CN111924053B - 海洋空间桁架结构及其球形节点和姿态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋空间桁架结构及其球形节点和姿态调节方法，其特征在于：球形浮力节点设置在多个桁架杆件交汇的力学节点位置且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构工作中所需的浮力；球形浮力节点的浮力可调节，通过同步或分步调节海洋空间桁架结构中至少部分球形浮力节点的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换；可将不同的面依次朝上甚至浮出水面，利于维修维护清洗作业、调整生产环境等；具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点，可替代传统的大型浮式结构。

Description

海洋空间桁架结构及其球形节点和姿态调节方法

技术领域

本发明属于海洋工程装置领域，具体涉及一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，包括该球形浮力节点的球形节点，包括该球形浮力节点或该球形节点的海洋空间桁架结构，以及海洋空间桁架结构的姿态调节方法。

背景技术

钢结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚度好、抵抗变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。

根据行业发展状况，海洋工程装备领域的发展应当引起国家有关主管部门的关注，如果受到重视和政策鼓励，完全可以实现产业倍增的目标。

海洋石油的产量在2015年要达到1亿吨，海洋工程装备企业的目标是要为深海1500米～3000米的开采提供大量装备，产业水平及规模必须提高；中国钢结构产业在近10余年期间发展迅速，已成为全球钢结构用量最大、制造施工能力最强、产业规模第一、企业规模第一的钢结构大国。

各地重大钢结构工程的成功建设，说明中国的钢结构综合技术水平已处于国际先进水平。

钢结构行业由于其经济和技术的优越性、低碳减排、循环经济以及可工业化、产业化发展，能更好的适应并满足当前中国国民经济建设需要，也将成为具有市场广阔、企业众多、创新不断、充满蓬勃生机的新兴产业之一。

今天，人类在不断地探索周围空间，开发空间技术，伸向遥远宇宙的同时，人类的活动更积极地转向海洋。根据使命，航区、航行状态、动力装置、推进形式等进一步区分为“舰船”和“海洋工程装置”两大门类。

为了保卫海疆、促进国家经济发展，世界海洋国家十分重视造船业的发展。随着海洋开发进程的加快，海洋工程装备更成为世界造船业的新宠和必争领域。

值得关注的是，无论是“舰船”还是“海洋工程装置”的设计与建造，历来都是由造船部门提供。这样的传承，导致我们现在看到的海工装备，明显带有舰船的身影，以半潜式海上浮动平台为例（图1a-c），可以看到底部为由船体舱室演化而来的大型下浮体，直径６米的巨大立柱，联通整个甲板的同样和船体舱室结构一致的上箱体及立柱下方的横向撑杆组成。这样的设计带来以下二大问题：

这样的装备只能由专业的大型造船部门建造，这包括专门尺寸和性能的钢材，专门的材料切割加工和焊接设备，专门的船坞和大型吊装设备，专业的劳动密集型产业工人，现场进行的拼装和焊接，所有带来的是建造成本居高不下，这在以海上石油开采为对象高利润行业是可以接受的，但也极大的限制了海洋工程装备在其它领域的应用。

这种以钢板焊接成各个功能舱室再拼接而成的海洋工程装备的总体力学性能并不好，箱式浮体的热点应力分布集中在箱体连接的特定应力集中节点。 箱式浮体的固有频率为 0.5 rad /s 附近，极易和海浪、浪涌等产生共振，此时浮体关键节点的应力幅值最大。当应力过大导致箱体材料疲劳断裂时，箱式浮体舱室结构变形或水密封性能失效，导致整个海洋工程装备倾覆或失浮沉没。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，通过对海洋钢结构型式研究，特别是长宽为数公里的超大型浮体、深海超大型FPSO（浮式采储卸系统）、半潜式平台与SPAR（单柱平台）、浮式养渔装置(风浪大，沉入海中；风浪小，浮在海面上)的结构性研究，本发明提供了一种包括密集杆件和膨大球形浮力节点的海洋空间桁架结构，作为海工装备的结构主体，该结构主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构杆件失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了海工装备的结构力学性能，保证了整个装备的安全性。另外，这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了装备的安全工作年限。

