CN115840985B - 一种海工装备波浪隐形防护超材料装置及其设计方法 - Google Patents

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CN115840985B
CN115840985B CN202310133349.1A CN202310133349A CN115840985B CN 115840985 B CN115840985 B CN 115840985B CN 202310133349 A CN202310133349 A CN 202310133349A CN 115840985 B CN115840985 B CN 115840985B
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Abstract

本申请属于海洋工程防护及水下结构物技术领域，提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置及其设计方法，用于为海工装备提供防波浪保护，包括自内向外依次紧密嵌套的多个环形的防护结构，每个防护结构的径向厚度相同，包括自内向外紧密嵌套的一个A类环形板与一个B类环形板，其中，最内侧的A类环形板的内径以内的区域为防波浪区域；每个A类环形板的底面及顶面均位于海底以下；每个B类环形板的底面位于海底以下，每个B类环形板的顶面位于海面以下以及海底以上；所有A类环形板与B类环形板的底面位于同一平面。本申请的技术方案通过对海工装备周围的波浪进行主动操控，有效地消除波浪对海工装备的冲击，从根本上实现对海工装备的保护。

Description

一种海工装备波浪隐形防护超材料装置及其设计方法
技术领域
本申请属于海洋工程防护及水下结构物技术领域，进一步地，涉及对海洋工程提供防波浪保护的水下结构物，具体地，提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置及其设计方法。
背景技术
海洋中蕴含有丰富的资源，人类开发和利用海洋的步伐不断加快，海上风机、跨海桥梁等各种高技术含量和高附加值的海工装备不断涌现。然而，海工装备始终面临着波浪这一环境荷载的威胁。一方面，波浪会严重影响海工装备的作业安全和作业效率；另一方面，波浪会对造成海工装备的结构破坏甚至装备的丢失，进而造成严重的人员、财产损失。因此，针对各类海洋工程的水下部分进行防波浪保护是提高海工装备作业安全性，延长海工装备使用寿命的必要措施。
现有的各类为海工装配提供防波浪保护的装置，主要通过提高结构强度和安全系数等被动防护方式来确保海工装备的安全，例如，专利201821756746.5公开了一种对桥梁墩台进行防护的装置，通过围绕墩台设置多层环形的减震层及缓冲件，以减小水流对墩台的冲击；又如，专利202110558970.3公开了一种公开了一种桥梁桥墩防波浪冲击装置，属于桥梁建筑技术领域，该装置包括竖向疏波组件及环向疏波组件，两者连接固定形成环形框架结构，以抵挡各个方向波浪的冲击荷载。
然而，上述通过被动方式对海工装备提供防波浪保护的装置，在面对复杂多变的水下波浪情况时，只能通过不断增加防护装置数量、厚度及结构强度等方式，以实现对海工装备的防护，这种被动防护的方式一方面提高了装备造价成本及安装维护的难度，另一方面海工装备依然面对波浪威胁的情况并没有发生根本改变。
因此，需要提供一种主动式海工装备防护装置，能够从波浪操控角度出发，减轻或消除波浪对海工装备产生的冲击，以从根本上实现对海工装备的防波浪保护。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置及其设计方法，该波浪隐形防护超材料装置通过操控海工装备周围的波浪传播路径，能够实现波浪与海工装备无接触的根本性防护。
本申请的第一方面提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，用于为海工装备提供防波浪保护，包括：
自内向外依次紧密嵌套的多个环形的防护结构，每个防护结构的径向厚度相同，包括自内向外紧密嵌套的一个A类环形板与一个B类环形板，其中，最内侧的A类环形板的内径以内的区域为防波浪区域；
每个A类环形板的底面及顶面均位于海底以下；
每个B类环形板的底面位于海底以下，每个B类环形板的顶面位于海面以下以及海底以上；
所有A类环形板与B类环形板的底面位于同一平面。
进一步地，A类环形板与B类环形板的径向厚度分别为：
Figure SMS_1
其中，
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分别为自内向外的第/>
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个A类环形板与B类环形板的径向厚度，N为所述防护结构的总数且/>
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，/>
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为第1个A类环形板的内径，/>
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为第N个B类环形板的外径，/>
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为第/>
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个A类环形板与第/>
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个B类环形板的径向厚度的比值。
优选地，
Figure SMS_10
。
优选地，
Figure SMS_11
。
