CN106985983A - 增加工程船舶稳定性的垂荡板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增加工程船舶稳定性的垂荡板，所述垂荡板的板面形状为方形，所述垂荡板的板面设置有均匀分布的多个圆形通孔，所述垂荡板的一个板面上设置有均匀分布的多个第一凸起单元，另一个板面上设置有与所述第一凸起单元对称且形状相同的第二凸起单元，所述圆形通孔与所述第一凸起单元及第二凸起单元均间隔设置，所述垂荡板的边缘和角点设置有平滑连接的圆角。本发明能够大幅提高工程船舶的阻尼和附加质量，使工程船舶在极端天气条件下的垂荡运动幅值降低，从而提高工程船舶的稳定性，同时容易加工制作，并可通过浮运与工程船舶进行快速安装。

Description

增加工程船舶稳定性的垂荡板

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程中的垂荡板技术领域。更具体地说，本发明涉及一种增加工程船舶稳定性的垂荡板。

背景技术

随着国家“一带一路”政策的大力推进，远海区域的工程建设项目增多，在海上工程建设过程中，风浪作用下工程船舶的稳定性是影响安全施工和保证工程质量的首要因素。为提高施工效率，增加工程船舶的作业窗口，可预先在起重船、浮吊船等工程船舶的下部加装垂荡板，提高工程船舶在极端天气下的稳定性。

由于工程船舶自身的结构特性，其垂荡运动阻尼和附加质量很小，因此，借鉴SPAR平台上垂荡板的特性，经理论研究和试验验证，将改良过的垂荡板应用于工程船舶，可以显著的增加工程船舶的阻尼和附加质量，从而提高工程船舶抵御风浪的能力。近年来，关于垂荡板的结构形式成为研究的重点，通过不断改变垂荡板的几何外形、厚宽比、板面孔隙率和粗糙度，验证对垂荡板水力特性的影响，从而确定可有效提高工程船舶阻尼和附加质量的垂荡板结构形式。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种增加工程船舶稳定性的垂荡板，此垂荡板可增大工程船舶在风浪作用下的阻尼和提高工程船舶的附加质量，从而提高工程船舶的稳定性。并且此垂荡板满足便于加工制作、便于安装、施工快捷等工程要求。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种增加工程船舶稳定性的垂荡板，所述垂荡板的板面形状为方形，所述垂荡板的板面设置有均匀分布的多个圆形通孔，所述垂荡板的一个板面上设置有均匀分布的多个第一凸起单元，另一个板面上设置有与所述第一凸起单元对称且形状相同的第二凸起单元，所述圆形通孔与所述第一凸起单元及第二凸起单元均间隔设置，所述垂荡板的边缘和角点设置有平滑连接的圆角。

优选的是，所述垂荡板的厚度一致，且厚宽比为1～5：53～66。

优选的是，所述垂荡板上开设的圆形通孔的孔隙率为7％～15％。

优选的是，所有所述第一凸起单元的横截面总面积占所述垂荡板面积的11％～18％。

优选的是，所述第一凸起单元为正方体形，高度为所述垂荡板厚度的一半。

优选的是，所述垂荡板边缘在垂直板面方向的圆角半径为所述垂荡板板厚的一半，所述垂荡板角点在板面上的圆角半径与所述垂荡板的板厚相同。

优选的是，所述垂荡板边缘在垂直板面方向的圆角半径与所述垂荡板板厚的相同，所述垂荡板角点在板面上的圆角半径与所述垂荡板的板厚相同。

优选的是，所述垂荡板由钢板焊接加工而成。

优选的是，所述垂荡板由钢筋混凝土预制而成。

优选的是，所述第一凸起单元的顶面为正五角星形，且与所述垂荡板的板面平行，每个所述第一凸起单元均与所述垂荡板的板面垂直，所述第一凸起单元的顶面上还设置有不规则排列的曲线浅槽，相邻的两个所述第一凸起单元的高度不同，分别为所述垂荡板板厚的一半和四分之一，每个所述第一凸起单元周围还均匀分布有四个所述圆形通孔，所述圆形通孔的轴线与所述垂荡板板面法线方向的夹角为10°，在所述垂荡板的一个板面上，围绕高度为所述垂荡板板厚的一半的第一凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点，在所述垂荡板的另一板面上，围绕高度为所述垂荡板板厚的四分之一的第二凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明所述垂荡板上的圆形开孔和凸起单元能够大幅提高工程船舶的阻尼和附加质量，使工程船舶在极端天气条件下的垂荡运动幅值降低，从而提高工程船舶的稳定性。