近年来，随着各国对海洋资源的开发从近海走向深海，大型浮式结构为满足强度要求和安全性而不断增加设计、制造、施工难度和成本，已经难以有效发挥作用。本发明的桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面等特点。由于海洋工程中传统的实体式结构投资大、施工周期长、受自然条件限制且维修较难，相比之下，本发明的桁架结构特点突出，随着海洋技术的发展，将其引入到海洋工程中 ，可用作人工岛屿上用于物资存储的大型仓库等建筑物、海洋石油半潜式平台、Spar（单柱平台）和张力腿平台、浮动机场、跨海浮桥、浮动码头、水上工厂仓储、水上游乐场、浮式人工岛、海上城市等VLFS（海洋超大型浮式结构物）的浮体结构。

在海洋环境中，波浪冲击是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，本发明将桁架结构引入到海洋环境中，通过对浮式密集桁架结构模型的有限元分析和计算，表明在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，结构整体受力合理；在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。

由于密集桁架结构的排水体积较小，无法提供海工装备所需的浮力，在桁架杆件交汇的力学节点位置，设计了膨大了的中空节点，这个中空节点在保持原节点力学性能的前提下，用以产生装备工作中所需的浮力。这个位于桁架节点的装置称为节点浮力装置，从理论上讲节点浮力装置的形状可以是任意的。

由于节点浮力装置，是独立均匀分布在桁架结构的各个力学节点上的，所以对整个结构产生和结构相对应的支撑浮力，改善了整个结构的应力分布状态。

由于每个节点浮力装置之间的独立性，在个别节点浮力装置浮力失效时，整个装备总体浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了装备的安全性。

浮力节点式桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，替代传统的大型浮式结构，并降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：设置在多个桁架杆件交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构工作中所需的浮力；

所述球形浮力节点的浮力可调节，通过调节球体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对球形浮力节点的浮力进行调节；

通过同步或分步调节海洋空间桁架结构中至少部分球形浮力节点的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。

进一步地，所述球形浮力节点包括球壳体，所述球壳体内设有中心气管，所述球壳体与所述中心气管之间设有弹性气囊，所述中心气管上设有进排气口，所述中心气管的至少一端连接气源，所述球壳体上、所述弹性气囊之外设有进排水口，所述进排水口可连通所在的外部水体；

通过调节所述弹性气囊的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述球壳体与所述弹性气囊之间的进排水量，进而调节球形浮力节点的浮力。

进一步地，所述中心气管作为所述球壳体的内部加强支撑结构。

进一步地，所述海洋空间桁架结构中每个所述中心气管均设置在各自的所述球壳体的主受力方向上。

进一步地，所述中心气管与中空的所述桁架杆件相互贯通。

进一步地，气源与所述中心气管之间的供排气管路设置在中空的所述桁架杆件中。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种海洋空间桁架结构中的球形节点，其特征在于：包括球形浮力节点和球形储物节点；

所述球形浮力节点为前述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点；

所述球形储物节点设置在多个桁架杆件交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以存贮海洋空间桁架结构工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资；

当所述球形储物节点存贮气态物资时，用于存贮压缩气体，每一个这样的球形储物节点为周边的一个或多个所述球形浮力节点的浮力调节提供气源；

当所述球形储物节点存贮液态物资时，用于存贮油料或淡水；

当所述球形储物节点存贮固态物资时，用于存贮颗粒饲料或包括电池、电子设备在内的功能性设备。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种海洋空间桁架结构中的球形节点，其特征在于：包括球形浮力节点和球形增重节点；

所述球形浮力节点为前述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点；

所述球形增重节点设置在多个桁架杆件交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，内装比重大于水的内容物，以克服浮力增大自重，从而增加整个海洋空间桁架结构的平衡和稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种海洋空间桁架结构，其特征在于：包括如前述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点或如前述的海洋空间桁架结构中的球形节点，以及桁架杆件。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种如前述的海洋空间桁架结构的姿态调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定姿态调节的方向和整个海洋空间桁架结构的重力平衡中纵面；

