CN112324832A - 一种流体阻尼发生板和流体阻尼发生装置 - Google Patents

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尹汉军
杨小龙
蔡元浪
杨健
刘培林
杨辉
张法富
彭小佳
梁瑜
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    • F16F9/32—Details
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Abstract

本发明公开了一种流体阻尼发生板和流体阻尼发生装置，包括板状结构，板状结构的边缘设为分形模式，且其边缘外形轮廓线整体或局部呈连续的分形曲线，利用流体在板状结构边缘流动发生流动分离产生阻尼，分形模式的边缘形状能够保证整个板状结构的保持有限的面积时，实现其边缘轮廓最大化，进而可以提升结构的阻尼效应；同样的，分形模式的边缘形状也能够在保证整个板状结构阻尼效应一定时，使其面积最小化，节省材料并且减小局部结构的阻尼力矩，减小结构载荷，提高结构的疲劳寿命。

Description

一种流体阻尼发生板和流体阻尼发生装置
技术领域
本发明为一种流体阻尼发生板和流体阻尼发生装置，涉及流体阻尼发生装置，尤其涉及海上结构物的流体阻尼发生装置。
背景技术
使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，称之为阻尼，而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，称为阻尼器，即阻尼装置，可以快速衰减由于受到冲击而产生的振动，流体阻尼装置是通过流体阻尼发生装置在流体中运动，从而产生粘性阻尼，有效地实现减振作用，理想的阻尼器有油阻尼器，常用油类有硅油、蓖麻油、机械油、柴油、机油、变压器油，其中流体阻尼发生装置形式可做成板式、活塞式、方锥体、圆锥体等。
线性分形又称为自相似分形，自相似原则和迭代生成原则是分形理论的重要原则。它表征分形在通常的几何变换下具有不变性，分形形体中的自相似性可以是完全相同，也可以是统计意义上的相似。标准的自相似分形是数学上的抽象，迭代生成无限精细的结构，根据自相似性的程度，分形可以分为有规分形和无规分形，有规分形是指具体有严格的自相似性，即可以通过简单的数学模型来描述其相似性的分形，比如三分康托集、科赫曲线(Koch snowflake)、谢尔宾斯基地毯(Sierpinski carpet)等；这种有规分形只是少数，绝大部分分形是统计意义上的无规分形，比如曲折连绵的海岸线，漂浮的云朵等。
我国在近海和浅海的石油开采已有40年的历史，由于开采量的逐步增大，油气资源已日渐枯竭，同时随着工业的快速发展，对油气资源的需求也越来越多，为迎接深水钻井和采油的挑战，先后发展了几大类适合于深水作业的浮式结构物：FPSO、半潜式平台、张力腿平台和Spar等等，深水浮式平台是目前深水海洋油气开发的主要装备，但是目前海洋浮式结构物对垂荡运动性能要求很高，需要在海洋浮式结构物上设置流体阻尼发生装置以提高整体的垂荡运动性能。常见的用于抑制垂向运动的流体阻尼发生装置有垂荡板，现有技术中垂荡板大部分都是矩形或圆形等具有规则边缘的形状，为了增加垂荡板的阻尼效应，通常方法是需要加大垂荡板的尺寸，即增大垂荡板的面积，这会导致局部结构应力增加，疲劳寿命减少，此外，传统的垂荡板需设置在较大深度处才能起到良好的控制垂荡运动效果；如何优化海洋浮式结构物中流体阻尼发生装置使其阻尼效应更大，是目前世界海洋石油工程领域需要突破的关键技术之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种流体阻尼发生板和流体阻尼发生装置，能够实现在流体阻尼发生板的面积一定时，产生更大的阻尼效应。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种流体阻尼发生板，包括板状结构，所述板状结构的边缘设为分形模式，所述分形模式包括在几何形状上的自相似迭代，所述板状结构的边缘外形轮廓整体或局部呈连续的分形曲线。
