式围绕彼此包裹。
图7a和7b示出第一实施方案的系泊组件10如何响应于拉伸应力而伸展。从图7a中可见，对应于拉延长度L的中间元件12a首先伸展，而缆绳14开始延展，但两个更短元件12b、12c初始未处于张力下。当组件10进一步伸展，缆绳14变得拉紧并且更短元件12b、12c也开始被接合。图7b示出延展后期，其中所有三个弹性体元件12a-12c处于张力下并且伸展至各种程度，从而贡献组件10的复合应力应变响应。可以选择弹性体元件12a-12c的长度、直径和/或材料以提供复合可逆非线性应力应变响应，其将响应于预期环境载荷即波浪状况而在组件上提供相对低且逐渐变化的系泊力。
图8示出包含平行设置的六个弹性体拉伸元件22a-22f的根据本发明的系泊组件20的第二实施方案。图7a和7b和8均示出可能具有16m的拉延长度L的系泊组件。在图8中所见实施方案中，六个元件22a-22f中的每一个均具有不同的长度和直径。弹性体元件22b-22f中的五个具有<L的长度L’并且通过钢缆绳24连接到组件20的端部。应了解，元件22a-22f的长度和直径可能取决于所用弹性体材料的拉伸强度。使用拉伸强度～6MPa的材料，六个不同元件的尺寸可能为例如表1中所列。
如果图8中所示系泊组件由具有≥组件的拉延长度L(例如16m)的长度的拉伸元件组成，则对于拉伸强度～6MPa的材料，系泊组件将具有～10T的总重量。然而，通过代替地仅使用一个长度L的元件和若干<L的长度L’的元件，在较短元件通过钢缆绳24连接到系泊组件的端部的情况下，可以使用相同拉伸强度的弹性体材料将组件的总重量降低至7T。可以通过对一个或多个元件使用甚至更高强度的弹性体材料，实现进一步重量减少。
图9示出根据本发明的系泊组件30的第三实施方案。该组件类似于图8，其中六个弹性体拉伸元件32a-32f平行设置，但另外，组件30还包括中央引导元件36以横向地分离元件32a-32f。这种引导元件36可以帮助确保当组件30移动和伸展时元件32a-32f之间无接触，或至少确保元件32a-32f不变得缠结。在该实例中，引导元件36包含用于弹性体元件32a-32f的一排六个分离通道。引导元件36被设计成使得不抑制元件32a-32f拉伸，因此拉伸元件32a-32f的弹性体材料和引导元件36的材料之间优选地存在低摩擦系数。取决于组件30的大小，引导元件36可能可以用于增添形态或刚性。
图10至15a、15b和15c涉及本发明的其它实施方案，其中至少一个拉伸弹性体元件42、52、62、72、82与至少一个压缩弹性体元件48、58、68、78、88平行连接以形成系泊组件40、50、60、70、80。在这些实施方案中，拉伸元件42、52、62、72、82(例如由弹性体材料形成的延长元件)在较低的力下实现系泊组件40、50、60、70、80的主要扩展。压缩元件48、58、68、78、88的形式为更高强度弹性体材料如的折皱管。压缩元件48、58、68、78、88连接在系泊组件的端部连接器41、51、61、71、81之间，使得其不发生拉伸力，直至已经达到某延长。因此，应理解系泊组件40、50、60、70、80的拉伸响应是由来自主要在较低延长下的拉伸元件42、52、62、72、82的贡献和来自主要在较大延长下的压缩元件48、58、68、78、88的贡献组成的复合响应。可以选择弹性体元件并设计成提供具有图3或4中所见一般形式的平滑拉伸响应曲线。图10的系泊组件40的扩展见于图12a至12c中。