进一步地，A类环形板的顶面到海面的距离以及B类环形板的顶面到海面的距离分别为：
Figure SMS_12
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其中，
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分别为第/>
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个A类环形板的顶面到海面的距离以及第/>
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个B类环形板的顶面到海面的距离，/>
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、/>
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分别为第/>
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个防护结构的径向特征水深以及周向特征水深。
进一步地，所述
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、/>
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分别为：/>
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其中，
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为海底到海面的距离，/>
Figure SMS_24
由下式确定：
Figure SMS_25
。
进一步地，所述A类环形板及所述B类环形板的底面到海面的距离为
Figure SMS_26
且
Figure SMS_27
。
优选地，所述A类环形板与所述B类环形板由耐海水腐蚀材料制成。
本申请的第二方面提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置的设计方法，用于设计上述海工装备波浪隐形防护超材料装置，包括以下步骤：
第一步，基于需要保护的海工装备的水下部分的尺寸确定防护结构的数量N、自内向外的第1个A类环形板的内径
Figure SMS_28
以及第N个B类环形板的外径/>
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，其中/>
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；
第二步，基于海工装备周围海域的海底施工条件确定每个防护结构中的A类环形板的径向厚度
Figure SMS_31
与B类环形板的径向厚度/>
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的比值/>
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，其中/>
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；
第三步，基于下式计算每个防护结构中的A类环形板的径向厚度
Figure SMS_35
以及B类环形板的径向厚度/>
Figure SMS_36
：
Figure SMS_37
第四步，基于下式计算每个防护结构的径向特征水深
Figure SMS_38
及周向特征水深/>
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：
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其中，
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为海底到海面的距离，/>
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由下式确定：
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；
第五步，基于下式计算每个A类环形板的顶面到海面的距离
Figure SMS_44
以及每个B类环形板的顶面到海面的距离/>
Figure SMS_45
：
Figure SMS_46
Figure SMS_47
第六步，确定A类环形板及B类环形板的底面到海面的距离
Figure SMS_48
。
本申请的实施例提供的一种海工装备波浪隐形防护超材料装置及其设计方法，通过多个嵌套的环状防护结构，使得波浪在经过该海工装备波浪隐形防护超材料装置时，在交替排列的A类环形板与B类环形板的作用下，绕过受其保护的海工装备所处的海域，使得波浪荷载无法作用在海工装备上，从而形成了海工装备对波浪的“隐形”效果，从根本上实现了对海工装备的主动式防护。
附图说明
图1为根据本申请的一些实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置的立体视图；
图2为根据本申请的一些实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置的侧视图；
图3为根据本申请的一些实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置的顶视图；
图4为根据本申请的一些实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置的侧面剖视图；
图5为无海工装备的海域的无量纲波浪场
Figure SMS_49
分布图；
图6为海工装备无保护时周围海域的无量纲波浪场
Figure SMS_50
分布图；
