CN111688877B - 海上结构的逻辑化支撑结构与防撞装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上结构的逻辑化支撑结构与防撞装置,其中,逻辑化支撑结构包括承载部、固定部、斜撑和线性弹簧;所述承载部和固定部平行设置;所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑,第一斜撑和第二斜撑均为成对设置,两个第一斜撑的一端分别铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑的一端分别铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接;所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点;本申请在初始状态下具有高刚度,当本支撑结构承载达到一定阈值时,结构刚度降低,既可确保正常操作的实施,又可在撞击工况下,降低撞击接触力。
Description
技术领域
本发明涉及海洋与船舶技术领域,具体涉及一种海上结构的逻辑化支撑结构与防撞装置。
背景技术
海洋与船舶工程结构可能承受失控船舶撞击等短时强载荷,有效实施防撞已成为保证海洋工程结构安全的重大需求。
传统的防撞方法中,将空气囊、粘弹性材料(橡胶)、金属泡沫等引入被保护结构(例如海上风机)(如图1所示),以上结构可降低撞击接触力,但其刚度很低,正常工况下(例如靠船),该类低刚度材料(结构)也会产生较大变形,金属泡沫还可能出现塑性破坏,较大波浪等也可能造成这些低刚度材料(结构)产生较大变形乃至损坏。因此,亟需设计一种更优的防撞结构,使其在正常工况下具有高刚度,确保正常操作(例如靠船)的实施,而在撞击工况下具有低刚度,以降低撞击接触力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种海上结构的逻辑化支撑结构,其能够兼顾正常工况下的承载和撞击工况下的防撞。
进一步的,本申请还提供一种海上结构的逻辑化防撞装置。
进一步的,本申请还提供一种海上风机的防撞结构。
本发明所采用的技术方案是:
海上结构的逻辑化支撑结构,包括承载部、固定部、斜撑和线性弹簧;所述承载部和固定部平行设置;所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑,第一斜撑和第二斜撑均为成对设置,两个第一斜撑的一端分别铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑的一端分别铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接;所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点。
进一步,所述承载部和固定部为平行设置的面板或梁。
进一步,所述斜撑为高刚度斜撑。
进一步,所述第一斜撑和第二斜撑对称设置。
进一步,所述斜撑的初始角度为θ0,30°≦θ0≦50°。
进一步,本申请还提供一种海上结构的逻辑化防撞装置,包括承载部、固定部和弹簧系统,所述承载部和固定部平行设置,所述弹簧系统包括多组连续设置的弹簧单元,每个弹簧单元均包括斜撑和线性弹簧,所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑,第一斜撑和第二斜撑均为成对设置,两个第一斜撑的一端间隔铰接在承载部上、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑的一端间隔铰接在固定部上、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接;所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点。
进一步,该防撞装置由高刚度转变为低刚度的位移阈值为:
其中,y0为防撞装置最大刚度时承载部的位移,l为斜撑的长度,θ0为斜撑的初始角度。
进一步,该防撞装置的最大刚度为:
其中,Kmax为防撞装置的最大刚度,K(y0)为防撞装置在承载部位移为y0时的刚度,k为线性弹簧的弹簧刚度,n为弹簧单元的组数,l为斜撑的长度,θ0为斜撑的初始角度。
进一步,该防撞装置的等效刚度为:
其中,Kappro为防撞装置的等效刚度,Kmax为防撞装置的最大刚度,y为承载部的位移,l为斜撑的长度,θ0为斜撑的初始角度。
进一步,本申请还提供一种海上风机的防撞结构,包括风机和防撞装置,该防撞装置采用上述的逻辑化防撞装置,该防撞装置竖向设置、且其固定部固定在风机塔筒的外周。
采用如上技术方案,本发明具有如下有益效果:
本申请由于在承载部与固定部之间设置斜撑和线性弹簧,斜撑与承载部、固定部以及线性弹簧之间均为铰接,当外部载荷作用在承载部上时,承载部向固定部方向压缩,铰接在承载部和固定部之间的斜撑随之转动,设置在承载部和固定部之间、且与斜撑铰接的线性弹簧压缩;由于斜撑与承载部和固定部之间的夹角变化,斜撑对承载部和固定部的反力产生非线性变化,整体表现为结构的力-位移曲线为非线性,使本申请在初始状态下具有高刚度,有利于正常工况下结构承载,当支撑结构承载达到一定阈值时,结构刚度降低,表现为低刚度,可以降低反力;即可确保正常工况下的承载,又可在撞击工况下,降低撞击接触力,起到防撞效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为现有技术中防撞结构示意图;
图2为本申请实施例1所提供的逻辑化支撑结构示意图;
图3为本申请实施例1所提供的斜撑在不同初始角度下的力-位移特性图;
图4为图1和2中两类装置承受撞击情况下的撞击接触力;
图5为本申请实施例1所提供的逻辑化支撑结构碰撞力随时间变化图;
图6为本申请实施例2所提供的逻辑化防撞装置结构示意图;
图7为本申请实施例2所提供的逻辑化防撞装置压缩状态结构示意图;
图8为本申请实施例3所提供的海上风机防撞结构示意图;
图9为本申请实施例3所提供的海上风机与船舶作用示意图;
图10为图9的俯视图。
其中,1为承载部、2为斜撑、21为第一斜撑、22为第二斜撑、3为固定部、4为线性弹簧、5为质量块、6为防撞装置、7为风机塔筒、8为船舶。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本申请中,逻辑化支撑指的是,结构刚度随载荷被动变化,当载荷小时,结构刚度较大,当载荷增大到一定阈值时,结构刚度变小。例如在本申请中,低速靠船时,因系统动能比较小,防撞装置为高刚度;高速靠船时,因系统动能大,防撞装置变形达到一定阈值,就转变为低刚度。
实施例1:
参见图2,本申请一种海上结构的逻辑化支撑结构,包括承载部1、固定部3、斜撑2和线性弹簧4;所述承载部1和固定部3平行设置;所述斜撑2包括第一斜撑21和第二斜撑22,第一斜撑21和第二斜撑22均为成对设置,两个第一斜撑21的一端分别铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑22的一端分别铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接;所述线性弹簧4设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点。
承载部和固定部可以为平行设置的两个面板,也可以为平行设置的两根梁,也可以依照工程需要进行设置。在使用时,固定部为固定状态,承载部用于承载外部载荷,并在外部载荷作用下,可朝固定部方向移动。
斜撑为高刚度斜撑,其采用高刚度材料制成,其可以为条状,也可以为板状。第一斜撑和第二斜撑对称设置,且其相对的一端铰接。
斜撑的初始角度为θ0,θ0为锐角,具体的,θ0的取值范围为:30°≦θ0≦50°。具体的,第一斜撑与承载部之间的夹角、第二斜撑与固定部之间的夹角均为θ0。斜撑在不同初始角度下结构的力-位移特性图见图3,随着斜撑的初始角度不同,结构的最大承载力不同,其由高刚度转变为低刚度的阈值也不同。
本申请逻辑化支撑结构使用时,固定部为固定状态,当质量块5(外部载荷)作用在承载部上,承载部向固定部方向压缩;高刚度铰接的第一斜撑和第二斜撑随之转动,横向设置在承载部和固定部之间、且与高刚度斜撑铰接的线性弹簧压缩;由于斜撑与面板(承载部和固定部)之间的夹角变化,斜撑对面板的反力产生非线性变化,整体表现为结构的力-位移曲线为非线性(如图3)。本申请在初始状态下具有高刚度,有利于正常工况下结构承载,例如正常靠船;当本支撑结构承载达到一定阈值时,结构刚度降低,可以降低反力,例如失控船舶以较高速度撞击;既可确保正常操作的实施,又可在撞击工况下,降低撞击接触力(如图4和图5)。
实施例2:
参见图6和图7,进一步,本申请还提供一种海上结构的防撞装置6,包括承载部1、固定部3和弹簧系统,所述承载部1和固定部3平行设置,所述弹簧系统包括多组连续设置的弹簧单元,每个弹簧单元均包括斜撑2和线性弹簧4,所述斜撑2包括第一斜撑21和第二斜撑22,第一斜撑21和第二斜撑均22为成对设置,两个第一斜撑21的一端间隔铰接在承载部1上、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑22的一端间隔铰接在固定部上、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑21的另一端铰接;所述线性弹簧4设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点。
本实施例中防撞装置与实施例1中的支撑结构具有相同的力学特性,在初始状态下本装置具有高刚度,有利于正常工况下结构承载,当装置承载达到一定阈值时,结构刚度降低,可降低反力,可同时兼顾正常工况下的承载以及撞击工况下的防撞缓冲。
