CN106915420B - 海工装备及其横撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海工装备及其横撑结构，横撑结构的端部伸入所述立柱内且与所述立柱的内部结构连接；横撑结构包括圆管和交叉设置在所述圆管内部并与所述圆管内壁相连的水平支撑板和竖向支撑板，所述水平支撑板和所述竖向支撑板贯穿设置在所述圆管的长度方向，且所述水平支撑板和所述竖向支撑板穿入所述立柱内并与所述立柱的内部结构连接，本发明通过合理布置横撑内部结构和横撑结构与立柱连接结构，使横撑结构内部刚度合理分配，匹配关系合理，避免了横撑结构内部的支撑板末端产生疲劳失效点的问题，提高横撑结构的可靠性，降低了横撑结构根部的弯矩应力水平、提高横撑根部结构的疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程建造领域，特别涉及一种海工装备及其横撑结构。
背景技术
目前，主流的半潜式平台均设计有左右两个浮体，浮体上设置有四根立柱，不同浮体上的每对立柱之间通过至少一水平横撑连接。传统的横撑加强结构只考虑了横撑局部结构的加强，仅仅从设置软趾肘板以及在横撑端部设置局部的交叉的插入板，来提高横撑结构的疲劳性能。然而这种做法具有明显的局限性：首先，内部插入板只设置在横撑端部，会在加强板末端会产生额外的疲劳失效点，降低横撑结构的可靠性；其次，这种加强结构只是利用插入板的板厚单纯的提高端部的刚度，但往往导致横撑端部板厚过大，增加生产建造难度；再次，这种方法没有考虑加强结构与横撑整体结构直接刚度的匹配关系，由横撑弯曲产生的载荷将大部分挤压在横撑端部，导致端部应力水平过高，影响疲劳寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明在于提供一种海工装备及其横撑结构，以解决横撑结构内部刚度不强和结构布局不合理等问题。
针对上述技术问题，本发明提出一种横撑结构，用以水平连接于下船体的左舷浮体与右舷浮体之间且分别与所述左舷浮体和右舷浮体上的立柱固定连接，所述横撑结构的端部伸入所述立柱内且与所述立柱的内部结构连接；所述横撑结构包括圆管和交叉设置在所述圆管内部并与所述圆管内壁相连的水平支撑板和竖向支撑板，所述水平支撑板和所述竖向支撑板贯穿设置在所述圆管的长度方向，且所述水平支撑板和所述竖向支撑板穿入所述立柱内并与所述立柱的内部结构连接。
在优选方案中，所述水平支撑板和所述竖向支撑板上均具有至少一减重孔，所述减重孔设置在所述竖向支撑板和所述水平支撑板的非边缘位置，以使所述水平支撑板和所述竖向支撑板在长度方向呈连续分布。
在优选方案中，所述减重孔的数量为一个且所述减重孔呈长圆形。
在优选方案中，所述圆管的内壁连接有多个环形加强筋，各环形加强筋沿着所述圆管内壁的长度方向间隔分布，且各环形加强筋均连接所述竖向支撑板和所述水平支撑板。
在优选方案中，每两个环形加强筋的间距不大于4m。
在优选方案中，所述减重孔的轮廓线由两开口相向的抛物线和连接在两抛物线之间的直线段构成，其中两环形加强筋分布在靠近所述抛物线顶点的区域，其余环形加强筋分布在所述减重孔轮廓线的直线段区域。
在优选方案中，所述环形加强筋穿入所述竖向支撑板和所述水平支撑板并与其相连，分布于所述减重孔轮廓线的直线段区域的环形加强筋将所述竖向支撑板和所述水平支撑板分隔成多个相互分离的扁钢。
