CN110641641A

CN110641641A - 一种仿生阻尼减摇装置

Info

Publication number: CN110641641A
Application number: CN201910611749.2A
Authority: CN
Inventors: 王驰明; 尤方骏; 郭宇平; 肖晶晶; 姚恺涵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本发明涉及渔船、钓鱼艇、平台、趸船、重吊船、小型舰艇等船型，应用于海上航行或海上作业时的一种仿生阻尼减摇装置(称之为Flopper)：包括调节平衡块，仿生阻尼翼和导流翼结构；及其安装模块化式支撑结构：包括模块化基座、支撑杆架、滑轮装置等，重点研究并推导了Flopper阻尼力矩的公式，分析研究减摇效果。实际海上实验结果表明，应用该仿生减摇装置的船舶在海上静止作业时其减摇效果可达到59％以上，航行时平均减摇效果可达45％以上，验证了该装置的工程可行性和令人满意的减摇效果。

Description

一种仿生阻尼减摇装置

技术领域

本发明涉及渔船、钓鱼艇、平台、趸船、重吊船、小型舰艇等船型，在海上航行遇到随机波浪可产生阻尼力矩的仿生阻尼减摇装置(称之为 Flopper)，具体涉及一种仿生阻尼减摇装置。

背景技术

船舶在海浪中航行，由于受到风、浪、海流等因素的影响，将产生六个自由度的运动：横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡。对这些运动的控制不当，会引起姿态失稳，危及船舶航行安全。保持船舶姿态稳定的方法主要有三：①谐摇稳定—减小船舶的固有横摇频率，避开波浪扰动谐振频率，在船舶设计时考虑这一方面，可降低谐振横摇发生率；②阻尼稳定—增加系统的阻尼以减少横摇。③平衡稳定—通过施加稳定力矩来抵抗波浪扰动力矩。目前船舶上安装的减摇装置皆从上述后两方面出发，使船舶的各自由度运动保持在期望范围内，保证船舶航行稳定性或装载平衡性。

相应的市面上也有一些被动式减摇装置，如实用专利号201721826467.7 对应的可控被动式减摇水舱，但在实际使用过程中减摇水舱噪声大，使用复杂，虽然有的船舶上已安装，但据调查了解，其使用次数较少；又如发明专利号201580072347.X对应的减摇装置及船舶，其采用主动式减摇装置，运行过程中需要提供动力，增加了额外的费用和负担。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种减摇效率高、实船实验效果显著，无需动力，并且在航行过程不增加额外阻力的仿生阻尼减摇装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种仿生阻尼减摇装置，包括减摇装置本体和支撑装置，所述减摇装置本体包括调节平衡块、仿生阻尼翼和导流翼，所述调节平衡块与仿生阻尼翼连接，所述仿生阻尼翼的上侧设置有导流翼，所述调节平衡块用于调节减摇装置本体的重心位置，所述仿生阻尼翼用于产生减摇阻尼力矩以减小行进中的阻力，所述导流翼用于保持行进中减摇装置本体平衡，所述导流翼上设置有四个连接孔，所述连接孔用于减摇装置本体与支撑装置连接，所述支撑装置支撑于船体。

优选的，所述支撑装置包括支撑部、横杆、外展支撑杆、钢丝绳或锚链、电机、液压油缸，所述支撑部固定于船体，横杆设置在支撑部上方，支撑装置的两侧设置有外展支撑杆，所述外展支撑杆的下端与两侧船舷铰接，所述外展支撑杆的下端上方通过液压油缸与支撑部连接，所述外展支撑杆的顶端设置有滑轮，减摇装置本体通过钢丝绳或锚链与固定在横杆上的电机连接，钢丝绳或锚链能够在滑轮上滑动，所述电机用于收放减摇装置本体。

优选的，所述仿生阻尼翼仿鳐鱼身体形状设计，所述仿生阻尼装置具有底边、顶边、侧斜边和侧竖边，所述底边与两侧的侧竖边连接，所述顶边与两侧的侧斜边连接，所述侧竖边与侧斜边连接。