具体而言，是所述板状结构的俯视图的平面图形的轮廓线整体或者局部呈连续的分形曲线。
进一步改进在于：所述分形模式为有规分形。
进一步改进在于：所述自相似迭代为基于科赫分形模式的自相似迭代。
进一步改进在于：所述自相似迭代的几何形状为三角形。
进一步改进在于：所述自相似迭代的次数为三次。
进一步改进在于：所述板状结构的平面形状为环形、圆形或多边形。
进一步改进在于：所述板状结构为实心板或内部构造有空腔的扁平箱体。
本发明还提供一种流体阻尼发生装置，包括至少一层权利要求1至7中任一项所述的流体阻尼发生板。
进一步改进在于：多层所述流体阻尼发生板穿设在连接杆上连接成一个整体，多层所述流体阻尼发生板相互平行并间隔开分布，且多层所述流体阻尼发生板的中心位于同一条铅垂线上。
进一步改进在于：多层所述流体阻尼发生板形状相同。
本发明的技术效果在于：1、本发明的一种流体阻尼发生板，包括板状结构，板状结构的边缘设为分形模式，且其边缘外形轮廓线整体或局部呈连续的分形曲线，利用流体在板状结构边缘流动发生流动分离产生阻尼，分形模式的边缘形状能够保证整个板状结构的保持有限的面积时，实现其边缘轮廓最大化，进而可以提升结构的阻尼效应；同样的，分形模式的边缘形状也能够在保证整个板状结构阻尼效应一定时，使其面积最小化，节省材料并且减小局部结构的阻尼力矩，减小结构载荷，提高结构的疲劳寿命。
2、本发明的一种流体阻尼发生板，包括具有分形模式边缘的板状结构，板状结构为实心板或内部构造有空腔的扁平箱体，实心板和扁平箱体因为结构不同而具备不同的功能，适用于不同的环境，本发明的流体阻尼发生板不仅仅限制于常见的实心板，还包括实际工程应用中呈现板状的扁平箱体结构，箱体结构内构造有空腔，减轻板状结构的重量，空腔内可容纳其它功能性结构补充本发明的流体阻尼发生板的其它功能，例如，空腔内可设计支撑架，提高板状结构的支撑强度。
3、本发明的一种流体阻尼发生板，包括具有分形模式边缘的板状结构，板状结构的整体形状可以为环形、圆形或多边形，能够灵活运用在各种海洋浮式结构上。
4、本发明的一种流体阻尼发生装置，包括至少一层本发明的任意一种流体阻尼发生板，多层流体阻尼发生板相互平行，并保持所有流体阻尼发生板的中心位于同一条铅垂线上，多层流体阻尼发生板间隔开分布，并且穿设在连接杆上连接成一个整体，不仅具有本发明的流体阻尼发生板的所有优点，多层设置的特点还能够进一步提升结构的阻尼效应，当本发明的流体阻尼发生装置用于海洋工程的浮式结构物上时，能够起到较好的减震效果。
附图说明
图1为本发明的一种流体阻尼发生板的结构示意图；
图2为图1的流体阻尼发生板的应用实施例之一；
图3为图1的流体阻尼发生板的应用实施例之二；
图4为本发明的实施例二提供的流体阻尼发生板的结构示意图；
图5为实施例二的流体阻尼发生板的另一种形式；
图6为本发明的实施例三提供的流体阻尼发生板的结构示意图；
图7为图1的流体阻尼发生板的另一种形式；
图8为实施例三的流体阻尼发生板的另一种形式；
图9为本发明的实施例四提供的流体阻尼发生板的结构示意图；
图10为本发明的一种流体阻尼发生装置的结构俯视示意图；
图11为本发明的一种流体阻尼发生装置的侧视结构示意图；
图12为流体阻尼发生装置的另一种形式；
图13为一阶至六阶的正三角形科赫曲线示意图。
图中主要标号说明：
1-流体阻尼发生板、2-主体结构、3-连接位置、4-流体阻尼发生装置、5-连接杆件、11-边缘、12-连接部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
分形几何学是一门以不规则几何形态为研究对象的学科，但其研究对象普遍存在于大自然界中，分形几何学理论在很多科学领域都有很好的应用。
本发明的原理在于：连续的分形曲线可以实现在有限的面积内，随着分形的阶数的增加，边缘的长度以大于一的倍数增加，自相似迭代的次数即阶数，在阶数趋于无穷时，边长也趋于无穷。将分形模式应用在流体阻尼发生板的外形上，可以增大流体阻尼发生板的边长，从而增大流体阻尼发生板与流体之间的接触，增大流体在板状结构边缘流动发生流动分离产生阻尼效应。
