风帆基座加强结构的制作方法

本发明涉及风帆船舶建造技术领域，更具体的说，更具体地说，涉及一种风帆基座加强结构。

背景技术：

风能资源在船舶上的应用愈发受到重视，随着风帆助推船舶的发展，其相关的结构设计变得越发重要。常用的甲板设备载荷相对较小，其对应的船体结构加强形式相对简单，一般仅采用几块简单的肘板连接于基座和甲板之间，以及几块简单的矩形平铁连接于纵桁之间进行结构加强。而对于设备重量较大且有其他外载荷作用时，这种方式将无法满足结构强度要求。而为获得更大的风能推进效果，风帆结构的重量及其承受的风载荷将会不断增加，对于基座结构强度的要求也有所增加。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种风帆基座加强结构，针对风帆基座与船体连接处的船体结构加强结构进行设计，以解决承担大吨位风帆载荷的船体结构产生的高水平应力问题。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种风帆基座加强结构，包括位于甲板上方的圆筒状的基座、设置于基座和甲板所形成直角处的肘板，以及位于甲板下方用于支撑甲板的多条平行的纵桁，纵桁的底部连接于垂直于纵桁的纵桁面板，垂直于纵桁设置有多条平行的横向强框架；其中一条横向强框架经过圆筒状加强体的中心；任意两条相邻的横向强框架的间距均相同且大于索虎基座的半径；横向强框架底部连接有垂直于横向强框架的横向强框架面板；

在纵桁之间以及纵桁和横向强框架之间连接有多段弧面加强板，弧面加强板形成一个与基座在竖直方向上对位的圆筒状加强体；在纵桁之间以及纵桁和圆筒状加强体之间还设置有多块平面加强板；每个平面加强板与一个肘板在竖直方向上对位；

相邻两个纵桁之间的间距设置为基座内径的0.15～0.25倍；纵桁的高度w1设置为基座内径的0.2～0.3倍；横向强框架的高度w2设置为纵桁高度的1～3倍；

平面加强板的最大高度等于纵桁高度；弧面加强板的最大高度等于横向强框架的高度；

连接于纵桁之间的弧面加强板的底部开设有开口从而形成拱桥构型，开口的边界包括以纵桁面板为起点朝弧面加强板中部斜向延伸的两个第一斜边，以及位于两条第一斜边之间且平行于纵桁面板的短直边；短直边距离纵桁面板的高度大于第一斜边顶点距离纵桁面板的高度，且第一斜边顶点与短直边的端点之间过渡连接有第一圆弧；开口相对于短直边的垂直平分线轴对称；

纵桁的高度w1、弧面加强板的展长l以及弧面加强板的顶端到短直边的高度h满足下式：w1/3≤h＜w；

第一斜边与纵桁面板的夹角在如下范围：90°～150°；

第一圆弧的半径在如下范围：50mm～7×(w1-h)；

连接于纵桁和横向强框架之间的弧面加强板的底边包括：以横向强框架面板为起点向纵桁方向斜向延伸的第二斜边、通过第二圆弧连接于第二斜边的第三斜边，以及通过第三圆弧连接于第三斜边的第一水平边，第一水平边连接于纵桁面板；

第二斜边与横向强框架的夹角在如下范围：30°～80°；

第二圆弧在如下范围：50mm～5×(w2-w1)；

第三圆弧在如下范围：50mm～7×(w2-w1)；

连接于纵桁之间的平面加强板为矩形板；

连接于弧面加强板和纵桁之间的平面加强板的底边包括以纵桁面板为起点向平面加强板斜向延伸的第三斜边，以及通过第三圆弧过渡连接于第三斜边的第二水平边；第三斜边与纵桁面板的夹角为90°～150°。