S2、对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向后方的球形浮力节点内进气、排水，对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向前方的球形浮力节点内排气、进水；

S3、整个海洋空间桁架结构进行滚翻，并达到中间临时再平衡状态；

S4、重复步骤S1-S3直到达到预定的姿态。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

通过对海洋钢结构型式研究，特别是长宽为数公里的超大型浮体、深海超大型FPSO（浮式采储卸系统）、半潜式平台与SPAR（单柱平台）、浮式养渔装置(风浪大，沉入海中；风浪小，浮在海面上)的结构性研究，本发明提供了一种包括密集杆件和膨大球形浮力节点的海洋空间桁架结构，作为海工装备的结构主体，该结构主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构杆件失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了海工装备的结构力学性能，保证了整个装备的安全性。另外，这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了装备的安全工作年限。

近年来，随着各国对海洋资源的开发从近海走向深海，大型浮式结构为满足强度要求和安全性而不断增加设计、制造、施工难度和成本，已经难以有效发挥作用。本发明的桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面等特点。由于海洋工程中传统的实体式结构投资大、施工周期长、受自然条件限制且维修较难，相比之下，本发明的桁架结构特点突出，随着海洋技术的发展，将其引入到海洋工程中 ，可用作人工岛屿上用于物资存储的大型仓库等建筑物、海洋石油半潜式平台、Spar（单柱平台）和张力腿平台、浮动机场、跨海浮桥、浮动码头、水上工厂仓储、水上游乐场、浮式人工岛、海上城市等VLFS（海洋超大型浮式结构物）的浮体结构。

在海洋环境中，波浪冲击是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，本发明将桁架结构引入到海洋环境中，通过对浮式密集桁架结构模型的有限元分析和计算，表明在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，结构整体受力合理；在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。

由于密集桁架结构的排水体积较小，无法提供海工装备所需的浮力，在桁架杆件交汇的力学节点位置，设计了膨大了的中空节点，这个中空节点在保持原节点力学性能的前提下，用以产生装备工作中所需的浮力。这个位于桁架节点的装置称为节点浮力装置，从理论上讲节点浮力装置的形状可以是任意的。

由于节点浮力装置，是独立均匀分布在桁架结构的各个力学节点上的，所以对整个结构产生和结构相对应的支撑浮力，改善了整个结构的应力分布状态。

由于每个节点浮力装置之间的独立性，在个别节点浮力装置浮力失效时，整个装备总体浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了装备的安全性。

浮力节点式桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，替代传统的大型浮式结构，并降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。

本发明采用球形浮力节点对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。这里的切换既可以完全在水中完成，利用水下相对平静的洋流环境，避免海上风浪的影响；也可以在正常全浮工作状态与超浮工作状态下完成，例如海上风浪较小时，更利于利用海面以上部分自身的重力配合水下浮力。在深海养殖这类应用中，网箱姿态的翻滚切换能够将不同的面依次朝上甚至浮出水面，既不影响网箱内的水产，又非常有利于网箱的附着物在滚翻中自行脱落、浮出水面的清洗作业、网箱部件的水上及时维修等，以及根据太阳方位、网箱遮阳物的朝向、水产光照方案调整姿态，利用网箱遮阳物的遮光效应，自主控制网箱内的光照时长及方向，提高水产质量和产量。由此创造的条件为其他应用场景带来的好处不再一一列举。

本发明将中空的桁架杆件本身作为气源的供气通道，或者利用桁架杆件的中空空间设置气源与中心气管之间的供排气管路，这样供排气管路在桁架杆件中得到很好的保护，在整个海工装备的制造过程中，供排气管路预制在桁架杆件中进行组装，提高了生产效率。

本发明部分采用球形储物节点，用以存贮海洋空间桁架结构工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资，它们的共同特点是，相对于储存在海工装备甲板上或者通过船舶或飞机转运，球形储物节点可以降低甲板高度，降低重心，提高海工装备的稳定性；充分利用了自身的储存空间，提高了自持力和续航力，且提供了更好的封闭性，储存温度稳定性。