图1为本发明的一种流体阻尼发生板的结构示意图，如图1所示，为本发明一种流体阻尼发生板1，包括板状结构，板状结构的边缘11设为分形模式，分形模式包括在几何形状上的自相似迭代，板状结构的边缘外形轮廓线整体或局部呈连续的分形曲线。
具体而言，是板状结构的俯视图的平面图形的轮廓线整体或者局部呈连续的分形曲线。
进一步改进在于：分形模式为有规分形，实际应用中，有规分形的流体阻尼发生板更易于生产制造，例如dragon分形曲线。
进一步改进在于：自相似迭代为基于科赫分形模式的自相似迭代，科赫分形为常见的具有自相似性的分形模式，常见的有科赫雪花曲线，自相似迭代的几何图形为正三角形。
进一步改进在于：自相似迭代的几何形状为三角形，优选地，该三角形为等腰三角形，如图1中所示。
进一步改进在于：自相似迭代的次数为三次，优选地，分形模式为基于三阶等腰三角形科赫分形，如图1所示，迭代次数越多，阶数越高，则分形曲线的边长会越长，但是对于制作的要求也会更加高，等腰三角形科赫分形迭代三次后的分形曲线不会过于复杂。
进一步改进在于：板状结构的平面形状包括环形、圆形或多边形，实际应用过程中可能会遇到不同的环境，需要设计不同形状的流体阻尼发生板以满足实际需要，需要理解的是，板状结构的平面形状是指板状结构的俯视图的平面图形的大体形状，如图1中所示，流体阻尼发生板1的平面形状呈正三角形。
进一步改进在于：板状结构为实心板或内部构造有空腔的扁平箱体，以垂荡板为例，实际工程中，有单层钢板构成的垂荡板，也有具有一定厚度且带有空腔的扁平箱体结构的垂荡板，两者的结构不同，适用范围也会随之不同，例如，空腔内可容纳其它功能性结构补充本发明的流体阻尼发生板的其它功能，常见的有：在空腔内设计支撑架，提高板状结构的支撑强度，单层钢板的垂荡板则更加适用于小型的浮式结构物。
参见图1，流体阻尼发生板1的边缘11是三阶正三角形科赫分形的局部：流体阻尼发生板1的平面形状为正三角形，正三角形两条边上设为三阶正三角形科赫分形，图1中虚线部分为流体阻尼发生板1的连接部12，连接部12用于与主体结构(图1中未示出)连接，增加主体结构与流体的接触。
图2为图1的流体阻尼发生板的应用实施例之一，参见图2，图1中所示的流体阻尼发生板1有十五块，平均分为三组，每组有5块流体阻尼发生板 1顺序相接并且圆滑过渡，三个组的流体阻尼发生板1位于同一水平面，并且三个组呈中心对称分布设置在呈柱状的主体结构2的外壁，如图2中所示，本实施例中流体阻尼发生板1与主体结构2的外壁互相垂直，主体结构2的运动方向垂直于流体阻尼发生板1平面，且本实施例中，流体阻尼发生板1的连接部12设计为与主体结构外壁贴合。
本发明的流体阻尼发生板适用于各种形状的主体结构2，除了图2中所示的圆柱状，本发明的流体阻尼发生板还可以应用在横截面为多边形或者环形的主体结构2上，图3为图1的流体阻尼发生板的应用实施例之二，参见图3，主体结构2的横截面呈多边形，具体为正十二边形，主体结构2为棱柱状，十二块图1中所示的流体阻尼发生板1环绕主体结构2设置。
图4为本发明的实施例二提供的流体阻尼发生板的结构示意图，参见图4，流体阻尼发生板1的平面形状为环形，其内边缘111整体设置为连续的三阶正三角形科赫分形，本实施例中，其外边缘112设置光滑曲线形状，本实施例的流体阻尼发生板1可以通过将外边缘112与圆筒状的主体结构(未示出)的内壁固定，用于呈圆筒状的主体结构，也可以单独设置环状的流体阻尼发生板1 的外边缘112为分形模式或者同时设置其内边缘111和外边缘112为分形模式，流体阻尼发生板1的边缘11长度越大，其阻尼效应越大。
图5为实施例二的流体阻尼发生板的另一种形式，参见图5，通过在圆形板的中部开设一个边缘整体为三阶正三角形科赫曲线形状的通孔，形成的环形流体阻尼发生板1，相同阻尼效应时，面积比图4更小。
图6为本发明的实施例三提供的流体阻尼发生板的结构示意图，如图6所示，本实施例中，流体阻尼发生板1结合了二阶矩形科赫分形及三阶正三角形科赫分形，其中流体阻尼发生板1的平面形状是二阶矩形科赫分形，在二阶矩形科赫分形的每条边上设有具有自相似性的三阶正三角形科赫分形，以扩大其边缘外形轮廓线的长度。当连接部12(图中虚线部分)的长度尺寸相同时，本实施例的流体阻尼发生板1相比较于正三角形平面形状的流体阻尼发生板1，如图1中所示，平面形状面积占比更大，预期会有更高的阻尼效率，且边缘11与连接部12的最远距离(力臂)相比较于图1中的形式能够减少，这将大大减小阻尼力矩，应用起来安全性能较高。