在图10至12a、12b和12c的实施方案中，用将拉伸应力传递至压缩元件48、58的钢缆绳44、54，将压缩元件48、58安装在静止板46a、56a和可移动板46b、56b之间。可见，存在四个缆绳44、54，例如钢缆绳，两个缆绳从一个端部连接器41b、51b延展至可移动板46b、56b，并且两个缆绳从另一个端连接器41a、51a延展且穿过静止板46a、56a然后在压缩元件48、58的另一端处的附接到可移动板46b、56b。结合图12a、12b和12c将发现，当缆绳44、54全部附接到可移动板46b、56b时，静止板46a、56a不在压缩元件48、58的参照系中移动，并且可移动板46b、56b被拉向静止板46a、56a以在其间压缩元件48、58。在整个系泊组件40、50的参照系中，相比于拉伸元件42、52，压缩元件48、58与其端部板46a、46b、56a、56b可以根据缆绳44、54的相对延长而相对于拉伸元件42、52自由移动。
缆绳44、54示出沿其长度的至少一部分具有蛇形构造，使得它们将从其初始长度延展，然后开始将拉伸应力传递到压缩元件48、58。在图10中，穿过可移动板46b的两个缆绳44在端部连接器41b和压缩元件48之间呈蛇形，但沿压缩元件48的长度到固定板46a为直线。这可以帮助确保当缆绳44在可移动板46b上拉动以压缩元件48时缆绳44的平滑通道穿过静止板46a。另一方面，在图11中，缆绳54沿其整个长度为蛇形，因此该系泊组件50被设计成在比图10的系泊组件40更大延长下提供来自压缩元件58的刚性响应。缆绳44、54的刚性和/或构造可以在所需延长下根据系泊组件40、50的所需响应曲线来调整以将拉伸力选择性传递到压缩元件48、48，所述响应曲线可以针对将使用系泊的位置修整至预期环境载荷。
图13、14和15a、15b和15c示出其它本发明的实施方案，其中至少一个拉伸弹性体元件62、72、82与至少一个压缩弹性体元件68、78、88平行连接以形成系泊组件60、70、80。在图13至15a、15b和15c的实施方案中，一个或多个刚性缆绳64、74、84操作性连接到压缩元件68、78、88的两个端部元件66a、66b、76a、76b、86a、86b，使得当缆绳64、74、84处于拉伸应力下时，它们在压缩元件68、78、88的相对端66a、66b、76a、76b、86a、86b上拉动，使得所述压缩元件在经受应变时压缩。在图13中可见，缆绳64可以从压缩元件68的一个端部连接器61a到相对端部元件66b和从其它端部连接器61b到相对端部元件66a基本上直线通过。当系泊组件60处于拉伸应力下时，弹性体元件62将首先伸展，因为相比刚性缆绳64其具有弹性。当应力增加时，缆绳64将开始将拉伸应力传递到压缩元件68，使得其开始经受应变。在图14和15a、15b和15c中可见，缆绳74、84至少沿其长度的一部分盘绕，因此当它们伸展时可以提供初始拉伸响应，然后将压缩元件78、88处于应变下。这些系泊组件70、80设计成在比图13的系泊组件60更大的延长下提供来自压缩元件78、88的刚性响应。在图15a、15b和15c中还可见由两半89a、89b形成的外壳，每一半连接到各自的端部连接器81a、81b，但这不添加对系统响应的物理影响。
图15a-15c示出不同载荷情境下的组件80。在该实施例中，芯弹性体元件82在两个端部连接器81a、81b之间延展，并且盘绕的钢缆绳84将弹性体元件82的各端部连接器81a、81b连接到压缩元件88的相对端。当组件80伸展时，图15b示出盘绕的钢缆绳84完全退绕的一点。这可以设计成与正常操作条件中要求的最大延展对应。系统的载荷响应通过达到该点的弹性体元件82单独实现。当组件80进一步伸展时，载荷现在转移到更刚性压缩元件88上。该元件88压缩，在更短延长长度内实现更高载荷响应，保护弹性体元件82以免过于伸展。
比较图6至12a、12b和12c与图13至15a、15b和15c可见，可以独立于所用弹性体和/或压缩元件的数量和类型，选择系泊组件的端部连接器。在图6-12a、12b和12c中，端部连接器，例如图10-11中所见连接器41、51，独立于拉伸组件提供并且连接到其中。使用刚性非弹性连接。图13-15a、15b和15c中，端部连接器61、71、81通过各自拉伸组件62、72、82整体地提供，例如，各弹性体组件62、72、82的端部被模制到包含一个或多个孔或环等等的端块61a、61b、71a、71b、81a、81b中以实现与系泊系统的其余部分的连接。这种整体弹性体连接器可能是优选的，其中需要降低系泊中单独组件的数量和/或降低非聚合组件的数量，例如钢连接器，可能易于在严酷海洋环境中腐蚀。