储存压缩气体的球形储物节点的设置，可以在不需要频繁调节浮力的应用场合，如养殖网箱的全浮和半潜工作状态转变，可不依赖外部动力和气源，自主完成；还可以大大简化桁架杆件中的供排气管路设计，降低维修难度。

存贮液态物资的球形储物节点的设置，在某些应用场景中，存贮的油料可供发电机组使用；存贮的淡水可来自于外部补充，也可以通过管道从海水淡化装置、自然降水中收集，再反哺使用。

储存固体物资的球形储物节点的设置，可以方便地从球形储物节点中加入和抽出的固体颗粒，如颗粒饲料；或者用来放置长期不需要进出的功能性设备，如电池，电子设备。

本发明部分采用球形增强节点，内部设有加强件，用以增强整个海洋空间桁架结构的力学稳定性。球形增强节点的形式包括：贯穿整个球形浮力节点内部的主受力方向支撑杆件，次受力方向支撑杆件，内部排列的肘板。

附图说明

图1a是现有技术的箱式结构半潜式海上浮式结构物VLFS的主视示意图；

图1b是现有技术的箱式结构半潜式海上浮式结构物VLFS的侧视示意图；

图1c是现有技术的箱式结构半潜式海上浮式结构物VLFS的俯视示意图；

图2a是本发明实施例的海洋空间桁架结构的简要示意主视图；

图2b是本发明实施例的海洋空间桁架结构的简要示意侧视图；

图2c是本发明实施例的海洋空间桁架结构的简要示意俯视图；

图3a是本发明实施例的带球形浮力节点的海洋空间桁架结构的简要示意主视图；

图3b是本发明实施例的带球形浮力节点的海洋空间桁架结构的简要示意侧视图；

图3c是本发明实施例的带球形浮力节点的海洋空间桁架结构的简要示意俯视图；

图4是本发明实施例的海洋空间桁架结构的承载量状态调整示意图；

图5是本发明实施例的海洋空间桁架结构的浮潜状态调整示意图；

图6是本发明实施例的海洋空间桁架结构的大致水平状态与大致竖直状态之间的姿态调整平示意图；

图7是本发明实施例的海洋空间桁架结构的滚翻动作示意图；

图8是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的示意图；

图9a是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的最小浮力示意图；

图9b是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的中等浮力示意图；

图9c是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的最大浮力示意图；

图10是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形储物节点的示意图；

图11a是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形增重节点的示意图；

图11b是图11a的局部放大示意图；

图12a是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形加强节点的主受力方向贯穿加强支撑的示意图；

图12b是图12a的局部放大示意图；

图13a是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形加强节点的主受力方向贯穿加强支撑和次受力方向加强支撑的示意图；

图13b是图13a的局部放大示意图；

图14a是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形加强节点的加强肋板示意图；

图14b是图14a的A-A截面剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图2a-c所示，本发明首先提供一种海洋空间桁架结构，包括球形节点和桁架杆件20。不同桁架杆件20交汇的力学节点位置设置球形节点，每个球形节点上一般设置至少两个桁架杆件，极少数情况下设置单桁架杆件。

由于密集桁架结构的排水体积较小，无法提供海工装备所需的浮力，在桁架杆件交汇的力学节点位置，设计了膨大了的中空节点，这个中空节点在保持原节点力学性能的前提下，用以产生海工装备工作中所需的浮力。这个位于桁架节点的装置称为节点浮力装置，从理论上讲节点浮力装置的形状可以是任意的，但在产生主要浮力甚至绝大部分浮力的作用上是相同的。例如现有技术的图1a-c的半潜式海上浮动平台中，产生海工装备工作中所需的浮力是下浮体而非立柱和撑杆；具有杆件和杆件节点，但产生海工装备工作中所需的浮力是杆件的而非杆件节点的，其杆件节点不能称为本发明意义的节点浮力装置。

由于节点浮力装置，是独立均匀分布在桁架结构的各个力学节点上的，所以对整个结构产生和结构相对应的支撑浮力，改善了整个结构的应力分布状态。

由于每个节点浮力装置之间的独立性，在个别节点浮力装置浮力失效时，整个装备总体浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了装备的安全性。