图7为海工装备受图4所示的海工装备波浪隐形防护超材料装置保护时周围海域的无量纲波浪场
Figure SMS_51
分布图；
图8为根据本申请的另一些实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置的侧面剖视图；
图9为海工装备受图8所示的海工装备波浪隐形防护超材料装置保护时周围海域的无量纲波浪场
Figure SMS_52
分布图。
附图标记说明：
1、海工装备；2、海工装备波浪隐形防护超材料装置；201、A类环形板；202、B类环形板；3、海底。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。
本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请实施例中的描述中，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。
图1示出了根据本申请的一些实施例提供的海工装备波浪隐形防护超材料装置的立体图，图2、图3分别为该装备的侧视图及顶视图。图中海工装备1可以示意性地表示各种类型的海洋工程装备的一部分结构，如跨海大桥的桥墩部分，海上风力发电机组的基座及支架部分等，显而易见地，海工装备1至少包括探入海底3以下以实现对装备进行固定的部分，位于海面以下(图中以水线表示海面)，海底3以上的部分，以及位于海面以上的部分。海工装备波浪隐形防护超材料装置2位于海面以下且同样有部分结构探入海底3以下，整体呈环形结构，并环绕于海工装备1的海面以下部分的外侧，用于为海工装备1提供防波浪保护。
图4示出了在一些具体的实施例中，该海工装备波浪隐形防护超材料装置的侧面剖视图，如图4所示，该海工装备波浪隐形防护超材料装置2包括沿径向(图中径向以r轴表示)自内向外依次紧密嵌套的多个环形的防护结构，即除位于最内侧及最外侧的防护结构外，每个防护结构的侧面均与其相邻的防护结构的侧面紧密接触。
进一步地，如图4所示，每个防护结构的径向厚度相同，且包括沿径向自内向外紧密嵌套的一个A类环形板201与一个B类环形板202。
A类环形板201与B类环形板202均由耐海水腐蚀的材料制成，其中，位于最内侧的第1个A类环形板的内径为a，位于最外侧的第N个(在本申请的实施例中，N为大于等于2的整数)B类环形板的外径为b。内径a以内的区域为防波浪区域，海工装备1的水下部分即处于该防波浪区域所围成的范围内。
进一步地，如图4所示，对于每个防护结构，其包含的A类环形板201的底面及顶面均位于海底以下；其包含的B类环形板202的底面位于海底以下，顶面位于海面以下以及海底以上。
进一步地，所有A类环形板201与B类环形板的底面位于同一平面，如图4所示，所有A类环形板201的底面与B类环形板202的底面沿Z轴方向相距海面的距离均为
Figure SMS_53
。
进一步地，在本申请的实施例中，A类环形板201与B类环形板202的径向厚度分别为：
Figure SMS_54
其中，
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分别为自内向外的第/>
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个A类环形板与B类环形板的径向厚度，N为所述防护结构的总数，/>
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为第1个A类环形板的内径，/>
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为第N个B类环形板的外径，/>
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为第/>
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个A类环形板与第/>
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个B类环形板的径向厚度的比值。在本申请的实施例中，
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，即对于每一个防护结构，其包含的A类环形板201的径向厚度均大于等于其包含的B类环形板202的径向厚度。
进一步地，在本申请的实施例中，A类环形板的顶面到海面的距离以及B类环形板的顶面到海面的距离分别为：
Figure SMS_63
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其中，如图4所示，
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分别为第/>
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个A类环形板的顶面到海面的距离以及第/>
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、/>
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个防护结构的径向特征水深以及周向特征水深。
进一步地，在本申请的实施例中，
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分别为：
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其中，
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为海底到海面的距离，/>
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由下式确定：