在优选方案中，所述环形加强筋包括：环形的腹板和圆筒形的翼板；所述腹板垂直于所述圆管内壁且所述腹板的外圆周与所述圆管内壁相连，所述翼板固定环设在所述腹板的内圆周上并与所述腹板相垂直。
在优选方案中，所述环形加强筋的截面呈T形或L形。
在优选方案中，所述水平支撑板与所述立柱内部的水平舱壁固定连接，所述竖向支撑板与所述立柱内部的竖向舱壁固定连接。
在优选方案中，所述圆管穿入所述立柱并与所述立柱相连分段的管壁厚度大于其他位置分段的管壁厚度。
在优选方案中，所述圆管外侧壁与所述立柱外侧壁之间连接有软趾肘板，所述软趾肘板不与所述圆管和所述立柱相连的自由边呈椭圆弧形。
在优选方案中，所述软趾肘板包括两个水平软趾肘板和两个竖直软趾肘板，所述两个水平软趾肘板与所述水平支撑板在同一平面上，所述两个竖直软趾肘板与所述竖向支撑板在同一平面上。
在优选方案中，所述减重孔轮廓线的抛物线顶点距所述立柱外壁的距离是所述软趾肘板的顶端距所述立柱外壁的距离的1.5~2.5倍，所述减重孔轮廓线的抛物线顶点距所述立柱外壁的距离为所述横撑结构连接在两立柱之间的距离的1/4至2/5之间。
在优选方案中，连接在两立柱之间的横撑结构的数量为两个。
在优选方案中，两个横撑结构之间的水平软趾肘板对称设置并对接相连而使得两个水平软趾肘板的外缘连续连接且呈弧形。
在优选方案中，所述两个水平软趾肘板的弧形外缘至所述立柱外壁的最小距离不小于100mm。
在优选方案中，所述圆管的端头被立柱内的水平舱壁和竖向舱壁分隔成四段相互断开的管壁，每段管壁的端部均具有向内凹入的弧形鱼尾槽。
在优选方案中，所述每段管壁的末端均在所述弧形鱼尾槽处形成两个趾端，各趾端与立柱内舱壁相连的位置均连接一过渡结构，所述过渡结构包括：与所述趾端固定连接的第一部分和与所述第一部分为一体的第二部分，所述第一部分为矩形且其自由边与所述趾端的自由边平滑连接，所述第二部分的自由边沿远离所述弧形鱼尾槽的槽口方向渐缩至所述立柱内舱壁。
本发明还提出一种海工装备，包括海工装备主体和用以支撑所述海工装备主体的下船体，所述下船体包括：左舷浮体、右舷浮体、分设在所述左舷浮体与右舷浮体上的多个立柱以及上述的横撑结构。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：本发明的横撑结构通过合理布置横撑内部结构和横撑结构与立柱连接结构，使横撑结构内部刚度合理分配，匹配关系合理，该横撑结构克服了传统的横撑加强结构只考虑了横撑局部结构的加强来提高横撑结构的疲劳性能的局限性，避免了现有技术的横撑内部的支撑板末端产生疲劳失效点的问题，提高横撑结构的可靠性。同时，本发明横撑结构充分考虑了其本身以及与立柱之间的刚度匹配关系，降低了横撑结构根部的弯矩应力水平、提高横撑根部结构的疲劳强度。与传统横撑结构相比，本发明横撑结构在保证端部刚度的同时制作工艺更加简单。本发明横撑结构通过外壳圆管和内部水平/竖向支撑板与立柱充分连接，强度更强，抗弯距性能更好。
附图说明
图1是本实施例横撑结构的侧面视图。
图2是本实施例横撑结构的俯视图。
图3是图1中C部分的结构放大示意图。
图4是图1中D部分的结构放大示意图。
图5是图2中E部分的结构放大示意图。
图6是图1沿A-A方向的剖面示意图。
图7是图1沿B-B方向的剖面示意图。
图8是本实施例横撑结构与立柱连接结构示意图。
图9是过度结构的结构示意图。