浮力节点式桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，替代传统的大型浮式结构，并降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。

考虑到节点浮力装置的力学性能和材料体积比较的优化，首选节点浮力装置的形状为中空球形体，在球体腔内部为质量较轻的气体或其它轻质材料，称之为球形浮力节点。球形浮力节点的中心为桁架力学节点中心。在具体应用中，浮力节点是以和结构关系对应的、按一定空间规律排列的形式组合，如图3a-c简单示意。

本发明提供的包括密集杆件和膨大球形浮力节点的海洋空间桁架结构，作为海工装备的结构主体，该结构主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构杆件失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了海工装备的结构力学性能，保证了整个装备的安全性。另外，这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了装备的安全工作年限。

近年来，随着各国对海洋资源的开发从近海走向深海，大型浮式结构为满足强度要求和安全性而不断增加设计、制造、施工难度和成本，已经难以有效发挥作用。本发明的桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面等特点。由于海洋工程中传统的实体式结构投资大、施工周期长、受自然条件限制且维修较难，相比之下，本发明的桁架结构特点突出，随着海洋技术的发展，将其引入到海洋工程中 ，可用作人工岛屿上用于物资存储的大型仓库等建筑物、海洋石油半潜式平台、Spar（单柱平台）和张力腿平台、浮动机场、跨海浮桥、浮动码头、水上工厂仓储、水上游乐场、浮式人工岛、海上城市等VLFS（海洋超大型浮式结构物）的浮体结构。

在海洋环境中，波浪冲击是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，本发明将桁架结构引入到海洋环境中，通过对浮式密集桁架结构模型的有限元分析和计算，表明在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，结构整体受力合理；在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。

具体地，如图3a-c所示，本发明的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点10，设置在多个桁架杆件20交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构1工作中所需的浮力。所述桁架杆件20包括上弦杆201、下弦杆202、直腹杆203、斜腹杆204、横梁205、交叉梁206。

如图4-5所示，在一些具体应用领域，需要在海工装备的某些特定位置调整浮力的大小，这时可在球形浮力节点的内部，加装可动态调节水气体积比例的装置，以实现整个装备的浮潜、平衡和姿态调整。如图4所示，通过有目的的调整多个或多组球形浮力节点的浮力大小，可以实现结构物在水中的吃水深度或承载量的调整；如图5所示，通过有目的的调整多个或多组球形浮力节点的浮力大小，可以实现结构物在水中的浮潜调整，如在正常全浮工作状态与座底工作状态之间的浮潜调整。

如图6-7所示，在一些具体应用领域，通过同步或分步调节海洋空间桁架结构1中至少部分球形浮力节点10的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。这里的切换既可以完全在水中完成，利用水下相对平静的洋流环境，避免海上风浪的影响；也可以在正常全浮工作状态与超浮工作状态下完成，例如海上风浪较小时，更利于利用海面以上部分自身的重力配合水下浮力。在深海养殖这类应用中，网箱姿态的翻滚切换能够将不同的面依次朝上甚至浮出水面，既不影响网箱内的水产，又非常有利于网箱的附着物在滚翻中自行脱落、浮出水面的清洗作业、网箱部件的水上及时维修等，以及根据太阳方位、网箱遮阳物的朝向、水产光照方案调整姿态，利用网箱遮阳物的遮光效应，自主控制网箱内的光照时长及方向，提高水产质量和产量。由此创造的条件为其他应用场景带来的好处不再一一列举。

如图6-7所示，海洋空间桁架结构的姿态调节方法，具体包括如下步骤：

S1、确定姿态调节的方向和整个海洋空间桁架结构的重力平衡中纵面；

S2、对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向后方的球形浮力节点10内进气、排水，增大其浮力；对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向前方的球形浮力节点10内排气、进水，减小其浮力；