2、本发明所述垂荡板的边倒角和顶点倒角较好的改善了垂荡板的水力特性。

3、本发明所述垂荡板容易加工制作，并可通过浮运与工程船舶进行快速安装。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中垂荡板边缘倒角为板厚一半的实施例的侧面结构示意图；

图3为本发明中垂荡板边缘倒角与板厚相同的实施例的侧面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，本发明提供一种增加工程船舶稳定性的垂荡板，所述垂荡板1的板面形状为方形，所述垂荡板1的板面设置有均匀分布的多个圆形通孔2，所述垂荡板1的一个板面上设置有均匀分布的多个第一凸起单元3，另一个板面上设置有与所述第一凸起单元3对称且形状相同的第二凸起单元4，所述圆形通孔2与所述第一凸起单元3及第二凸起单元4均间隔设置，所述垂荡板1的边缘和角点设置有平滑连接的圆角。

根据资料可知，安装垂荡板能减小工程船舶在风浪下的垂荡响应的主要原因是：第一、调整工程船舶的垂荡固有周期，使其远离波浪主要能量的周期范围，避免共振；第二、增大工程船舶垂荡运动的阻尼，抑制垂荡响应，而影响垂荡板性能的主要因素有附加质量系数和阻尼系数，两者增大均能较好的抑制垂荡运动，通过测量垂荡板在固定条件下振动的位移时历和所受的流体阻尼可推算出附加质量系数和阻尼系数，进而确定出垂荡板的几何外形，为了得出较好的结果，进行了如下的实验过程，采用了面积均为400mm²，质量均为32kg的圆形垂荡板、方形垂荡板和三角形垂荡板分别在相同的注满水的玻璃水槽中做上下运动，垂荡板均水平放置，上下运动的幅度为50mm，运动的频率为1.5Hz，实验结果如表1。

表1、不同形状的垂荡板的附加质量系数和阻尼系数对照表

	圆形板	方形板	三角形板
				附加质量系数	1.7	1.8	1.2
阻尼系数	0.66	0.68	0.64

从表中可以看出附加质量系数和阻尼系数均是方形板的最佳，故选用方形板做垂荡板的板面外形。

在另一组实验中，采用面积均为400mm²的四个方形垂荡板，板面均匀设置有圆形通孔，孔隙率分别为0，5％，10％，15％，分别在相同的注满水的玻璃水槽中做上下运动，垂荡板均水平放置，上下运动的幅度为50mm，运动的频率为1.5Hz，实验结果如表2。

表2、不同孔隙率的垂荡板的阻尼系数对照表

板面孔隙率	0	5％	10％	15％
					阻尼系数	0.68	0.70	0.82	0.83

从上表可以看出，板面开有圆形通孔后阻尼系数均得到了提高，故在垂荡板的板面设置圆形通孔。

而在垂荡板的板面上设置凸起单元，则是为了提高垂荡板的附加质量系数，同时因为凸起单元的存在增加了垂荡板板面的粗糙度，进一步加大了垂荡板的阻尼系数，在上一实验最佳结果的基础上，对垂荡板的两个板面均设置凸起总面积占板面0，10％，20％的凸起单元，实验结果如表3。