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。
通过
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以及/>
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的计算公式可以看出，在本申请的实施例中，当/>
Figure SMS_79
时，对于每个防护结构，其所包含的A类环形板201的顶面都将处于海底以下，而其所包含的B类环形板202的顶面都将处于海底与海面之间，且随着N的增大，A类环形板201的顶面与B类环形板202的顶面逐渐靠近，从而形成顶面按特定深度间隔排列的多层环形结构。
此外，在所有的A类环形板201中，最内侧的A类环形板201的
Figure SMS_80
最大，因此/>
Figure SMS_81
需保证大于/>
Figure SMS_82
。
Figure SMS_83
的具体设置可以根据海工装备所处海域的具体海底施工条件确定，对于不同的海底深度、底质分类及分层情况，在海工装备周围进行挖掘、设备布设的施工难度、复杂程度等均有显著不同，因此，可以通过对各个保护结构的/>
Figure SMS_84
进行设置，精确地调节各层A类环形板201与B类环形板202的径向厚度、轴向长度、距离海面及进入海底的深度等参数，从而在对海工装备提供有效防护的同时，显著降低施工难度，降低材料制备及安装施工成本。
在本申请的一些实施例中，各个
Figure SMS_87
可以选用相同的取值。在本申请的另一些优选的实施例中，也可以对每个防护结构所对应的/>
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设置不同的取值，例如，可以根据海工装备所处区域的海底施工条件，设置/>
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，即最内侧的保护结构的/>
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取值远远大于最外侧的保护结构的/>
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取值。在一些具体的实施方式中，/>
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的取值可以大于或等于5倍的/>
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，在另一些具体的实施方式中，/>
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的取值可以大于或等于10倍的
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；其余各个保护结构的/>
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取值范围则处于/>
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与/>
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之间，即对于最内侧与最外侧之间的各个保护结构，存在/>
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。
本申请还提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置的设计方法，用于设计上述海工装备波浪隐形防护超材料装置。
具体地，该设计方法包括以下步骤：
第一步，基于需要保护的海工装备的水下部分的尺寸确定防护结构的数量N、自内向外的第1个A类环形板的内径
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以及第N个B类环形板的外径/>
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，其中/>
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；
第二步，基于海工装备周围海域的海底施工条件确定每个防护结构中的A类环形板的径向厚度
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与B类环形板的径向厚度/>
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的比值/>
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，其中/>
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；
第三步，基于下式计算每个防护结构中的A类环形板的径向厚度
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以及B类环形板的径向厚度/>
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：
Figure SMS_107
第四步，基于下式计算每个防护结构的径向特征水深
Figure SMS_108
及周向特征水深
Figure SMS_109
：
Figure SMS_110
其中，
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为海底到海面的距离，/>
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由下式确定：/>