作为一个实施例，基座内径设置为4000mm，相邻两个纵桁之间的间距设置为800mm，纵桁的高度设置为1000mm，横向强框架的高度设置为1500mm。

作为一个实施例，基座内径设置为4200mm，相邻两个纵桁之间的间距设置为810mm，纵桁的高度设置为950mm，横向强框架的高度设置为1300mm。

作为一个实施例，基座内径设置为3800mm，相邻两个纵桁之间的间距设置为760mm，纵桁的高度设置为850mm，横向强框架的高度设置为1200mm。

本发明的优点在于，通过圆筒状加强体的对位设置，可以对基座进行更好的支持；通过横向强框架的设置，使得纵桁更加稳定；通过在纵桁之间以及纵桁和弧面加强板之间设置平面加强板，使得纵桁之间和纵桁与圆筒状加强体之间的连接更加牢固；而对于弧面加强板的拱桥型设计对于纵桁的支持更加稳固且节约用料；通过有限元分析，得到了最佳的尺寸关系，以最少的用料对基座给予最为牢固的支持。

附图说明

图1是基座的俯视图(带有肘板)；

图2是基座的侧面剖视图(带有肘板以及纵桁)

图3是本发明加强结构掀去甲板后的俯视图；

图4是本发明加强结构的圆筒状加强体的半圆展开图。

图5是本发明加强结构沿图3中a1-a1的剖面图(包含甲板和基座)；

图6是本发明加强结构沿图3中a2-a2的剖面图(包含甲板和基座)；

图7是对应于图1的第一个实施例；

图8是对应于图5的第一个实施例；

图9是对应于图6的第一个实施例；

图10是对应于图3的第一个实施例；

图11是对应于图4的第一个实施例；

图12是对应于图1的第二个实施例；

图13是对应于图5的第二个实施例；

图14是对应于图6的第二个实施例；

图15是对应于图3的第二个实施例；

图16是对应于图4的第二个实施例；

图17是对应于图1的第三个实施例；

图18是对应于图5的第三个实施例；

图19是对应于图6的第三个实施例；

图20是对应于图3的第三个实施例；

图21是对应于图4的第三个实施例。

图中，1、基座，11、基座侧壁，2、肘板，3、纵桁，31、纵桁面板，32、纵桁腹板，4、横向强框架，41、横向强框架面板，42、横向强框架腹板，5、弧面加强板，6、平面加强板，7、圆筒状加强体，8、甲板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。

如图1所示为基座1的俯视图，图2为基座1的侧面剖视图。可以看到，在基座侧壁11的内外都设置有肘板2，肘板2是直角三角形构型，一条直角边紧靠基座侧壁11，另一条直角边紧靠甲板8，从而可以起到增加稳定性的作用。图2还展示了位于甲板8下方的纵桁3；甲板8支撑基座1，纵桁3支撑甲板8；纵桁3之间相互平行；纵桁3的侧视图呈现一个倒t形，其中位于底部的一横实际上是一个面，我们称之为纵桁面板31；其中倒t形的一竖被称为纵桁腹板32；说到纵桁3的高度，其实等价于纵桁腹板32的高度，因为纵桁面板31的厚度可以忽略不计。

图2中并未表示出对于纵桁3的加强，这是本专利的重点，也是后面阐述的内容。

图3是掀去甲板8后的纵桁3的加强结构示意图，这是一张俯视图。在图中可以看到横向的平行线，这实际上是纵桁3，这里的“纵”实际上指的是沿船长的方向，而图中的船长方向被画为了横向。图中有5段纵桁3被画为了粗线，这表示的是加强后的纵桁3，加强的方式可以是增高，也可以是增厚，都可以增加其支持的稳定性。除了纵桁3，图中还绘制出三条纵向(从而是船长的横向)的粗线，这是另外增设的横向强框架4；横向强框架4不同于后面将要说到的加强板，它类似于纵桁3，也有腹板和面板，但它的高度会比纵桁3高度更高，这点会在图4的解释中说到。

横向强框架4理应理解为是一个框架，即由多块板组成(图中示出三块)，但是为了阐述的方便，对于单块板也称其为横向强框架4。如此一来从图3中可以看到，其中一条横向强框架4经过基座1的中心(其实是后面说到的圆筒状加强体7的中心，因为基座1位于上方)，如此一来可以更好地支撑基座1。至于横向强框架4如何和纵桁3相互安装，可以有很多种方式，比如在纵桁3上设置嵌入口将连续的横向强框架4嵌入其中，又或者在横向强框架4上设置嵌入口等。