可采用如下方法,计算该逻辑化防撞装置的等效刚度:
S11、根据承载部的位移y,确定两个斜撑交点的竖向位移h。
具体的,设在初始状态下,斜撑的初始角度(第二斜撑与固定部、以及第一斜撑与承载部之间的初始夹角)为θ0,该θ0为锐角;斜撑长度为l。一个质量块以一定速度撞击承载部,设作用在承载部上的外部载荷为F(t),在该载荷作用下,承载部向下位移为y,第一斜撑与第二斜撑的交点向下位移为h,则
由公式(1)得到第一斜撑与第二斜撑的交点的横向位移x与承载部向下位移y之间的唯一对应的几何关系:
其中,x为两个斜撑交点的横向位移,l为斜撑的长度,θ0为斜撑的初始夹角,h为两个斜撑交点的竖向位移,G(y)为两个斜撑交点的横向位移关于承载部的位移的函数。
S21、根据承载部的位移y,确定装置的动能T。
S22、根据弹簧单元的数量,线性弹簧的弹簧刚度和两个斜撑交点的横向位移x,确定装置的势能V。
其中,V为装置的势能,k为线性弹簧的弹簧刚度,n为弹簧单元的组数,G(y)为两个斜撑交点的横向位移关于承载部的位移的函数。
S23、根据外部载荷为F(t)和承载部的位移y,确定非保守力的虚功δW:
S24、将公式(3),(4)和(5)代入哈密顿原理,得到装置的动力学方程:
S3、将公式(1)和(2)代入公式(6)中,得到恢复力关于承载部的位移函数:
可见,随斜撑的初始角度不同,恢复力与承载部的位移关系不同。
S4、计算公式(7)的切线斜率,得到本逻辑化防撞装置的等效刚度;公式(7)的切线斜率为本逻辑化防撞装置的等效刚度。
S5、根据公式(7),可以得到装置由高刚度转变为低刚度的位移阈值和装置的最大刚度,其中,装置由高刚度转变为低刚度的位移阈值计算公式如下:
其中,y0装置由高刚度转变为低刚度的位移阈值,即当承载部向下移动y0时,装置由高刚度转变为低刚度,并且,此时装置的刚度最大。
装置的最大刚度计算公式如下:
其中,Kmax为最大恢复力,K(y0)为承载部向下移动y0时,装置的恢复力。
由于恢复力函数K(y)表达式比较复杂,将公式(7)采用级数近似处理,得到如下公式:
其中,Kappro为级数近似处理后的恢复力,Kmax为最大恢复力。
实施例3:
参见图8~图10,本申请还提供一种海上风机的防撞结构,包括风机和防撞装置6,该防撞装置6采用实施例2所述的逻辑化防撞装置,该防撞装置竖向设置、且其固定部固定在风机塔筒7的外周。
具体的,防撞装置竖向设置在风机塔筒7靠近海面的位置,船舶8正常停靠或撞击时,作用在防撞装置的承载部1。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、系统和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.海上结构的逻辑化支撑结构,其特征在于,包括承载部、固定部、斜撑和线性弹簧;所述承载部和固定部平行设置;所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑,第一斜撑和第二斜撑均为成对设置,两个第一斜撑的一端分别铰接在承载部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑的一端分别铰接在固定部的两端、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接;所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点;所述斜撑的初始角度为θ0,30°≦θ0≦50°。
2.根据权利要求1所述的海上结构的逻辑化支撑结构,其特征在于,所述承载部和固定部为平行设置的面板或梁。
3.根据权利要求1所述的海上结构的逻辑化支撑结构,其特征在于,所述斜撑为高刚度斜撑。
4.根据权利要求1所述的海上结构的逻辑化支撑结构,其特征在于,所述第一斜撑和第二斜撑对称设置。
5.海上结构的逻辑化防撞装置,其特征在于,包括承载部、固定部和弹簧系统,所述承载部和固定部平行设置,所述弹簧系统包括多组连续设置的弹簧单元,每个弹簧单元均包括斜撑和线性弹簧,所述斜撑包括第一斜撑和第二斜撑,第一斜撑和第二斜撑均为成对设置,两个第一斜撑的一端间隔铰接在承载部上、且另一端朝相对的方向倾斜,两个第二斜撑的一端间隔铰接在固定部上、且另一端朝相对的方向倾斜,其另一端分别与对应的第一斜撑的另一端铰接;所述线性弹簧设置在承载部和固定部之间、且其两端分别铰接在第一斜撑和第二斜撑的交点。
9.海上风机的防撞结构,包括风机,其特征在于,还包括防撞装置,该防撞装置采用权利要求6~8中任一项所述的逻辑化防撞装置,该防撞装置竖向设置、且其固定部固定在风机塔筒的外周。
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