在图10至15a、15b和15c中的实施方案中，压缩元件48、58、68、78、88被设计成当经受压缩时在极端扩展下实现高反作用力。弹性体材料如用于拉伸元件42、52、62、72、82的橡胶可以具有相对低强度，例如1.2MPa，而弹性体材料如用于压缩元件48、58、68、78、88的可以具有相对高的强度，例如30MPa。
应理解，相比于图6至9的实施方案，图10至15a、15b和15c的实施方案使得系泊组件的重量能够甚至进一步减少。如果相同弹性体材料用于系泊组件中的所有拉伸元件，则用强度～1.2MPa的橡胶元件承受2.5MN的力的组件要求>2m2的总材料横截面。对于75％延长，所要求的材料体积将为15m3，等同于～16.5T的重量。如果强度～1.2MPa的橡胶拉伸元件与强度～30MPa的压缩元件组合，则该组件可能在压缩元件中代替地包含～1m2的橡胶材料横截面()贡献1.2MN的反作用力)和～0.05m2的弹性体材料横截面(贡献1.5MN的反作用力)。总材料体积降低至<10m3并且系泊组件的重量降低至～10T。
应了解，图10至15a、15b和15c的实施方案示出将拉伸弹性体元件与压缩弹性体元件组合的系泊组件的基本元件，但这种系泊组件可能采用各种不同形式。例如，数个拉伸元件可以平行行行进至压缩元件。可能使用一个、两个、三个、四个、五个或六个更多的拉伸元件。沿与上文所述那些类似的线，这种拉伸元件可能具有不同长度、厚度、和/或材料。然而，和拉伸弹性体元件共同使用压缩弹性体元件的优点在于，总体上可能要求更少元件来实现系泊组件的所需复合应力应变响应。缆绳的数量和构造也可能根据所需响应曲线而变化。当然，在系泊组件中操作性连接该压缩元件的缆绳可能不是钢，但可能由任何刚性材料例如或形成。
上文所述的设计可以有许多变化。一个实施例可能具有附接到组件一端而不是中央的压缩元件。该降低复杂性并且允许其整合到连接器设计中。另一个实施例可能将压缩元件移动到弹性体元件之外，而无需让压缩元件的中央下方行进。这特别适合于具有多个弹性体元件或其中使用压缩元件的平行阵列的的应用。
在有利的构造中，压缩弹性体元件48、58、68、78、88采用中空折皱管的形式，其具有从中穿过的至少一个拉伸元件42、52、62、72、82。这提供紧凑排列，其中元件连接以平行接收拉伸应力，并且最小化材料体积。虽然已将拉伸元件42、52、62、72、82示出为穿过中空压缩元件48、58、68、78、88，但应理解，一个或多个拉伸元件可能并排地行进，而不是穿过压缩元件。压缩元件可能为固体。此外，可以使用一个以上压缩元件，其中压缩元件在系泊组件中串联和/或平行连接。
圆柱形压缩元件68的一个实例在图16中示意性示出，其中A-B线标明元件68的对称轴。在图17中，T标明厚度，P标明节距，，a)标明峰部，b)标明谷部，Rint标明谷部的直径，Rext标明峰部的直径，rc标明在波纹的最小外直径处的圆角半径，并且rs标明在波纹的最大外直径处的圆角半径。通过变化壁厚度T，藉由改变峰部的直径/半径(Rext)和谷部的直径/半径(Rint)来改变峰部直径与谷部直径的比率，通过改变波纹/回转的数量，通过改变节距P或通过改变波纹的最小外直径处的圆角半径(rc)和波纹的最大外直径处的圆角半径(rs)，有可能改变压缩元件的弹性响应。
在一个实施方案中，圆柱形元件具有以下相对尺寸∶P＝P,Rext＝4P to 5.5P,优选4.8P,T＝0.1P to 0.5P,优选0.2P,rc＝0.08P to 0.1P,优选0.083P,和rs＝0.25P to0.4P,优选0.3P。
