浮动单元和减小浮动单元的升沉和侧倾/翻动运动的方法
【专利说明】浮动单元和减小浮动单元的升沉和侧倾/翻动运动的方法
[0001] 本发明设及提高单筒浮动单元的运动特性。
[0002] 已经注意到的是运个类型的浮动单元可在某些海况下承受过度的翻动/侧倾运 动。浮动单元类似的设计试图通过为浮动单元提供尽可能多的阻尼来消除运种运动。
[000引W前（例如在已公布的PCT申请W0 02/090177A1中和已公布的美国专利申请No. 2012/0298027A1中）已经论述了单筒浮动结构。在该美国公布申请中，公开了一种在 冰层覆盖的水中使用的浮动结构，该浮动结构包括单筒壳体，该单筒壳体被设计成减小冰 负载并提供比常规的船结构更多的破冰机构。浮动船设有锥形的部分和不均匀的侧边的多 边形形状的船壳，W更有效地破冰。通过移动压载舱中的压载水而导致侧倾/翻动运动、升 沉运动和振荡运动，从而更有效地破冰。
[0004] 本发明的目的是减轻单筒浮动单元在海中的翻动/侧倾运动。
[0005] 本发明的另一目的是已经增大单筒浮动单元的阻尼，并且同时简化运种浮动单元 的制造过程。
[0006] 通过权利要求1限定的浮动单元和权利要求7限定的方法实现了运些目的。从属 权利要求2至6限定了浮动单元的进一步的实施方式。
[0007] 开发本发明时的策略是找到通过改变浮动单元的形状而不是增大阻尼来减小不 需要的运动的方法。当然，浮动结构可W额外地尽可能多地设置有用于阻尼的装置。
[0008] 经历的但并不能通过线性理论解释的运动的原因可能是多种运动组分之间的参 数禪合，即所谓的马修运动（Mathieumotion)。导致运种表现的条件可W通过微分方程描 述，该微分方程在某些范围中具有解，而在其他范围中它是不稳定的并且解将发散到无穷 大。
[0009]马修微分方程（Mathieudifferentialequation)可W写为：
[0010]
[0011]其中，e是在刚性（stifTness)方面的运个变化的相对大小，并且?是固有频率 与刚性频率之间的比率。该方程示出的"刚性"方面具有规律的变化，该变化具有的频率与 系统的固有频率不同。在刚性方面的运个变化的相对大小（〇和固有频率与刚性频率之 间的比率3则决定该解。
[001引图1中示出了方程的稳定的解和不稳定的解的区域。如图1中可见，tr=化5的 比率导致最大的不稳定，但是? =1、1.5和2也可W导致不稳定。刚性变化的大小（0 也起作用，因为刚性变化的增大将使不稳定区域增大。
[0013] 本发明是一种筒型的浮动单元，该浮动单元优选地具有八边形的横截面，但是也 可W具有其他的形状，例如圆形。该浮动单元也可W设置有内部月池（moo吨〇〇1)。浮动单 元的特征在于平均直径值）和吃水深度灯）。如果本发明被设计为具有八个平面侧板的八 边形，则直径被定义为该八边形中的内接圆。如果选择其他的多边形的形状，则直径将相应 地被定义为该多边形中的内接圆。八边形的形状导致通过尖锐拐角而获得的增大的粘滞阻 尼，并且由于平面钢板比弯曲钢板更容易制造，所w简化了生产。
[0014] 对于例如本发明的浮动单元，上文中的微分方程可W表示侧倾/翻动运动，并且 刚性变化可由升沉运动引起的稳屯、高度的变化（GM)表示。
[0015] 升沉运动的频率由升沉中的固有周期，或者简单地由波浪激励频率（wave excitation化equency)决定。例如，在具有12秒的升沉激励周期和24秒的翻动的固有周 期的情况下，频率比将是ST二0.5并且进入不稳定区域中的可能性非常高，如图1中示出 的。如果升沉的固有周期和浪激励重合，运当然将使问题放大。
[0016] 如上所述，W前为了避免过度的侧倾/翻动运动，即为了避免进入图1中示出的不 稳定区域，浮动单元已经设置有尽可能多的阻尼。
[0017] 用来避免进入不稳定区域中的另一选择将是防止频率比进入不稳定区域中。然 而，考虑到激励来自于随机过程（浪），防止频率比进入危险区域中将是非常困难的。
[0018] 因此，作为另一替换方案，发明人已经考虑了第=种可能性W避免进入不稳定区 域中的可能性，第S种可能性是尽可能多地减小刚性的变化GM(图1中的〇。运似乎将是 减小暴露于马修不稳定中的最有效的方法。
[0019] 本发明公开了一种浮动单元，该浮动单元包括具有纵向中屯、轴线的单个中屯、筒。 中屯、筒包括下部主区段和上部区段，上部区段从主区段向上延伸并且具有至少一个面向外 的侧部，即背朝浮动单元的内部并朝向周围环境，该面向外的侧部与竖直轴线形成外飘角 (flareangle,卿趴张角）（取)。在浮动单元使用时，上部区段穿透静水面。浮动结构的主 区段还具有等效直径（equivalentdiameter,当量直径）值）、静水吃水深度（T)和稳屯、高 度（KM)，根据直径值)、静水吃水深度灯)、外飘角（9)和吃水深度的变量部分（浮动单元 运动的结果）（X)而给出稳必高度，使得紋因織:技，I；化句。上部区段的外飘角（冻身 在最佳外飘角（9)的±20%的范围内，最佳外飘角满足方程：