优选的，所述仿生阻尼翼底边长度占船总长1％-8.5％，底边与顶边的距离为底边长度30％-50％，厚度为2mm-5mm，所述仿生阻尼翼通过水流产生的阻尼力作用形成阻尼力矩以消除横摇力矩。

优选的，所述导流翼厚度为2mm-5mm，保持减摇装置本体在工作状态下整体的动态平衡。

本发明的有益效果是：通过数学模型建立与流体动力学计算，推导出 Flopper阻尼力矩的公式，并由此设计出一种高效的船舶阻尼减摇装置，大幅提高了航行船舶的减摇效率和船上人员的舒适度体验。同时借助与船体部分的机械连接结构，实现装置放置与回收的方便性与快捷性；最后通过实船海上实验验证系统可行性与工程操作的可靠性。

附图说明

图1本发明减摇装置本体整体结构示意图(Flopper阻尼减摇装置本体整体结构)；其中，1为调节平衡块，2为阻尼翼，3为导流翼结构。

图2本发明仿生阻尼翼结构示意图(如图2所示仿生阻尼翼2具有底边、顶边、侧斜边和侧竖边，按图中所示的上下方向)；

其中，板材的厚度统一为2mm～5mm。

图3本发明导流翼结构示意图；

其中，板材厚度统一为5mm。

图4本发明支撑装置结构示意图(安装模块化支撑结构)；

图5本发明仿生阻尼减摇装置与船体装配结构示意图(Flopper减摇装置本体及支撑装置与船体的装配图(回收状态))；

图6本发明仿生阻尼减摇装置展开状态结构示意图(Flopper减摇装置本体及支撑装置与船体的装配图(伸展/工作状态))；

图7为不同航速下的横摇峰值均方根对比图与减摇效果对比图(不同航速下的横摇峰值均方根对比图与减摇效果对比图)；

图8本发明仿生阻尼翼一实施例(图8中长度单位为cm)。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明“一种仿生阻尼减摇装置(Flopper)” 作进一步详细说明。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种仿生阻尼减摇装置，包括减摇装置本体100和支撑装置200，所述减摇装置本体100包括调节平衡块 1、仿生阻尼翼2和导流翼3，所述调节平衡块1与仿生阻尼翼2连接，所述仿生阻尼翼2的上侧设置有导流翼3，所述调节平衡块1用于调节减摇装置本体100的重心位置，所述仿生阻尼翼2用于产生减摇阻尼力矩以减小行进中的阻力，所述导流翼3用于保持行进中减摇装置本体100平衡，所述导流翼3 上设置有四个连接孔，所述连接孔用于减摇装置本体100与支撑装置200连接，所述支撑装置200支撑于船体300。

所述支撑装置200包括支撑部4、横杆5、外展支撑杆6、钢丝绳或锚链 7、电机、液压油缸8，所述支撑部4固定于船体300，横杆5设置在支撑部4 上方，支撑装置200的两侧设置有外展支撑杆6，所述外展支撑杆6的下端与两侧船舷铰接，所述外展支撑杆6的下端上方通过液压油缸8与支撑部4连接，所述外展支撑杆6的顶端设置有滑轮，减摇装置本体100通过钢丝绳或锚链7与固定在横杆5上的电机连接，钢丝绳或锚链7能够在滑轮上滑动，所述电机用于收放减摇装置本体100。

所述仿生阻尼翼2仿鳐鱼身体形状设计，所述仿生阻尼装置2具有底边、顶边、侧斜边和侧竖边，所述底边与两侧的侧竖边连接，所述顶边与两侧的侧斜边连接，所述侧竖边与侧斜边连接。

所述仿生阻尼翼2底边长度占船总长1％-8.5％，底边与顶边的距离为底边长度30％-50％，厚度为2mm-5mm，所述仿生阻尼翼2通过水流产生的阻尼力作用形成阻尼力矩以消除横摇力矩。