附图标记说明如下：2、立柱；21、水平舱壁；22、竖向舱壁；3、横撑结构；31、圆管；31a、厚圆管分段；31b、薄圆管分段；311、管壁；3111、弧形鱼尾槽；35、过渡结构；351、第一部分；352、第二部分；321、水平支撑板；322、竖向支撑板；323、减重孔；324、扁钢；325、尾板；33、环形加强筋；331、腹板；332、翼板；41、水平软趾肘板；42、竖直软趾肘板。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
如图1至图9所示，本实施例的海工装备包括：海工装备主体和用以支撑海工装备主体的下船体，下船体包括：左舷浮体、右舷浮体、分设在左舷浮体与右舷浮体上的多个立柱2以及多个横撑结构3，其中，多个横撑结构3在同一水平高度上。横撑结构3用以水平连接于下船体的左舷浮体与右舷浮体之间且分别与左舷浮体和右舷浮体上的立柱2固定连接，横撑结构3的端部伸入立柱2内且与立柱2的内部结构连接。
本实施例中的海工装备包括半潜式平台和半潜船等其他多浮体海洋工程装备，连接在两立柱2之间的横撑结构3的数量为两个。
立柱2内部设置有水平舱壁21和竖向舱壁22，该水平舱壁21和竖向舱壁22将立柱2的内部空间分隔成多个舱室。
横撑结构3包括圆管31、水平支撑板321、竖向支撑板322和环形加强筋33。
立柱2的侧壁上设置有通孔，圆管31经该通孔伸入至立柱2并与立柱2内的水平舱壁21和竖向舱壁22相连，圆管31内部对应立柱2通孔的位置设置有封板，该封板与立柱2的侧壁平齐，将圆管31伸入立柱2内部的空间与圆管31伸出立柱2的空间相隔绝。
圆管31穿入立柱2并与立柱2相连分段的管壁厚度大于其他位置分段的管壁厚度，即圆管31至少包括两段厚圆管分段31a和一段薄圆管分段31b，厚圆管分段31a与立柱2相连，薄圆管分段31b同轴连接在两厚圆管之间，其相互之间通过焊接连接，增加横撑结构3截面延长度的刚度变化梯度，降低了圆管31重量，在保证圆管31基本性能和强度情况下降低了成本。具体地，厚圆管分段31a比薄圆管分段31b的壁厚10%，增强了横撑结构根部的抗扭刚度。
在其他实施例中，厚圆管分段31a和薄圆管分段31b还可以是一体成型的结构。此外，还可视需要在每根厚圆管分段31a的端部同轴连接一薄圆管分段。
圆管31的端头插入立柱2的位置是水平舱壁21和竖向舱壁22相交位置，且圆管31的中轴线与水平舱壁21和竖向舱壁22的交叉线相重合。水平舱壁21和竖向舱壁22插入圆管31中并将圆管31的端头分隔成四段相互断开的管壁311，每段管壁311的端部均具有向内凹入的弧形鱼尾槽3111。
每段管壁311的末端均在弧形鱼尾槽3111处形成两个趾端，各趾端与立柱2内舱壁相连的位置均连接过渡结构35。过渡结构35包括：与趾端固定连接的第一部分351和与第一部分351成为一体的第二部分352，第一部分351为矩形且其自由边与趾端的自由边平滑连接，第二部分352的自由边沿远离弧形鱼尾槽3111的槽口方向渐缩至立柱2内舱壁，较优地，第一部分351的宽度为a时，第二部分352的长度为3a~4a之间；横撑结构3端部通过弧形鱼尾槽3111和过渡结构35，在传递横撑结构3轴向应力的同时，避免在横撑结构3端部产应结构硬点，消除该点的疲劳隐患。横撑结构3通过圆管31、水平支撑板321、竖向支撑板322与立柱2以及立柱2的内部结构连接，降低了横撑结构3根部的应力水平、提高横撑结构3根部结构的疲劳强度。