再看这张图的中心位置，首先可以看到一个圆，这个圆叫做圆筒状加强体7，它实际上是由多段不连续的弧面加强板5构成。若不存在横向强框架4，那么弧面加强板5就均连接于纵桁3之间。但可以看到，其中一个横向强框架4经过圆筒状加强体7的中心位置，因此圆筒状加强体7的上下两段较长的弧面加强板5被分割为四段；

圆筒状加强体7是和基座1相互对位的，也就是说，圆筒状加强体7与甲板8的交接圆，是和基座1与甲板8的交接圆完全重合的，虽然一个在甲板8上一个在甲板8下。而实际上，我们也可以在它们交接的地方将甲板8掏空，那么它们就是完全对接的了，就像两个玻璃杯的口对接起来。

接下来在图中还可以看出，以圆筒状加强体7的圆心为中心，放射出多条线，有的线连接于纵桁3之间，有的线连接于纵桁3和弧面加强板5之间；在圆筒状加强体7的圆心左右位置还有四条线(看起来像两条，实则其中隔了纵桁3)垂直于纵桁3连接，而且也存在其他线连接于这四条线；以上说到的这些线都被称为平面加强板6，都是起到固定纵桁3以及圆筒状加强体7的作用。

可以看到，大多数的平面加强板6都是呈现放射形的，而且如果你再看图1，可以发现这种放射是和肘板2的放射相对应的。这是因为，甲板8上设置有肘板2的位置的应力较大，因此在肘板2对应的位置设置平面加强板6就可以更好地起到支撑的作用。而当然，也并不是说除了肘板2对位的地方就不可以再设置平面加强板6，完全也可以在垂直于纵桁3的位置再增设平面加强板6，起到更加稳固的作用。

前面这些都是对于俯视图的解释，看不清加强板的具体构型以及如何连接于纵桁3，因此下面请首先参考图4。

图4是圆筒状加强体7的展开图，这张展开图只展开了左边一半或者右边一半，因为你可以看到，展开图最左侧和最右侧均为横向强框架4，且只有两个。可以看出，连接于纵桁3之间的弧面加强板5均为拱桥状，拱桥的两端连接于纵桁面板31；又或者说，想象一块矩形板充满连接于纵桁3之间，然后以两个纵桁面板31为端点挖出一个凹槽，这就形成了拱桥状的构型，这里的拱桥并非要求挖出的凹槽完全是圆弧，也可以是两条斜边以及一段圆弧的组合等。之所做这样的拱桥构型，是因为这能够在节约用料的情况下起到较好的支持作用，作为桥的拱桥之所以采取拱桥构型也是一个道理。另外，从图中也可看出横向强框架4的高度高于纵桁3，这就导致左右两个弧面加强板5有点不像拱桥构型，但仍然是一端连接于纵桁面板31，另一端连接于横向强框架面板41；横向强框架4的高度，或者说横向强框架腹板42的高度选取在纵桁腹板32的高度的1～3倍。

接下来参考两个剖面图：

图5是沿图3中的a1-a1面的剖面图(在这种剖面图中还囊括了甲板8上方的区域)；从图3中可以看出，在这个剖面上有4块平面加强板6，且4块平面加强板6均连接于纵桁3和弧面加强板5之间；它们正好对应于图5中甲板8下方的4个被剖面线填充的区域；总的来说，4块加强板形成了两个拱桥构型，且都以弧面加强板5为中心；这是因为弧面加强板5的高度低于纵桁3的高度；

再参考图6；图6是图3中的a2-a2面的剖面图(这张剖面图也囊括了甲板8上方的区域)；从图3中可以看出，这个剖面包含了4段平面加强板6，这4段平面加强板6中，两段连接于弧面加强板5和纵桁3之间，两段连接于纵桁3之间；它们对应于图6中甲板8下方的4个填充区域；从中可以看出，这里的纵桁3之间的平面加强板6的构型采取了半个拱桥的构型，这是另外一种实施方案，相比完全的拱桥构型，其优点在两个纵桁3离得较近的时候，平面加强板6会比较方便制作；在纵桁3和弧面加强板5之间采取矩形板(因此也可将其称为平铁)，也是另一种实施方案，其优点是矩形是最为方便制作的；那为什么在纵桁3和平面加强板6之间留了两个很小的缺口呢？因为应力较大的区域在肘板2与甲板8接触的那个角，而这个角不在这个缺口上方，因此方便用料的情况下可以不设置，而且因为两个缺口比较小，一方面问题不是特别大，另一方面设置加强板有点困难。