所述导流翼3厚度为2mm-5mm，保持减摇装置本体100在工作状态下整体的动态平衡。

本发明仿生阻尼减摇装置用于船舶航行，其中仿生减摇装置本体100，根据流体动力学推算，所述装置首部平衡块设计成类流线型减阻形，以减小系统前进时所受到的阻力以及保持运动过程中装置的平衡。仿生阻尼翼2由外展两翼组成，其尺寸长度依据船型主尺度确定，长约占船总长1％-8.5％，展翼宽约占长30％-50％，板厚依据阻尼力矩确定，一般为2mm-5mm，材料为钢或同类型材质，所述仿生阻尼翼2通过水流产生的阻尼力作用形成阻尼力矩以消除横摇力矩。所述导流翼3结构则根据飞行器空气动力学原理，设计成导流平衡调节形，板厚为2mm-5mm，材料为钢、铝或同类型材质，保持装置工作状态下整体的动态平衡。

支撑装置200，采用金属结构，连接部分采用焊接。其中，外展支撑杆6 的顶端通过受力钢丝绳或锚链7与减摇装置本体100相连接；液压油缸8驱动外展支撑杆6展开和收回；支撑部4与船体300的船板固定。

运动机构：所述运动方法为外展支撑杆6向外侧旋转一个角度，将固定在外展支撑杆6顶端钢丝绳或锚链7上的减摇装置本体100装置放入工作环境中。

所述外展支撑杆6的顶部设置有滑轮结构，方便减摇装置本体100的工作和回收。

支撑部4通过三点焊接的方式固定于船舷。

调节平衡块1、仿生阻尼翼和导流翼采用焊接方式连接。

图5、图6为减摇装置本体及支撑装置与船体的装配图(回收状态与展开 /工作状态)。如图5所示，减摇装置本体不使用时，通过收紧钢丝绳(收紧钢丝绳与另一独立电机连接)或液压油缸，将外展支撑杆6拉回至分别与支撑部4(支撑部4竖直设置)平行即夹角为0的状态，减摇装置本体从而移出水面放置于船舷两侧，并用绳索将减摇装置本体分别与支撑部4相固定，避免船舶摇晃时减摇装置本体的摆动；如图6所示，当使用阻尼减摇装置本体对船舶进行减摇时，由于两根外展支撑杆6底端与两侧船舷通过铰链相连接，放松收紧钢丝绳或液压油缸，使外展支撑杆6分别向两侧旋转一定的角度(最大角度为60°)，电机阻尼减摇装置本体放入工作环境中(如海水中)一定深度，根据流体动力学可知，阻尼减摇装置本体将产生阻尼力矩，从而起到船舶减摇的作用。

波浪扰动力矩是引起船舶摇荡运动的主要作用力，它与波浪的运动有关。波浪扰动力矩由复原扰动力矩、阻尼扰动力矩、惯性扰动力矩组成，其中，复原扰动力矩与有效波倾角α_m成正比，阻尼扰动力矩与有效波倾角速度

成正比，惯性扰动力矩与有效波倾角加速度成正比，Flopper与横摇角加速度

成正比，具体的表达式如下：

复原扰动力矩

M(α_m)＝Dhα_m

阻尼扰动力矩

惯性扰动力矩M

式中α为波倾角，M为力矩，D是排水量，h为初稳心高，N为扰动力矩阻尼系数，J为转动惯量

Flopper阻尼力矩

其中，ξ为修正系数，ρ为海水(1.025../m³)或淡水密度(1.0../m³)， B为船宽，L为外展支撑杆长度，A为阻尼翼面积，为横摇角速度，θ是外展支撑杆展开角度。

