一种仿生阻尼减摇装置
阅读说明:本技术 一种仿生阻尼减摇装置 (Bionic damping anti-rolling device ) 是由 王驰明 尤方骏 郭宇平 肖晶晶 姚恺涵 于 2019-07-09 设计创作,主要内容包括: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。(The invention relates to a bionic damping anti-rolling device (called a spreader) applied to marine navigation or marine operation, which is in the shapes of fishing boats, platforms, wharfboats, heavy lift boats, small naval vessels and the like: comprises an adjusting balance block, a bionic damping wing and a guide wing structure; and installing a modular support structure: the damping device comprises a modularized base, a supporting rod frame, a pulley device and the like, wherein a formula of the damper moment of the hopper is intensively researched and deduced, and the anti-rolling effect is analyzed and researched. Practical offshore experiment results show that the rolling reduction effect of a ship applying the bionic rolling reduction device can reach more than 59% when the ship operates at rest at sea, and the average rolling reduction effect can reach more than 45% when the ship sails, so that the engineering feasibility and the satisfactory rolling reduction effect of the bionic rolling reduction device are verified.)
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αm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(αm)=Dhαm
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(αm)=Dhαm
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。
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。
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。
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