图18示出根据本发明的系泊系统1’的另一个实施方案。系泊系统1’包含根据本发明任何上述实施方案的一对系泊组件2，其藉由水面或水面下浮标8和松弛中间线5’，直接连接到海床4并且连接到浮体3。系泊系统1’用无变化最小覆盖区和锚系统上的低载荷实现其功能。系泊系统1的选择通常取决于具体浮体所要求的载荷类型。
图19表明存在许多方式可以将系泊组件用于具有各种各样系泊建筑的系统。通过使用拉紧的系泊系统实现较小覆盖区，但这通常导致较高成本，因为如果存在显著的垂直载荷，垂直荷载锚(VLA)很昂贵。使用根据本发明的一个实施方式的系泊组件的系统，如左下实例中所见，可以实现更低载荷，并由此可以使用更小的锚，显着地降低成本。这就是该组件是以直线应用于被系泊装置还是应用于使用水面浮体或水面下浮体系统的情况。
图20示出三个不同系泊建筑的实例和它们在相同条件下如何表现。重要的是设计组件以匹配预期的环境条件。如先前讨论，弹性体元件可以足够长以覆盖正常操作条件下的轨道运动。第一曲线(菱形)示出连接在海床和被系泊装置之间的优选系泊组件的响应。当组件的长度增加时(相对于系泊腿的总长度)，峰载荷下降。一旦弹性体元件大于总长度的～35％(在该情境下)，则载荷已经最小化。这等同于装置的轨道运动。第二曲线(正方形)示出当用与被系泊装置的绳索连接连接到浮体时，优选系泊组件的响应。在该情境中，因为绳索允许轨道运动，存在更短的到组件的最小长度，但峰载荷更高并且覆盖区将更高。最后的曲线(三角形)示出直接连接至被系泊装置的悬索链经受的载荷。在此情况下，该链始终为100％的总长度，并且沿海床行进几百米使得在锚点处不存在垂直载荷。在这种悬索系泊系统中，该载荷始终很高。
图21a描绘船舰3的常规悬索系泊系统，其中若干合成系泊线或钢链5被锚定至海床。可见，线或链必须很长，例如达到2km，以便应付水深度的变化并且沿海床的表面提供所要求的载荷。链5的长度必须提供足够重量以在重船即便在相对小的波浪如5m浪上移动时抵抗水平力。图21b中示出系泊系统，其包含连接在船舰3和锚定系泊线5’之间的根据任何上述实施方案的组件2。在该系统中，系泊系统中的线5’可以更短，因为组件2允许大程度的延长，并且提供其中载荷降低的复合应力应变响应。弹性体组件2甚至可以将系泊系统中的垂直力降低至一水平，该水平意味着锚可以直接连接至海底而不是沿海床布置。
图22和23a和23b示出公布的用于诸如可得自Pelamis Wave Power Limited的衰减型波能转化(WEC)装置的系泊建筑。该装置是半浸没、铰接结构，其由铰链接合连接的圆柱形部分组成。这些接合点的波浪诱导运动通过液压撞槌转换为电。当前的生产装置为150-180m长且直径4-6m。各装置需要由主要系泊和偏航约束线组成的其自身独立的系泊分布。主要系泊由连接到中央点的许多锚组成。偏航约束线是简单的单个锚和系泊线构造。系泊分布应该设计成最小化其覆盖区面积，允许功率容量高度集中于海床空间并且降低基本设施成本。
从图22a和22b中可见，使用常规悬索系泊线5例如钢链，可能难以使装置的覆盖区最小化，因为大量的链必须提升离海床以使装置能对波浪和/或潮汐运动做出反应。在图23a和23b中，另一方面，该系泊系统包括例如连接在装置和锚线5’之间的根据本发明的任何上述实施方案的一个或多个弹性体系泊组件2。因为系泊组件2能够延长100％或更多，甚至达到250％延长，所以系泊系统的覆盖区更加小。这使得更容易将若干装置以阵列方式连接在一起。例如，初始拉延长度为18m的系泊组件可以允许30-40m的延长并同时承受5MN的力。此外，当弹性体组件替代钢悬索线使用时，系泊系统上的载荷力可能降低70％。
从上述描述中，应理解，根据本发明的系泊组件和系泊系统有利地提供小余地，即允许相对于深度的大波浪高度变化，并且还可以减小被系泊装置的水平运动包络和海床覆盖区。此外，可以针对在装置的系泊位置处的预期海洋状况，优化系泊组件的复合应力应变响应，使得在正常条件下，系泊组件可以实现几乎恒定的反作用力，但在极端条件下，该响应平滑地增加以提供大反作用力和高延长率(例如>10m/s)，从而允许保护避免狂浪状况。此外，系由于使用的弹性体材料，泊组件可在海水中具有长寿命和低疲劳度。