S3、整个海洋空间桁架结构进行滚翻，并达到中间临时再平衡状态；

S4、重复步骤S1-S3直到达到预定的姿态。

其中，达到中间临时再平衡状态之后，步骤S4中，再次确定的姿态调节的方向和整个海洋空间桁架结构的重力平衡中纵面，可以与前一次确定的有所不同，例如图7为纸面竖直平面内的滚翻，在45°时，可以改为与纸面夹角45°的竖直平面内的滚翻，在90°时，可以改为垂直于纸面的竖直平面内的滚翻。也就是说，从初始状态开始到最终预定姿态为止，中间的滚翻路径需要事先规划和设计，且需要在多个可能的滚翻路径中选取最优路径，再去执行S1-S4。

如图8所示，球形浮力节点的具体结构方案为，球形浮力节点10包括球壳体101，所述球壳体101内设有中心气管102，所述球壳体101与所述中心气管102之间设有弹性气囊103，所述中心气管102上设有进排气口104，所述中心气管102的至少一端连接气源，所述球壳体101上、所述弹性气囊103之外设有进排水口105，所述进排水口105可连通所在的外部水体；所述中心气管102两端的壳体上设有连接法兰106和密封压板107，用于与桁架杆件20密封连接，上连接法兰处设有进气口108及相应的进气阀门1081、排气口109及相应的排气阀门1091，均与中心气管102上端连通，进气阀门与排气阀门与气源相连通，如气体压缩装置（如气泵）或储存压缩气体的球形储物节点10’；当然，进气口和排气口、由外部信号控制的进气阀门与排气阀门均可以合并为一个；下连接法兰处进排气口105相应设有由外部信号控制的进排水阀门1051，优选还设有外部水体和内部水体之间的进水过滤器1010。通过调节所述弹性气囊103的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述球壳体101与所述弹性气囊103之间的进排水量，进而调节球形浮力节点的浮力。运行过程为，当进气阀门1081和进排水阀1051门同时打开时，压缩气体进入弹性气囊103，气囊膨胀，体积增大，相应体积的水从进排水阀门1051排入外部水体，这时球形浮力节点的浮力增大。反之，当排气阀门1091和进排水阀门1051同时打开时，弹性气囊103中的气体压力下降，气囊收缩，体积减小，相应体积的水从进排水阀门1051进入球形浮力节点内部，这时球形浮力节点的浮力增大。在以上调节过程中，如果同时关闭进、排气阀门和进排水阀门1051，球形浮力节点的内部的水气比例将维持阀门关闭时的状态，这时球形浮力节点的浮力稳定在调整到的具体数值。

如图9a-c所示，当球形浮力节点内部全部为气体时，浮力节点的浮力最大，当气体压力减小时，外部水体的水将逐步进入球体内部，浮力节点的浮力也随之减少，当气体压力减小到外部水体的水全部充满球体内部时，浮力节点的浮力达到最小。

进一步地，所述中心气管102作为所述球壳体101的内部加强支撑结构。进一步地，所述海洋空间桁架结构1中每个所述中心气管102均设置在各自的所述球壳体101的主受力方向上。

进一步地，所述中心气管102与中空的所述桁架杆件20相互贯通，通过中空的桁架杆件本身作为气源的供气通道，适用于桁架杆件的直径、气路长度、气源的功率等相互匹配的情况下。如果匹配情况不佳，进一步地，利用桁架杆件20的中空空间设置气源与所述中心气管102之间的供排气管路，这样供排气管路在桁架杆件中得到很好的保护，在整个海工装备的制造过程中，供排气管路预制在桁架杆件中进行组装。

本发明还提供了一种海洋空间桁架结构，与前述海洋空间桁架结构不同的是，将部分球形浮力节点10例如一个或多个，替换为球形储物节点10’，也就是说海洋空间桁架结构至少包括两类不同的球形节点。所述球形浮力节点10同前，所述球形储物节点10’设置在多个桁架杆件20交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以存贮海洋空间桁架结构1工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资，它们的共同特点是，相对于储存在海工装备甲板上或者通过船舶或飞机转运，球形储物节点可以降低甲板高度，降低重心，提高海工装备的稳定性；充分利用了自身的储存空间，提高了自持力和续航力，且提供了更好的封闭性，储存温度稳定性。