本实施例中，圆管31的剖面外直径大于2米，具体地其外直径在2~2.5米范围之间，以保证横撑结构3具有足够抗扭与抗弯刚度；横撑结构3穿入立柱2的深度范围在四米至立柱2横向宽度的二分之一之间，保证横撑结构3上的轴向应力可以合理的传递到立柱2内侧的水平舱壁21。
水平支撑板321和竖向支撑板322交叉设置在圆管31内部并与圆管31内壁相连，水平支撑板321和竖向支撑板322贯穿设置在圆管31的长度方向，增加横撑结构3的截面刚度。且水平支撑板321和竖向支撑板322穿入立柱2内并与立柱2的内部结构连接，具体地，水平支撑板321与立柱2内部的水平舱壁21固定连接，竖向支撑板322与立柱2内部的竖向舱壁22固定连接；其中水平支撑板321和水平舱壁21在一个平面上，竖向支撑板322和竖向舱壁22在一个平面上。
水平支撑板321和竖向支撑板322上均具有减重孔323，减重孔323设置在竖向支撑板322和水平支撑板321的非边缘位置，以使水平支撑板321和竖向支撑板322在长度方向呈连续分布。
减重孔323的形状可以为圆形、椭圆形或长圆形等轮廓线平滑的形状，每个支撑板上的减重孔323的数量可以为一个，也可以为多个，各减重孔323沿竖向支撑板322或水平支撑板321长度方向排列。
较佳地，在本实施例中，减重孔323为长圆形，其轮廓线由两开口相向的抛物线和连接在两抛物线之间的直线段构成。
圆管31的内壁连接有多个环形加强筋33，各环形加强筋33沿着圆管31内壁的长度方向间隔分布，且各环形加强筋33均连接竖向支撑板322和水平支撑板321。进一步地，每两个环形加强筋33的间距不大于4m，保证横撑结构3的圆管31结构具有足够的屈曲强度。
其中，两环形加强筋33分布在靠近抛物线顶点的区域其余环形加强筋33分布在减重孔323轮廓线的直线段区域，即扁钢324所在区域。
环形加强筋33穿入竖向支撑板322和水平支撑板321并与其相连，分布于减重孔323轮廓线的直线段区域的环形加强筋33将竖向支撑板322和水平支撑板321分隔成多个相互分离的扁钢324以及位于扁钢324两侧的尾板325。
尾板325位于水平支撑板321和竖向支撑板322的两端，扁钢324位于水平支撑板321和竖向支撑板322中间位置，减重孔323在尾板325上形成一个抛物线形状的内凹槽，扁钢324的内侧边即为减重孔323的直线段轮廓线。尾板325上的抛物线的过渡距离L0范围是横撑结构3直径的1.5~2.0倍，利用尾板325自身形状调节横撑结构3截面在长度方向的刚度变化，扁钢324消除了尾板325趾端位置的疲劳风险点，同时使水平支撑板321和竖向支撑板322在横撑结构3内部纵向形成连续构件。在横撑结构3长度方向上连续设置的水平支撑板321和竖向支撑板322以及减重孔323的设置，从横撑整体结构上既有效地避免出现疲劳失效点，又减轻了重量。
需要说明的是，尾板325直接穿入立柱2，与立柱2内部的水平舱壁21和竖向舱壁22焊接，增加横撑结构3内部的连接强度。竖向的尾板325为一体成型件，竖向的尾板325穿入水平的尾板325。
请再次参阅图4，环形加强筋33的宽度大致与扁钢324的宽度相同，环形加强筋33的截面呈T形，其包括：环形的腹板331和圆筒形的翼板332；腹板331垂直于圆管31内壁且腹板331的外圆周与圆管31内壁相连，翼板332固定环设在腹板331的内圆周上并与腹板331相垂直，用来提供横撑结构局部屈曲问题，提高横撑结构的可靠性。本实施例中两扁钢324连接位置的环形加强筋33，其翼板332贴合在扁钢324的内侧边缘，加强扁钢和环形加强筋的同时消除其二者的连接疲劳硬点。