虽然已经结合优选实施方案描述了本发明，但其本领域技术人员应理解，可以不脱离如随附权利要求书中所述的本发明范围，进行形式和细节的各种改变。

Claims (26)

1.一种系泊组件，其包含至少一个拉伸元件和至少一个压缩元件，其中所述至少一个拉伸元件是由弹性体材料形成，其中所述至少一个压缩元件是由弹性体材料形成，所述拉伸和压缩元件都被设置成响应于拉伸应力经受应变，其中所述组件的应力应变响应是由数个不同弹性体元件中的每一者的响应的组合产生的复合弹性响应，其中所述至少一个压缩元件包含弹性模数比一个或多个拉伸元件更高的弹性体材料。
2.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个拉伸元件和至少一个压缩元件被设置成响应平行的拉伸应力。
3.如权利要求1所述的系泊组件，其包含设置成向所施加拉伸应力提供拉伸响应的至少一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多个弹性体元件。
4.如权利要求1所述的系泊组件，其包含设置成向所施加拉伸应力提供压缩响应的至少一个、两个、三个或更多个弹性体元件。
5.如权利要求1所述的系泊组件，其中至少一个拉伸元件由能够延长至少75％、100％、150％、200％、250％、或高于250％的弹性体材料形成。
6.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述组件具有选自以下的拉延长度L：(i)5-10m；(ii)10-15m；(iii)15-20m；(iv)20-25m；或(v)25-30m。
7.如权利要求1所述的系泊组件，其包含具有等于所述组件的拉延长度的长度L的至少一个拉伸元件和具有<L的长度L'的至少一个压缩元件。
8.如权利要求7所述的系泊组件，其中所述至少一个拉伸元件具有选自以下一个的长度L：(i)4-6m；(ii)6-8m；(iii)8-10m；(iv)10-12m；(v)12-14m；(vi)14-16m；(vii)16-18m；(viii)18-20m；或(ix)>20m。
9.如权利要求7所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件具有选自以下一个的<L的长度L'：(i)1-2m；(ii)2-4m；(iii)4-6m；(iv)6-8m；(v)8-10m；(vi)10-12m；或(vii)12-14m。
10.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件包含弹性模数为至少1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa或更大的弹性体材料。
11.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件在所述组件中操作性连接，以便仅当所述组件的延展为至少50％、100％、150％、200％、250％、300％、或超过300％时经受应变。
12.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述组件对以下一个或多个范围内的延长提供一般恒定的回复力：(i)20-30％；(ii)30-40％；(iii)40-50％；(iv)50-60％；(v)60-70％；(vi)70-80％；(vii)80-90％；(viii)90-100％；(ix)100-110％；(x)110-120％；(xi)120-130％；(xii)130-140％；(xiii)140-150％；(xiv)150-160％；(xv)160-170％；(xvi)170-180％；(xvii)180-190％；和(xviii)190-200％。