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；
第五步，基于下式计算每个A类环形板的顶面到海面的距离
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以及每个B类环形板的顶面到海面的距离/>
Figure SMS_115
：
Figure SMS_116
Figure SMS_117
第六步，确定A类环形板及B类环形板的底面到海面的距离
Figure SMS_118
。
以下为本申请的优选的实施例一的具体实施方式说明。
本实施例提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，图4示出了其侧面剖视图，在本实施例中，
Figure SMS_119
。
该海工装备波浪隐形防护超材料装置的各个结构参数可以使用上述设计方法确定，具体地：
首先根据需要进行保护的海工装备的水下部分的尺寸确定防护结构的数量
Figure SMS_120
，第1个A类环形板的内径/>
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以及第5个B类环形板的外径/>
Figure SMS_122
；
进一步地，确定
Figure SMS_123
，并计算得到
Figure SMS_124
；
进一步地，计算得到：
Figure SMS_125
至/>
Figure SMS_126
分别等于1.1m，1.3m，1.5m，1.7m，1.9m；
Figure SMS_127
至/>
Figure SMS_128
分别等于0.01302m，0.03062m，0.04167m，0.04905m，0.05422m；
Figure SMS_129
至/>
Figure SMS_130
分别等于0.43214m，0.18370m，0.13500m，0.11468m，0.10374m；
进一步地，计算得到：
Figure SMS_131
至/>
Figure SMS_132
分别等于0.85773m，0.35138m，0.24725m，0.20144m，0.17540m；
Figure SMS_133
至/>
Figure SMS_134
分别等于0.00656m，0.01601m，0.02275m，0.02792m，0.03207m；
最后，确定
Figure SMS_135
。/>
为验证本实施例提供的海工装备波浪隐形防护超材料装置的防波浪效果，分别对无海工装备条件下的海域的波浪场、海工装备无保护时其周围海域的波浪场，以及海工装备受本实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置保护时周围海域的波浪场进行计算分析，图5至图7分别示出了这三种情况下的无量纲波浪场
Figure SMS_136
分布图。其中入射波长
Figure SMS_137
，波高/>
Figure SMS_138
。
从图5可以看出，当海域中无海工装备时，波浪场呈现无扰动的规则起伏；
从图6可以看出，当海域中存在海工装备，且海工装备无任何保护装备时，由于海工装备的水下部分对波浪的反射扰动，波浪场呈现杂乱无章的波动，此时海工装备将受到波浪荷载的作用和危害；
图7中虚线为该海工装备波浪隐形防护超材料装置的外径轮廓，通过图7可以看出，波浪在经过该海工装备波浪隐形防护超材料装置的多个嵌套的环状防护结构时，顶面按特定高度交替排列的A类环形板与B类环形板对波浪的传播路径进行特定的引导，使其具有特定的仅与径向距离相关的径向特征水深
Figure SMS_139
与周向特征水深/>
Figure SMS_140
，并因此使得图5中原来直线传播波浪线上的空间点/>
Figure SMS_141
变为图7中波浪线到海工装备中心的距离满足/>
Figure SMS_142
，即该波浪线绕过了海工装备所处的海域，此时没有波浪荷载作用在海工装备上，因此其周围波浪场和图5中的波浪场一样规整，就仿佛波浪场中不存在海工装备(即实现了海工装备对波浪的“隐形”)，从而在根本上实现了对海工装备的主动式防护。
以下为本申请的优选的实施例二的具体实施方式说明。
本实施例提供一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，图8示出了其侧面剖视图。
本实施例中
Figure SMS_143
的数值均与实施例一相同，与实施例一的区别在于，本实施例中采用了非相等的/>
Figure SMS_144
的设置。
具体地：
Figure SMS_145
；
进一步地，计算得到：
Figure SMS_146
；
Figure SMS_147
；
Figure SMS_148
；
进一步地，计算得到：
Figure SMS_149
至/>
Figure SMS_150
分别等于1.1m，1.3m，1.5m，1.7m，1.9m；
Figure SMS_151
至/>
Figure SMS_152
分别等于0.01302m，0.03062m，0.04167m，0.04905m，0.05422m；/>
Figure SMS_153
至/>
Figure SMS_154
分别等于0.43214m，0.18370m，0.13500m，0.11468m，0.10374m；
进一步地，计算得到：
Figure SMS_155
至/>
Figure SMS_156
分别等于0.507709m，0.35138m，0.24725m，0.20144m，0.17540m；
Figure SMS_157
至/>
Figure SMS_158
分别等于0.0022m，0.01601m，0.02275m，0.02792m，0.03207m；
最后，确定
Figure SMS_159
。
在本实施例中，
Figure SMS_160
自内向外选用了非相等的取值。具体地，