图7为图1的流体阻尼发生板的另一种形式，参见图7，流体阻尼发生1 的其平面形状为等腰三角形，且为直角三角形，连接部12位于斜边位置，两条直角边均设为具有自相似性的分形模式，且为基于科赫分形模式的三阶等腰三角形科赫分形。
图8为实施例三的流体阻尼发生板的另一种形式。
图9为本发明的实施例四提供的流体阻尼发生板的结构示意图，如图9所示，本实施例中，流体阻尼发生板1的平面形状为二阶正三角形科赫分形，边缘11整体为连续的三阶正三角形科赫分形曲线，参见图9，本实施例相当于在正六边形板(如图中虚线部分所示)的每条边的方向上分别一体连接有一块如图1中所示的结构，本实施例中的流体阻尼发生板1可以用作垂荡板，增加垂荡板的阻尼效应。
图10为本发明的一种流体阻尼发生装置的俯视结构示意图，图11为本发明的一种流体阻尼发生装置的侧视结构示意图，如图10和图11所示，本发明的流体阻尼发生装置4包括至少一层前述的流体阻尼发生板1，每层流体阻尼发生板1上设有连接杆件5的连接位置3，多层流体阻尼发生板穿设在连接杆件5上连接成一个整体，多层流体阻尼发生板1相互平行并间隔开分布，且多层流体阻尼发生板1的中心位于同一条铅垂线上。图12为流体阻尼发生装置的另一种形式。
进一步的改进在于：流体阻尼发生装置4中包含的多层流体阻尼发生板1 形状相同，如图11所示。
需要理解的是本发明的实施例中的三阶仅为举例说明，具体实施中，可依据基础单元的尺寸，根据可接受的最小结构形式尺寸确定实际适用的分形阶数。科赫分形为常见的具有自相似性的分形模式，本发明的实施例中均以科赫分形为例说明，根据本发明的原理，其它具有自相似性的连续曲线也可以应用于流体阻尼发生板和流体阻尼发生装置上，图13为一阶至六阶的正三角形科赫曲线示意图，阶数(图13中的字母n代表阶数)每增加一，长度增长4/3倍，假设基础正三角形边长为a，面积为A，则对应的n阶科赫曲线长度为a(4/3)n，面积为
Figure RE-GDA0002837351310000081
图1为局部的三阶正三角形科赫曲线的结构示意图，如图 1所示，假设正三角形的边长为单位长度1，则三阶正三角形科赫曲线中的每一个线段的边长为(1/3)3＝1/27，一般地，对n阶正三角形的科赫曲线，其线段长度为(1/3)n。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种流体阻尼发生板，其特征在于：包括板状结构，所述板状结构的边缘设为分形模式，所述分形模式包括在几何形状上的自相似迭代，所述板状结构的边缘外形轮廓整体或局部呈连续的分形曲线。
2.根据权利要求1所述的流体阻尼发生板，其特征在于：所述分形模式为有规分形。
3.根据权利要求1所述的流体阻尼发生板，其特征在于：所述自相似迭代为基于科赫分形模式的自相似迭代。
4.根据权利要求3所述的流体阻尼发生板，其特征在于：所述自相似迭代的几何形状为三角形。
5.根据权利要求4所述的流体阻尼发生板，其特征在于：所述自相似迭代的次数为三次。
6.根据权利要求1所述的流体阻尼发生板，其特征在于：所述板状结构为实心板或内部构造有空腔的扁平箱体。
7.根据权利要求1所述的流体阻尼发生板，其特征在于：所述板状结构的平面形状为环形、圆形或多边形。
8.一种流体阻尼发生装置，其特征在于：包括至少一层权利要求1至7中任一项所述的流体阻尼发生板。
9.根据权利要求8所述的流体阻尼发生装置，其特征在于：多层所述流体阻尼发生板穿设在连接杆上连接成一个整体，多层所述流体阻尼发生板相互平行并间隔开分布，且多层所述流体阻尼发生板的中心位于同一条铅垂线上。
10.根据权利要求9所述的流体阻尼发生装置，其特征在于：多层所述流体阻尼发生板形状相同。
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