综上可得：

波浪对于船舶的总扰动力矩是：

式中α为波倾角，M为力矩，D是排水量，h为初稳心高，N为扰动力矩阻尼系数，J为转动惯量。

由于阻尼扰动力矩与惯性扰动力矩相对于复原扰动力矩来说非常小，为了简化方程可上述两项以忽略。复原扰动力矩是由于海浪波动，改变了船下水的形状、体积而产生的。因此，波浪对于船舶的总扰动力矩可以简化为只有复原扰动力矩的情况：

M(α_m)＝Dhα_m

由以上船舶在海浪中的受力分析可以得到如下的船舶平衡方程：

式中J为转动惯量，

为横摇角。

减摇装置本体可采用液压系统或控制电机系统、与绳索、外展支撑杆等连接控制，用于将外展支撑杆展开一定角度将装置放入工作环境中以及装置的回收过程(对于小型机构或直接采用定、动滑轮装置人工收放)。

所述减摇装置本体和支撑装置均采用铝合金结构或其它类似结构，以便减轻船体承重、提高结构刚度，方便连接处的焊接。

所述支撑装置的其余连接处采用不锈钢材料或其它同类型材料连接，避免连接处受海水、海风等自然原因而造成的损害。

实际海上实验结果表明，应用该仿生减摇装置的船舶在海上静止作业时其减摇效果可达到59％以上，航行时平均减摇效果可达45％以上，验证了该装置的工程可行性和令人满意的减摇效果。

本发明不局限于上述最佳实施方式，如安装模块化支撑结构亦可采用其他形式，任何人在本发明的原理、理论启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种仿生阻尼减摇装置，其特征在于：包括减摇装置本体(100)和支撑装置(200)，所述减摇装置本体(100)包括调节平衡块(1)、仿生阻尼翼(2)和导流翼(3)，所述调节平衡块(1)与仿生阻尼翼(2)连接，所述仿生阻尼翼(2)的上侧设置有导流翼(3)，所述调节平衡块(1)用于调节减摇装置本体(100)的重心位置，所述仿生阻尼翼(2)用于产生减摇阻尼力矩以减小行进中的阻力，所述导流翼(3)用于保持行进中减摇装置本体(100)平衡，所述导流翼(3)上设置有四个连接孔，所述连接孔用于减摇装置本体(100)与支撑装置(200)连接，所述支撑装置(200)支撑于船体(300)。

2.如权利要求1所述的一种仿生阻尼减摇装置，其特征在于：所述支撑装置(200)包括支撑部(4)、横杆(5)、外展支撑杆(6)、钢丝绳或锚链(7)、电机、液压油缸(8)，所述支撑部(4)固定于船体(300)，横杆(5)设置在支撑部(4)上方，支撑装置(200)的两侧设置有外展支撑杆(6)，所述外展支撑杆(6)的下端与两侧船舷铰接，所述外展支撑杆(6)的下端上方通过液压油缸(8)与支撑部(4)连接，所述外展支撑杆(6)的顶端设置有滑轮，减摇装置本体(100)通过钢丝绳或锚链(7)与固定在横杆(5)上的电机连接，钢丝绳或锚链(7)能够在滑轮上滑动，所述电机用于收放减摇装置本体(100)。

3.如权利要求1所述的一种仿生阻尼减摇装置，其特征在于：所述仿生阻尼翼(2)仿鳐鱼身体形状设计，所述仿生阻尼装置(2)具有底边、顶边、侧斜边和侧竖边，所述底边与两侧的侧竖边连接，所述顶边与两侧的侧斜边连接，所述侧竖边与侧斜边连接。

4.如权利要求3所述的一种仿生阻尼减摇装置，其特征在于：所述仿生阻尼翼(2)底边长度占船总长1％-8.5％，底边与顶边的距离为底边长度30％-50％，厚度为2mm-5mm，所述仿生阻尼翼(2)通过水流产生的阻尼力作用形成阻尼力矩以消除横摇力矩。

5.如权利要求3所述的一种仿生阻尼减摇装置，其特征在于：所述导流翼(3)厚度为2mm-5mm，保持减摇装置本体(100)在工作状态下整体的动态平衡。