当所述球形储物节点10’存贮气态物资时，用于存贮压缩气体，每一个这样的球形储物节点10’为周边的一个或多个所述球形浮力节点10的浮力调节提供气源。储存压缩气体的球形储物节点10’的结构可以单独设计，也可以与球形浮力节点10类似，不同的是在其基础上去掉弹性气囊、进排水口、进排水阀门、进水过滤器等，保留中心气管、进排气口、连接法兰、密封压板、进气口、进气阀门、排气口、排气阀门等，中心气管、进排气口也可以进一步省略；其中进气口、进气阀门用于压缩空气外部定期补充或由管道适时补充；储存压缩气体的球形储物节点10’的排气口和排气阀门与球形浮力节点10的进气口和进气阀门连通。储存压缩气体的球形储物节点10’的设置，可以在不需要频繁调节浮力的应用场合，如养殖网箱的全浮和半潜工作状态转变，可不依赖外部动力和气源，自主完成；还可以大大简化桁架杆件中的供排气管路设计，降低维修难度。

当所述球形储物节点10’存贮液态物资时，用于存贮油料或淡水；储存液态物资的球形储物节点10’的结构可以单独设计为如图10所示的形式，其进料口1011和出料口1012用于外部定期补充/排出或管道适时补充/排出，外部定期补充时，可在翻滚或上浮到水面以上时进行为佳。图示进料口1011和出料口1012独立设置在桁架杆件外部，优选设置阀门；更可以与储气节点类似，利用桁架杆件自身或桁架杆件内设的管道进行进出料。在某些应用场景中，存贮的油料可供发电机组使用；存贮的淡水可来自于外部补充，也可以通过管道从海水淡化装置、自然降水中收集，再反哺使用。

当所述球形储物节点10’存贮固态物资时，固态物资一般指可以方便地从球形储物节点中加入和抽出的固体颗粒，如颗粒饲料。储存固体物资的球形储物节点10’的结构可以单独设计为如图10所示的形式，其进料口1011和出料口1012用于外部定期补充/排出或管道适时补充/排出，外部定期补充时，可在翻滚或上浮到水面以上时进行为佳。图示进料口1011和出料口1012独立设置在桁架杆件外部，优选设置阀门；更可以与储气节点类似，利用桁架杆件自身或桁架杆件内设的管道进行进出料。另一种情况是用来放置长期不需要进出的功能性设备，如电池，电子设备。

本发明还提供了一种海洋空间桁架结构，与前述海洋空间桁架结构不同的是，将部分尺寸较大的球形浮力节点10例如一个或多个，替换为球形增重节点10’’。也就是说海洋空间桁架结构至少包括两类不同的球形节点。所述球形浮力节点10为前述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点。

如图11a-b所示，所述球形增重节点10’’设置在多个桁架杆件20交汇的力学节点位置，优选为海洋空间桁架结构的底部，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，内装比重大于水的内容物，如混凝土，以克服浮力增大自重，从而增加整个海洋空间桁架结构的平衡和稳定性。

本发明还提供了一种海洋空间桁架结构，与前述海洋空间桁架结构不同的是，将部分的球形浮力节点10例如一个或多个，替换为球形增强节点。也就是说海洋空间桁架结构包括至少两类不同的球形节点。所述球形浮力节点10同前，所述球形储物节点10’设置在多个桁架杆件20交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，内部设有加强件用以增强整个海洋空间桁架结构的力学稳定性。

如图12a-b所示，球形增强节点的一种形式是，在力学节点的主要受力方向，加装贯穿整个球形浮力节点内部的支撑杆件。

如图13a-b所示，球形增强节点的另一种形式是，除了在力学节点的主要受力方向，加装贯穿整个球形浮力节点内部的支撑杆件之外，如有需要，亦可在力学节点的其它受力方向，加装球体内部的支撑杆件，这个杆件可以是贯穿整个球体的，也可以是穿过球体连接在主要受力方向的球形浮力节点内部的支撑杆件上。