Figure SMS_161
则与/>
Figure SMS_162
采用相同的取值。
通过
Figure SMS_164
的计算公式可知，当/>
Figure SMS_167
的取值远远大于1时，能够显著地减小
Figure SMS_169
的值，使得第1个A类环形板201的顶面无需深入海底过多。正如前文分析的，由于整个海工装备波浪隐形防护超材料装置的底面与海面的距离/>
Figure SMS_165
只需满足大于/>
Figure SMS_166
，因此当/>
Figure SMS_168
较小时，可以大大减少整个装置向海底挖掘的深度，因此，对于深海海域或海底底质较为坚硬等施工难度较大的区域，增大处于内侧的防护结构的/>
Figure SMS_170
取值，能够有效地降低施工难度，节省材料及工程成本；同时，对于外侧的各个防护结构，将其/>
Figure SMS_163
按照接近或等于1进行取值，能够使A类环形板201与B类环形板202的径向厚度分布较为均匀，有利于环形材料的制备，并更加便于环形材料的安装操作。
图9示出了海工装备受本实施例的海工装备波浪隐形防护超材料装置保护时周围海域的波浪场的计算分析得到的无量纲波浪场
Figure SMS_171
分布图。其中入射波长/>
Figure SMS_172
，波高/>
Figure SMS_173
。通过图9可以看出，本实施例所提供的海工装备波浪隐形防护超材料装置，也能够使波浪场“绕过”海工装备，从而在根本上实现了对海工装备的主动式防护。
以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，用于为海工装备提供防波浪保护，其特征在于：
包括自内向外依次紧密嵌套的多个环形的防护结构，每个防护结构的径向厚度相同，包括自内向外紧密嵌套的一个A类环形板与一个B类环形板，其中，最内侧的A类环形板的内径以内的区域为防波浪区域；
每个A类环形板的底面及顶面均位于海底以下；
每个B类环形板的底面位于海底以下，每个B类环形板的顶面位于海面以下以及海底以上；
所有A类环形板与B类环形板的底面位于同一平面；
A类环形板与B类环形板的径向厚度分别为：
Figure FDA0004172201920000011
Figure FDA0004172201920000012
其中，wA(i)、wB(i)分别为自内向外的第i个A类环形板与B类环形板的径向厚度，N为所述防护结构的总数且N≥2，a为第1个A类环形板的内径，b为第N个B类环形板的外径，ε(i)为第i个A类环形板与第i个B类环形板的径向厚度的比值；
A类环形板的顶面到海面的距离以及B类环形板的顶面到海面的距离分别为：
Figure FDA0004172201920000013
Figure FDA0004172201920000014
其中，hA(i)、hB(i)分别为第i个A类环形板的顶面到海面的距离以及第i个B类环形板的顶面到海面的距离，hr(i)、hθ(i)分别为第i个防护结构的径向特征水深以及周向特征水深；
所述hr(i)、hθ(i)分别为：
Figure FDA0004172201920000015
Figure FDA0004172201920000016
其中，h0为海底到海面的距离，r(i)由下式确定：
Figure FDA0004172201920000017
2.根据权利要求1所述的一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，其特征在于：
ε(i)≥1。
3.根据权利要求1所述的一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，其特征在于：
ε(1)＞＞ε(N)。
4.根据权利要求1所述的一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，其特征在于：
所述A类环形板及所述B类环形板的底面到海面的距离为hm且hm＞hA(1)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，其特征在于：所述A类环形板与所述B类环形板由耐海水腐蚀材料制成。
6.一种海工装备波浪隐形防护超材料装置的设计方法，用于设计如权利要求1所述的一种海工装备波浪隐形防护超材料装置，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，基于需要保护的海工装备的水下部分的尺寸确定防护结构的数量N、自内向外的第1个A类环形板的内径a以及第N个B类环形板的外径b，其中N≥2；
第二步，基于海工装备周围海域的海底施工条件确定每个防护结构中的A类环形板的径向厚度wA(i)与B类环形板的径向厚度wB(i)的比值ε(i)i＝1,2,…,N，其中ε(i)≥1；
第三步，基于下式计算每个防护结构中的A类环形板的径向厚度wA(i)以及B类环形板的径向厚度wB(i)：
Figure FDA0004172201920000021
Figure FDA0004172201920000022
第四步，基于下式计算每个防护结构的径向特征水深hr(i)及周向特征水深hθ(i)：
Figure FDA0004172201920000023
Figure FDA0004172201920000024
其中，h0为海底到海面的距离，r(i)由下式确定：
Figure FDA0004172201920000025
第五步，基于下式计算每个A类环形板的顶面到海面的距离hA(i)以及每个B类环形板的顶面到海面的距离hB(i)：
Figure FDA0004172201920000026
Figure FDA0004172201920000031
第六步，确定A类环形板及B类环形板的底面到海面的距离hm。
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