在实际使用中，环形加强筋33的截面还可以呈Ｌ形或与Ｔ形截面属性等效的其他形状，此处不作限定。
每个圆管31外侧壁与立柱2外侧壁之间连接有软趾肘板，软趾肘板不与圆管31和立柱2相连的自由边呈椭圆弧形。软趾肘板包括两个水平软趾肘板41和两个竖直软趾肘板42，两个水平软趾肘板41与水平支撑板321在同一平面上，两个竖直软趾肘板42与竖向支撑板322在同一平面上，增加横撑结构3的垂向刚度和水平刚度，同时消除垂向弯矩和水平弯矩在横撑结构3根部产生的疲劳风险。进一步地，竖直软趾肘板42的竖向高度L4不小于水平距离L3的0.6倍，其自由边的椭圆弧的长短轴比例大致等于竖直软趾肘板42垂直边比例。
两个横撑结构3之间的水平软趾肘板41对称设置并对接相连而使得两个水平软趾肘板41的外缘连续连接且呈弧形，进一步地该弧形为椭圆弧，该椭圆弧的长短轴之比控制在2：1至3：1之间，消除了两个横撑结构3之间的疲劳危险点。
两个水平软趾肘板41的弧形外缘至立柱2外壁的最小距离L1小于100mm。
此外，需要注意的是：减重孔323轮廓线的抛物线顶点距立柱2外壁的距离L2是软趾肘板的顶端距立柱2外壁的距离L3的1.5~2.5倍，减重孔323轮廓线的抛物线顶点距立柱2外壁的距离L2为横撑结构3连接在两立柱2之间的距离L3的1/4至2/5之间，减重孔323轮廓线的抛物线顶点位于弯矩反向增加区域，保证横撑结构3根部具有足够刚度以承担总体载荷产生的弯矩。
本发明的横撑结构通过合理布置横撑内部结构和横撑结构与立柱连接结构，使横撑结构内部刚度合理分配，匹配关系合理，该横撑结构克服了传统的横撑加强结构只考虑了横撑局部结构的加强来提高横撑结构的疲劳性能的局限性，避免了现有技术的横撑内部的支撑板末端产生疲劳失效点的问题，提高横撑结构的可靠性。同时，本发明横撑结构充分考虑了其本身以及与立柱之间的刚度匹配关系，降低了横撑结构根部的弯矩应力水平、提高横撑根部结构的疲劳强度。与传统横撑结构相比，本发明横撑结构在保证端部刚度的同时制作工艺更加简单。本发明横撑结构通过外壳圆管和内部水平/竖向支撑板与立柱充分连接，强度更强，抗弯距性能刚好。
虽然已参照以上典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (19)
1.一种横撑结构，用以水平连接于下船体的左舷浮体与右舷浮体之间且分别与所述左舷浮体和右舷浮体上的立柱固定连接，其特征在于，所述横撑结构的端部伸入所述立柱内且与所述立柱的内部结构连接；
所述横撑结构包括圆管和交叉设置在所述圆管内部并与所述圆管内壁相连的水平支撑板和竖向支撑板，所述水平支撑板和所述竖向支撑板贯穿设置在所述圆管的长度方向，且所述水平支撑板和所述竖向支撑板穿入所述立柱内并与所述立柱的内部结构连接；
所述圆管的端头被立柱内的水平舱壁和竖向舱壁分隔成四段相互断开的管壁，每段管壁的端部均具有向内凹入的弧形鱼尾槽。
2.如权利要求1所述的横撑结构，其特征在于，所述水平支撑板和所述竖向支撑板上均具有至少一减重孔，所述减重孔设置在所述竖向支撑板和所述水平支撑板的非边缘位置，以使所述水平支撑板和所述竖向支撑板在长度方向呈连续分布。
3.如权利要求2所述的横撑结构，其特征在于，所述减重孔的数量为一个且所述减重孔呈长圆形。