总结起来，本发明加强结构包括加大的纵桁3、增设的横向强框架4、甲板下圆筒状加强体7和平面加强板6。船体结构加强形式基于连续型的纵桁3结构设计，以保证船体结构的总纵强度，且方便施工；圆筒状加强体7的圆筒形设计与风帆基座1主座体完全对位，可保证风帆载荷能够线对线有效传递，避免产生应力集中；圆筒状加强体7的每一段均为拱桥状(或者说元宝形)肘板，该设计在提高结构强度的同时，避免了在圆筒状加强体7与纵桁3及横向强框架4间额外增设曲面肘板，方便了施工；平面加强板6的设计，可保证在抵抗风帆基座1与甲板8间产生的高应力的同时，缓解纵桁3、横向强框架4与圆筒状加强体7间的高应力。

结构布置中，通常将设备基座布置在船体强结构处，如强框架、舱壁等，以充分利用船体结构的承载能力。而对于尺寸的选择，经过有限元分析得如下：

相邻两个纵桁3之间的间距设置为基座1内径的0.15～0.25倍；纵桁3的高度w1设置为基座1内径的0.2～0.3倍；横向强框架4的高度w2设置为纵桁3高度的1～3倍；

平面加强板6的最大高度等于纵桁3高度；弧面加强板5的最大高度等于横向强框架4的高度；

连接于纵桁3之间的弧面加强板5的底部开设有开口从而形成拱桥构型，开口的边界包括以纵桁面板31为起点朝弧面加强板5中部斜向延伸的两个第一斜边，以及位于两条第一斜边之间且平行于纵桁面板31的短直边；短直边距离纵桁面板31的高度大于第一斜边顶点距离纵桁面板31的高度，且第一斜边顶点与短直边的端点之间过渡连接有第一圆弧；开口相对于短直边的垂直平分线轴对称；

纵桁3的高度w1、弧面加强板5的展长l以及弧面加强板5的顶端到短直边的高度h满足下式：w1/3≤h＜w；

第一斜边与纵桁面板31的夹角在如下范围：90°～150°；

第一圆弧的半径在如下范围：50mm～7×(w1-h)；

连接于纵桁3和横向强框架4之间的弧面加强板5的底边包括：以横向强框架面板41为起点向纵桁3方向斜向延伸的第二斜边、通过第二圆弧连接于第二斜边的第三斜边，以及通过第三圆弧连接于第三斜边的第一水平边，第一水平边连接于纵桁面板31；

第二斜边与横向强框架4的夹角在如下范围：30°～80°；

第二圆弧在如下范围：50mm～5×(w2-w1)；

第三圆弧在如下范围：50mm～7×(w2-w1)；

连接于纵桁3之间的平面加强板6为矩形板；

连接于弧面加强板5和纵桁3之间的平面加强板6的底边包括以纵桁面板31为起点向平面加强板6斜向延伸的第三斜边，以及通过第三圆弧过渡连接于第三斜边的第二水平边；第三斜边与纵桁面板31的夹角为90°～150°。

涉及更具体数值、以及更具体情况下的不同选择的示例如下：

示例1：基座1的中心布置在正常纵桁3位置，无舱壁对应。

如图7～图11所示：

1)基座1的内径d为4000mm，考虑与之对位，确定圆筒状加强体7的内径d为4000mm；

2)考虑纵桁3间距800mm、圆筒状加强体7的内径d为4000mm，可得到各个弧面加强板5的展长：l1：823mm；l2：1032mm；l3：1287mm；

3)根据甲板以上风帆结构承受的外载荷以及加强纵桁腹板32高度w1的优选区间(原纵桁尺寸的1～6倍)，并通过有限元计算分析，最终确定了纵桁腹板32高度w1为1000mm；