如图14a-b所示，球形增强节点的另一种形式是，在尺寸较大的球体浮力节点内部，为了增强球形节点强度，可增加球体内部肋板；在尺寸较大的球体浮力节点内部，增加的内部肋板，围绕主受力方向轴线，按一定的角度均匀排列，排列密度越大，球体在主受力方向的强度越大。

本发明中，球体材料通常可以采用和结构材料相同碳合金钢材料。

在结构件有轻量化要求的使用场合时，节点球体可采用和桁架杆件相同或不同的铝合金或钛合金材料制成。

在结构件有轻量化及考虑电磁环境要求的使用场合时，球形节点可采用和桁架杆件相同或不同的非金属材料制成，如碳材料、玻璃纤维、芳纶纤维、纤维增强塑料等。

可以理解的是，以上所描述的系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例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、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：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实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：设置在多个桁架杆件(20)交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构(1)工作中所需的浮力；

所述球形浮力节点(10)为球形浮力可调节点，通过调节球体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对球形浮力可调节点的浮力进行调节；

通过同步或分步调节海洋空间桁架结构(1)中至少部分球形浮力可调节点的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。

2.如权利要求1所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：

所述球形浮力节点(10)包括球壳体(101)，所述球壳体(101)内设有中心气管(102)，所述球壳体(101)与所述中心气管(102)之间设有弹性气囊(103)，所述中心气管(102)上设有进排气口(104)，所述中心气管(102)的至少一端连接气源，所述球壳体(101)上、所述弹性气囊(103)之外设有进排水口(105)，所述进排水口(105)可连通所在的外部水体；

通过调节所述弹性气囊(103)的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述球壳体(101)与所述弹性气囊(103)之间的进排水量，进而调节球形浮力节点的浮力。

3.如权利要求2所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：

所述中心气管(102)作为所述球壳体(101)的内部加强支撑结构。

4.如权利要求3所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：

所述海洋空间桁架结构(1)中每个所述中心气管(102)均设置在各自的所述球壳体(101)的主受力方向上。

5.如权利要求3所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：

所述中心气管(102)与中空的所述桁架杆件(20)相互贯通。

6.如权利要求5所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：

气源与所述中心气管(102)之间的供排气管路设置在中空的所述桁架杆件(20)中。

7.一种海洋空间桁架结构中的球形节点，其特征在于：包括球形浮力节点(10)和球形储物节点(10’)；

所述球形浮力节点(10)为权利要求1-6任一项所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点；

所述球形储物节点(10’)设置在多个桁架杆件(20)交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以存贮海洋空间桁架结构(1)工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资；

当所述球形储物节点(10’)存贮气态物资时，用于存贮压缩气体，每一个这样的球形储物节点(10’)为周边的一个或多个所述球形浮力节点(10)的浮力调节提供气源；

当所述球形储物节点(10’)存贮液态物资时，用于存贮油料或淡水；

当所述球形储物节点(10’)存贮固态物资时，用于存贮颗粒饲料或功能性设备，所述功能性设备包括电池、电子设备。

8.一种海洋空间桁架结构中的球形节点，其特征在于：包括球形浮力节点(10)和球形增重节点(10”)；

所述球形浮力节点(10)为权利要求1-6任一项所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点；

所述球形增重节点(10”)设置在多个桁架杆件(20)交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，内装比重大于水的内容物，以克服浮力增大自重，从而增加整个海洋空间桁架结构的平衡和稳定性。

9.一种海洋空间桁架结构，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点或如权利要求7-8任一项所述的海洋空间桁架结构中的球形节点，以及桁架杆件(20)。

10.一种如权利要求9所述的海洋空间桁架结构的姿态调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定姿态调节的方向和整个海洋空间桁架结构的重力平衡中纵面；

S2、对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向后方的球形浮力节点(10)内进气、排水，对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向前方的球形浮力节点(10)内排气、进水；

S3、整个海洋空间桁架结构进行滚翻，并达到中间临时再平衡状态；

S4、重复步骤S1-S3直到达到预定的姿态。

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