4.如权利要求3所述的横撑结构，其特征在于，所述圆管的内壁连接有多个环形加强筋，各环形加强筋沿着所述圆管内壁的长度方向间隔分布，且各环形加强筋均连接所述竖向支撑板和所述水平支撑板。
5.如权利要求4所述的横撑结构，其特征在于，每两个环形加强筋的间距不大于4m。
6.如权利要求4所述的横撑结构，其特征在于，所述减重孔的轮廓线由两开口相向的抛物线和连接在两抛物线之间的直线段构成，其中两环形加强筋分布在靠近所述抛物线顶点的区域，其余环形加强筋分布在所述减重孔轮廓线的直线段区域。
7.如权利要求6所述的横撑结构，其特征在于，所述环形加强筋穿入所述竖向支撑板和所述水平支撑板并与其相连，分布于所述减重孔轮廓线的直线段区域的环形加强筋将所述竖向支撑板和所述水平支撑板分隔成多个相互分离的扁钢。
8.如权利要求6所述的横撑结构，其特征在于，所述环形加强筋包括：环形的腹板和圆筒形的翼板；所述腹板垂直于所述圆管内壁且所述腹板的外圆周与所述圆管内壁相连，所述翼板固定环设在所述腹板的内圆周上并与所述腹板相垂直。
9.如权利要求8所述的横撑结构，其特征在于，所述环形加强筋的截面呈T形或L形。
10.如权利要求1所述的横撑结构，其特征在于，所述水平支撑板与所述立柱内部的水平舱壁固定连接，所述竖向支撑板与所述立柱内部的竖向舱壁固定连接。
11.如权利要求1所述的横撑结构，其特征在于，所述圆管穿入所述立柱并与所述立柱相连分段的管壁厚度大于其他位置分段的管壁厚度。
12.如权利要求6所述的横撑结构，其特征在于，所述圆管外侧壁与所述立柱外侧壁之间连接有软趾肘板，所述软趾肘板不与所述圆管和所述立柱相连的自由边呈椭圆弧形。
13.如权利要求12所述的横撑结构，其特征在于，所述软趾肘板包括两个水平软趾肘板和两个竖直软趾肘板，所述两个水平软趾肘板与所述水平支撑板在同一平面上，所述两个竖直软趾肘板与所述竖向支撑板在同一平面上。
14.如权利要求12所述的横撑结构，其特征在于，所述减重孔轮廓线的抛物线顶点距所述立柱外壁的距离是所述软趾肘板的顶端距所述立柱外壁的距离的1.5～2.5倍，所述减重孔轮廓线的抛物线顶点距所述立柱外壁的距离为所述横撑结构连接在两立柱之间的距离的1/4至2/5之间。
15.如权利要求13所述的横撑结构，其特征在于，连接在两立柱之间的横撑结构的数量为两个。
16.如权利要求13所述的横撑结构，其特征在于，两个横撑之间的水平软趾肘板对称设置并对接相连而使得两个水平软趾肘板的外缘连续连接且呈弧形。
17.如权利要求16所述的横撑结构，其特征在于，所述两个水平软趾肘板的弧形外缘至所述立柱外壁的最小距离不小于100mm。
18.如权利要求1所述的横撑结构，其特征在于，所述每段管壁的末端均在所述弧形鱼尾槽处形成两个趾端，各趾端与立柱内舱壁相连的位置均连接一过渡结构，所述过渡结构包括：与所述趾端固定连接的第一部分和与所述第一部分为一体的第二部分，所述第一部分为矩形且其自由边与所述趾端的自由边平滑连接，所述第二部分的自由边沿远离所述弧形鱼尾槽的槽口方向渐缩至所述立柱内舱壁。
19.一种海工装备，其特征在于，包括海工装备主体和用以支撑所述海工装备主体的下船体，所述下船体包括：左舷浮体、右舷浮体、分设在所述左舷浮体与右舷浮体上的多个立柱以及权利要求1-18任意一项所述的横撑结构。
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