4)根据横向强框架腹板42高度w2的优选区间(甲板加强纵桁腹板32高度w1的1～3倍)，并通过有限元计算分析，最终确定了横向强框架腹板42高度w2为1500mm；

5)根据纵桁腹板32高度w1、弧面加强板5的展长l1以及弧面加强板5顶端距离短直边的高度h1的优选区间(1/3w1≤h1＜w1)，并通过有限元计算分析，最终设定元h1为600mm；

6)进而根据相邻的弧面加强板5斜边与纵桁面板的角度a1的优选范围(90°～150°)确定了角度a1为120°，并进一步根据该斜边与短直边之间圆弧形过渡半径r1的优选范围(50mm～7×(w1-h1))，确定了r1为170mm；

7)根据6)，确定h2＝h1＝600mm，a2＝a1＝120°，r2＝r1＝170mm；

8)根据纵桁腹板32高度w1，确定h3为w1-50mm＝950mm，与纵桁面板31间采用半径为50mm的弧形过渡；

9)根据w2、展长l3，以及斜边与横向强框架面板41处夹角a3的优选区间(30°～80°)，确定a3为54°；

10)根据角度a3和腹板高度h3，考虑斜边与直角边间过渡半径r5的优选区间(50mm～7×(w2-w1))，确定了r5为970mm；

11)根据角度a3和w2，考虑半径r3的优选区间(50mm～5×(w2-w1))，确定了r3为100mm；

12)平面加强板6的设计，需保证与甲板上方的肘板2对位，根据肘板2的位置确定了平面加强板6的布置位置；

13)a1-a1剖面位置需采用圆弧形方可满足强度要求，根据主加强结构在该剖面处的垂向高度及有限元分析结果，h3取为550mm；

14)根据w1及h3，考虑布置要求，及a4和r4的优选区间，确定了a4为120°，r4为350mm；

15)如a2-a2剖面所示，在除a1-a1剖面外的其他位置，采用平铁形式即可满足强度要求，经强度分析，所有纵桁间肘腹板高度h4取为600mm，其他位置腹板高度h5取为400mm；

16)根据甲板上肘板2的趾端与中心的距离l0为1185，确定加强平铁的位置l为l0+25＝1210mm；加强平铁腹板高度取为200mm。

示例2：风帆基座的纵向中心位置位于某横舱壁处；如图12～图16所示：

1)根据风帆基座1的内径d为4200mm，考虑与之对位，确定圆筒状加强体7的内径d为4200mm；

2)根据纵桁3间距810mm、圆筒状加强体7的内径d为4200mm，可得到各个弧面加强板5的展长l1为827mm、l2为980mm、l3为1726mm；

3)根据甲板以上风帆结构承受的外载荷以及加强纵桁腹板32高度w1的优选区间(原纵桁尺寸的1～6倍)，并通过有限元计算分析，最终确定了纵桁腹板32高度w1为950mm；

4)基座中心位于横舱壁处，在舱壁一侧的高度w2处设置平铁。参考横向强框架腹板42高度w2的优选区间(甲板加强纵桁腹板32高度w1的1～3倍)，根据确定的w1，并通过有限元计算分析，最终确定了横舱壁平铁距离甲板面的高度w2为1300mm；

5)根据纵桁腹板32高度w1、弧面加强板5展长l1以及弧面加强板5顶端距离短直边的高度h1的优选区间(1/3w1≤h1＜w1)，并通过有限元计算分析，最终设定高度h1为580mm；

6)进而根据相邻斜边与纵桁面板31的角度a1的优选范围(90°～150°)确定了角度a1为120°，并进一步根据该斜边与短直边之间圆弧形过渡半径r1的优选范围(50mm～7×(w1-h1))，确定了r1为150mm；