13.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述组件提供复合可逆非线性应力应变响应，所述响应包含对于高于100％、120％、140％、160％、180％、200％、220％、240％、或250％的延长的回复力增加。
14.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个拉伸元件包含数个不同的可变形弹性体元件，所述可变形弹性体元件具有不同长度和/或厚度和/或由不同弹性体材料形成。
15.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件具有至少10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa或更大的弹性模数。
16.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件与一个或多个拉伸元件平行连接。
17.如权利要求1所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件包含由弹性体材料形成的圆柱形折皱或波纹元件。
18.如权利要求17所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件为侧壁中具有环向波纹的中空管形式。
19.如权利要求17所述的系泊组件，其中所述圆柱形折皱或波纹元件具有选自以下一个的长度L'：(i)<0.5m；(ii)0.5-1m；(iii)1-2m；(iv)2-3m；(v)3-4m；(vi)4-5m；或(vii)>5m。
20.如权利要求17所述的系泊组件，其中所述圆柱形折皱或波纹元件具有选自以下一个的直径：(i)<0.1m；(ii)0.1-0.2m；(iii)0.2-0.4m；(iv)0.4-0.6m；(v)0.6-0.8m；(vi)0.8-1.0m；(vii)1.0-1.2m；(viii)1.2-1.4m；(ix)1.4-1.6m；(x)1.6-1.8m；(xi)1.8-2.0m；或(xii)>2.0m。
21.如权利要求17所述的系泊组件，其中所述至少一个压缩元件由热塑性弹性体材料形成。
22.如权利要求21所述的系泊组件，其中所述热塑性材料为热塑性聚氨基甲酸酯、热塑性硫化橡胶、热塑性聚烯烃弹性体、苯乙烯热塑性弹性体、或热塑性聚酰胺嵌段共聚物中的一种。
23.如权利要求21所述的系泊组件，其中所述热塑性材料为热塑性共聚醚酯弹性体。
24.如权利要求1所述的系泊组件，其中在所述组件的端部提供附接构件，所述附接构件采用端部连接器的形式，其中一个或多个拉伸元件包括整体地形成的端部连接器。
25.一种系泊系统，其包含根据权利要求1所述的一个或多个系泊组件，其中所述组件在两个或更多个浮体之间直接或间接连接。
26.一种制造用于深海系泊系统的系泊组件的方法，所述方法包含以下步骤：
识别待系泊的主体和所述主体待系泊的位置；
确定在所述位置处所述主体上的预期环境载荷；
用所述组件上所述系泊力的所需变更来确定所述组件响应预期环境载荷所要求的应力应变响应；
由至少一个拉伸元件和至少一个压缩元件形成所述系泊组件，其中所述至少一个拉伸元件是由弹性体材料形成，其中所述至少一个压缩元件是由弹性体材料形成，所述拉伸和压缩元件均设置成响应于拉伸应力而经受应变，以使得所述组件的所要求响应为复合可逆非线性应力应变响应，所述响应为所述元件的响应的组合并且在所述组件上提供所述系泊力的所述所需变更，其中所述至少一个压缩元件包含弹性模数比一个或多个拉伸元件更高的弹性体材料。
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