[0020] d (EM (D，T，斯某));/化=0。
[0021] 可替换地，运可W被表示为使得上部区段（12)的最佳外飘角（9)是满足下列方 程的角度：
[0022] d(KM(D，T，％x):) /艇=0，
[0023] 并且其中，上部区段的外飘角在最佳外飘角的±20%的范围内。
[0024] 当上部区段设置有运种外飘角时，升沉与侧倾/翻动之间的参数禪合将被减弱。
[0025] 当在侧视图中看时，上部区段可W是锥形的，或者可替换地，当在侧视图中看时， 上部区段可W具有弯曲的形状。
[0026] 浮动结构的筒的水平截面（垂直于浮动结构的纵向轴线）可W具有规则的多边形 的形状，例如，规则的八边形的形状。可替换地，浮动结构的筒的水平截面（垂直于浮动结 构的纵向轴线）可W是圆形的。
[0027] 本发明还公开了一种用于减小单个中屯、筒浮动单元的侧倾/翻动运动的方法，其 中，该浮动结构包括具有纵向中屯、轴线的单个中屯、筒。该中屯、筒包括下部主区段和上部区 段，上部区段从主区段向上延伸并且具有至少一个面向外的侧部，即，背朝浮动单元的内 部并且朝向周围环境，面向外的侧部与竖直轴线形成外飘角（9)。在浮动单元使用时，上 部区段穿透静水面。浮动结构的主区段还具有等效直径值)、静水吃水深度灯）和稳屯、高 度（KM)，根据直径值)、静水吃水深度灯)、外飘角（巧）和吃水深度的变量部分（是浮动单 元（10)的运动的结果）（x)而给出稳屯、高度，使得KM=KM (D，t化X)。选择上部区 段（12)的外飘角（9)使得该外飘角在最佳外飘角（巧）的±20%的范围内，该最佳外飘角 (争）满足方程：
[0028] d (KM (D，T，（p，x)) /dx = 0。
[0029] 如果主区段具有圆形横截面，则上文中数次提到的等效直径值）等于实际直径。 如果主区段的横截面是多边形的，则取与实际多边形横截面的面积相同的面积的圆的直径 作为等效直径值）。
[0030] 现将参考附图进一步地描述本发明的非限制性实施方式，附图中：
[0031] 图1已在上文讨论，并且该图示出了马修方程的稳定图。
[003引图2示出了对于多种直径D的根据吃水深度的KM。
[0033] 图3示出了对于多种直径的根据吃水深度灯）的KM-函数的导数。
[0034] 图4示出了显示D-T组合的图，其中，KM的导数等于0。
[003引图5示出了曲线图，其中，针对根据吃水深度讯的多个角度绘制8KM (D，T，q)，x)c
[0036] 图6示出了使稳屯、高度没有变化的外飘角的曲线图。
[0037] 图7示出了根据本发明的浮动单元的侧视图。
[003引图8示出了图7中示出的浮动单元的横截面。
[0039] 图9示出了张开情况下的本发明的实施方式。
[0040] 在下文中，我们将讨论根据本发明的设计是如何可W进入马修不稳定区域的W及 本发明是如何解决运个问题的。
[0041] 如上所述，本发明是单筒形状的设计，其中，横截面优选地是八边形的形状，但是 也可W是圆形形状，或大体是规则的多边形形状。
[0042] 八边形形状或多边形形状与本发明所设及的考虑因素无关，因此，在下文的数学 表达式中我们将假设本发明具有圆形横截面，同时具有直径D和吃水深度T。可W选择直径 从而将根据n/4*〇2而使横截面面积与所考虑的实际浮动单元的多边形的相同。
[0043] 因此，将考虑根据高度而包括具有恒定的横截面的主区段的圆形筒。
[0044] 稳屯、高度KMOnetacentrichei曲t，稳屯、高度是从龙骨到稳屯、（metacenter)的距 离）可被写成：
[0045]KM=邸+BM
[0046] 其中，邸是从龙骨到浮力中屯、的距离，并且BM是是从浮力中屯、到稳屯、的距离的稳 屯、高度。
[0047] 通过W下表达式得出BM:
[0048] BM= 1/V
[0049] 其中，I是水线面面积的惯性矩，即，对于圆形吃水线，水线面面积的惯性矩表示I =ji/64蝴4，W及▽为位移，即，▽=n/2蝴2*T。
[0050] 简化该表达式，可W将BM写成：
[0051] KM=T/2+W/(16*T)
[0052] 运个表达式可相对于T进行微分。则获得下式：
[0053] d(KM)/dT= 1/2 - 〇2八16*了2)
[0054] 在BM不变时，吃水深度T为：
[00巧]d(KM)/dT= 0 = >1/2 - 1/16* 值/T)2= 0
[0056] 解运个方程求D/T:
[0057] D/T=做 1/2
[005引图2中示出了根据D的稳屯、参数KM的曲线图。注意，KM的变化将等于GM的变化， 因为GM=KM-KG，并且对于给定的负载条件KG保持恒定。
[005引 图3中示出了KM相对于吃水深度T的导数（即，d(KM)/dT= 1/2 -DV(16*1'2)) 的曲线图。在图3中，对于多个直径，根据吃水深度T绘制了KM的变化。
[0060] 例如，运里选择具有90m直径的浮动单元，但是具有不同的直径D的浮动单元显然 将具有不同的结果。