7)根据上个步骤，确定h2＝h1＝580mm，a2＝a1＝120°，r2＝r1＝150mm；

8)根据纵桁腹板32高度w1，确定高度h3为w1-50mm＝900mm，与纵桁面板31间采用半径为50mm的弧形过渡；

9)根据横向强框架腹板高度w2、展长l3，以及斜边与横向强框架面板41处夹角a3的优选区间(30°～80°)，确定a3为60°；

10)根据角度a3和高度h3，考虑斜边与直角边间过渡半径r5的优选区间(50mm～7×(w2-w1))，确定了r5为1000mm；

11)根据角度a3和高度w2，考虑斜边与横向强框架面板41间过渡半径r3的优选区间(50mm～5×(w2-w1))，确定了r3为100mm；

12)平面加强板6的设计，需保证与甲板上方的肘板2对位，根据肘板2的位置确定了平面加强板6的布置位置，及基本布置；

13)经有限元分析，所有加强肘板采用平铁形式即可满足强度要求；如剖面a1-a1及a2-a2所示，根据纵桁腹板高度w1及圆筒状加强体7的腹板高度分布，可得到圆筒状加强体7内侧的平铁腹板高度h3、h4为500mm，圆筒状加强体7外侧的平铁腹板高度h5取为350mm；

14)根据肘板2的趾端与中心的距离l0为1185，确定加强平铁的位置l为l0+25＝1210mm；加强平铁腹板高度取为200mm。

示例3：风帆基座的中心布置在正常纵桁位置，无舱壁对应；如图17～图21所示，本发明的船体加强结构包括加大的纵桁3、增设的横向强框架4、甲板下圆筒状加强体7和平面加强板6。

1)如剖面所示，根据基座1的内径d为3800mm，考虑与之对位，确定圆筒状加强体7的内径d为3800mm；

2)根据纵桁3间距760mm、圆筒状加强体7的内径d为3800mm，可得到各个弧面加强板5的展长l1为782mm、展长l2为980mm、展长l3为1223mm；

3)根据甲板以上风帆结构承受的外载荷以及加强纵桁腹板32高度w1的优选区间(原纵桁尺寸的1～6倍)，并通过有限元计算分析，最终确定了纵桁腹板32高度w1为850mm；

4)根据横向强框架腹板42高度w2的优选区间(甲板加强纵桁腹板32高度w1的1～3倍)，根据确定的w1，并通过有限元计算分析，最终确定了横向强框架腹板42高度w2为1200mm；

5)根据纵桁腹板32高度w1、弧面加强板5展长l1以及弧面加强板5顶端距离短直边高度h1的优选区间(1/3w1≤h1＜w1)，并通过有限元计算分析，最终设定高度h1为500mm；

6)进而根据相邻斜边与纵桁面板31的角度a1的优选范围(90°～150°)确定了角度a1为117°，并进一步根据该斜边与短直边之间圆弧形过渡半径r1的优选范围(50mm～7×(w1-h1))，确定了r1为150mm；

7)根据6)的结果，确h2＝h1＝500mm，a2＝a1＝117°，r2＝r1＝150mm；

8)根据纵桁腹板32高度w1，确定直边处的高度h3为w1-50mm＝800mm，与纵桁面板31间采用半径为50mm的弧形过渡；

9)根据横向强框架腹板高度w2、展长l3，以及斜边与横向强框架面板41处夹角a3的优选区间(30°～80°)，确定a3为69°；

10)根据角度a3和腹板高度h3，考虑斜边与直角边间过渡半径r5的优选区间(50mm～7×(w2-w1))，确定了r5为2000mm；

11)根据角度a3和高度w2，考虑斜边与横向强框架面板41间过渡半径r3的优选区间(50mm～5×(w2-w1))，确定了r3为180mm；

12)所述平面加强板6的设计，需保证与甲板上方的肘板2对位，根据图4中肘板2的位置确定了平面加强板6的布置位置及基本布置；

13)根据主加强结构在该剖面处的垂向高度及有限元分析结果，h3取为450mm；

14)根据应力计算结果，在圆筒状加强体7内径一半处设置平铁(矩形板)；平铁与基座中心的距离l为d/2＝1900mm，腹板高度取为200mm。

基于以上三个项目，综合对比本发明方案与普通设备基座及船体加强结构方案，如两方案重量在同一量级，那么本发明方案应力较普通设备基座及船体加强结构方案应力水平降低平均约30％；如两方案应力在同一量级，那么本发明方案重量较普通设备基座及船体加强结构方案降低平均约20％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。