表3、不同凸起总面积的垂荡板的附加质量系数和阻尼系数对照表

	0	10％	20％
				附加质量系数	1.64	1.88	1.86
阻尼系数	0.83	0.92	0.90

从上表可以看出，板面设置凸起单元后，附加质量系数和阻尼系数均有所提高。

凸起单元与圆形通孔间隔设置主要是为了保持垂荡板的重心位于板的几何中心，若两者分布不均，则会使板的一侧偏重，一侧偏轻，安装在工程船舶上反而更不利于船舶的稳定，在垂荡板的边缘与角点设置平滑连接的圆角则是因为圆角在水中受到的来流冲击力较小，能尽量减少垂荡板的受力以维持工程船舶的稳定性。

上述垂荡板在使用过程中，首先将船舶主体停泊在施工现场附件的水域，在施工现场将加工好的垂荡板四个角上焊接与板面垂直的连接杆，焊接完成后，在连接杆的另一端绑系多个可充气的气囊和牵引绳，气囊可为焊接完成的垂荡板结构在水中浮运提供足够的浮力，将气囊进行充气，再将垂荡板和气囊吊入水中，垂荡板由于重力潜于水中，通过牵引绳将垂荡板浮运至船舶本体旁边，将连接杆与船舷上预留的连接孔进行固定连接，即可完成垂荡板的安装。

在另一实施例中，所述垂荡板1的厚度一致，且厚宽比为1～5：53～66，该厚宽比的垂荡板1的附加质量系数和阻尼系数较高，若低于该比值，则会因为板厚过于薄，垂荡板1的强度无法保证，若是高于该比值，垂荡板1的附加质量系数和阻尼系数就会降至较低水平，减弱垂荡板1的抗垂荡运动的效果。

在另一实施例中，所述垂荡板1上开设的圆形通孔2的孔隙率为7％～15％，该孔隙率能保证垂荡板1的附加质量系数和阻尼系数均达到较好的水平，因为如果孔隙率过高，附加质量系数必然会降至很低，即使阻尼系数提高，两者的综合效果并不显著，而孔隙率过低又无法提高阻尼系数，故综合考虑设置为该实施例的孔隙率。

在另一实施例中，所有第一凸起单元3的横截面总面积占所述垂荡板1面积的11％～18％，设置为该比例是因为如果第一凸起单元3的横截面总面积低于该比例，垂荡板1的附加质量系数和阻尼系数增长不明显，如果第一凸起单元3的横截面总面积高于该比例，虽然附加质量系数有所提高，但是因为凸起覆盖面过高使凸起面又基本拼接为一平面，反而降低了阻尼系数。

在另一实施例中，所述第一凸起单元3为正方体形，高度为所述垂荡板1厚度的一半，因为相比于圆柱体或其他多边形柱体，正方体的的边缘更为锋锐，能增强垂荡板1的泄涡作用，增大垂荡板1的阻尼系数，相比于三角形柱体，正方体的角更多，在每个角的泄涡作用相差不大的情况下，使用正方体增大阻尼系数的效果更为明显。

在另一实施例中，所述垂荡板1边缘在垂直板面方向的圆角半径为所述垂荡板1板厚的一半，所述垂荡板1角点在板面上的圆角半径与所述垂荡板1的板厚相同，该垂荡板1主要是作为多垂荡板1结构的中间层来使用，设置上述圆角后，垂荡板1的边缘均为圆形，更符合了流体力学使自身受到的来流冲击力降低至最小，较好的增加了工程船舶的稳定性。

在另一实施例中，所述垂荡板1边缘在垂直板面方向的圆角半径与所述垂荡板1板厚的相同，所述垂荡板1角点在板面上的圆角半径与所述垂荡板1的板厚相同，该垂荡板1主要是作为多垂荡板1结构的最底层来使用，由于垂荡板1上下两个面面积不同，下表面还包含圆角的曲面所以面积更大，故下表面单位时间内流过的水流量小，上表面水流量大，因此上表面受到的水压大于下表面水压，总体的水压方向为向下的，在此压力下工程船舶吃水位会下降以减小风浪对船舶的影响。

在另一实施例中，所述垂荡板1由钢板焊接加工而成，该方法制作垂荡板1快捷，工期短。

在另一实施例中，所述垂荡板1由钢筋混凝土预制而成，该方法制作垂荡板1不仅能节省钢材而且相同体积下附加质量系数更大。

在另一实施例中，所述第一凸起单元的顶面为正五角星形，且与所述垂荡板的板面平行，每个所述第一凸起单元均与所述垂荡板的板面垂直，所述第一凸起单元的顶面上还设置有不规则排列的曲线浅槽，相邻的两个所述第一凸起单元的高度不同，分别为所述垂荡板板厚的一半和四分之一，每个所述第一凸起单元周围还均匀分布有四个所述圆形通孔，所述圆形通孔的轴线与所述垂荡板板面法线方向的夹角为10°，在所述垂荡板的一个板面上，围绕高度为所述垂荡板板厚的一半的第一凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点，在所述垂荡板的另一板面上，围绕高度为所述垂荡板板厚的四分之一的第二凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点。

在上述实施例中，由于正五角星形锋锐的角较多，故能较大程度的提高垂荡板的阻尼系数，又第一凸起单元的顶面与垂荡板的板面平行能降低水流在竖直方向对垂荡板的作用力，尽量减少不可控制的竖直方向作用力对垂荡板的影响，在第一凸起单元的顶面设置不规则排列的曲线浅槽则是为了增大垂荡板的阻尼系数，同时，因为相邻的两个第一凸起单元的高度不同会造成水流的阻力增大，减少垂荡板在竖直方向的垂荡运动，而在垂荡板的一个板面上，每个高凸起单元周围设置轴心交于一点的四个圆形通孔，在垂荡板的另一板面上，每个矮凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点则是因为水流在通过圆形通孔后形成涡激，而该分布状态下的四个圆形通孔形成的涡激与凸起单元接触较近，能快速作用于凸起单元的柱面形成较强的阻尼作用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种增加工程船舶稳定性的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板的板面形状为方形，所述垂荡板的板面设置有均匀分布的多个圆形通孔，所述垂荡板的一个板面上设置有均匀分布的多个第一凸起单元，另一个板面上设置有与所述第一凸起单元对称且形状相同的第二凸起单元，所述圆形通孔与所述第一凸起单元及第二凸起单元均间隔设置，所述垂荡板的边缘和角点设置有平滑连接的圆角。

2.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板的厚度一致，且厚宽比为1～5：53～66。

3.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板上开设的圆形通孔的孔隙率为7％～15％。

4.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所有所述第一凸起单元的横截面总面积占所述垂荡板面积的11％～18％。

5.如权利要求4所述的垂荡板，其特征在于，所述第一凸起单元为正方体形，高度为所述垂荡板厚度的一半。

6.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板边缘在垂直板面方向的圆角半径为所述垂荡板板厚的一半，所述垂荡板角点在板面上的圆角半径与所述垂荡板的板厚相同。

7.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板边缘在垂直板面方向的圆角半径与所述垂荡板板厚的相同，所述垂荡板角点在板面上的圆角半径与所述垂荡板的板厚相同。

8.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板由钢板焊接加工而成。

9.如权利要求1所述的垂荡板，其特征在于，所述垂荡板由钢筋混凝土预制而成。

10.如权利要求4所述的垂荡板，其特征在于，

所述第一凸起单元的顶面为正五角星形，且与所述垂荡板的板面平行，每个所述第一凸起单元均与所述垂荡板的板面垂直，所述第一凸起单元的顶面上还设置有不规则排列的曲线浅槽，相邻的两个所述第一凸起单元的高度不同，分别为所述垂荡板板厚的一半和四分之一，每个所述第一凸起单元周围还均匀分布有四个所述圆形通孔，所述圆形通孔的轴线与所述垂荡板板面法线方向的夹角为10°，在所述垂荡板的一个板面上，围绕高度为所述垂荡板板厚的一半的第一凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点，在所述垂荡板的另一板面上，围绕高度为所述垂荡板板厚的四分之一的第二凸起单元的四个所述圆形通孔的轴线交于一点。