一种超大型浮体主动式减缓相对转动的装置及其操作方法与流程

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种超大型浮体主动式减缓相对转动的装置及其操作方法。

背景技术：

海洋超大型浮体是由多个模块通过连接器相互连接组成的，其既可以纵向串联连接，又可以横向并联连接。在复杂的海洋环境中，由于超大型浮体在波浪中的运动产生了浮力变化，进而导致巨大的波浪载荷。假如超大型浮体采用刚性连接的话，一旦遭遇大波长的波浪，则会瞬间产生巨大的垂向外载荷；另外如果遭遇到斜浪的情况，横向外载荷和扭转载荷较容易发生并急剧增大。在这种情况下，沿着船长方向上最薄弱的结构就会最容易发生破坏，而海上超大型浮体由于是模块化的建造，其连接部分必然是整个系统最薄弱、最关键又最重要的地方。一般来说，对于海上超大型浮体，采用柔性连接器可以借助合适的弹性变形吸收部分能量达到降低应力的效果。合理的超大型浮体模块柔性连接器对超大型浮体的正常运行和结构安全性具有重要意义。

目前，除了美国启动mob计划时有公司设计了铰接式的连接器是刚性的，或者是带有橡胶锥形起缓冲作用的铰接式连接器，缺乏必要的功能性。随着国内开展海上超大型浮体的研究逐步深入，连接的方式和连接器结构形式也越来越广泛，特别是铰接式柔性连接器应用较为普遍，但是在使用的过程中，超大型浮体模块间的相对纵摇是完全不受约束的，这种不加约束的情况非常影响其甲板的连续性和飞机跑道的完整性，因此，应该在这种相对转动的过程中加入一定的阻尼来减缓运动幅值或产生相应的复原力矩使得模块能够尽快恢复之前的状态，而这种设计目前来讲尚处于空白。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种超大型浮体主动式减缓相对转动的装置及其操作方法，其能减缓大型浮体中各模块在铰接式柔性连接时减缓相对纵摇转动，保证各种复杂载荷作用下超大型浮体模块之间的连接稳定和转动稳定性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种超大型浮体主动式减缓相对转动的装置，包括间隔布置的主基座及开设孔的副基座，在所述副基座的外侧抵接滑杆，导杆的一端与主机座的内侧连接，所述导杆的另一端顺序贯穿副基座的孔及滑杆，于所述导杆的外周缠敷用于减缓转动的减缓装置；在所述主基座和副基座之间还以所述导杆为中心对称布置多根扭杆，各扭杆的一端与主基座铰接，各扭杆的另一端与副基座铰接；还包括安装在副基座内侧的伺服电机，所述伺服电机的第一信号输入端和第二信号输入端均连接于扭杆的表面，所述伺服电机的输出端与扭杆的活动端连接。

其进一步技术方案在于：

所述导杆为钢材料制成的空心圆柱体或实心圆柱体；

所述主基座与副基座均采用高强钢材质制成；

所述减缓装置为阻尼器或弹簧中的任意一种；

所述扭杆包括带有腔室的筒体，挡板布置于所述筒体的内部并将腔室一分为二形成第一腔室和第二腔室，在所述第一腔室内设置第一阻尼，在第二腔室内设置第二阻尼，活塞杆的一端伸入第一腔室与挡板的一侧连接，所述活塞杆的另一端通过第一球铰铰接主基座；在所述筒体靠近第二腔室处还与直杆的一端连接，所述直杆的另一端通过第二球铰铰接副基座；

所述筒体连接直杆的一端封闭，所述筒体的另一端开设用于活塞杆贯穿的开孔；

所述第一阻尼及第二阻尼可以采用固体介质、液体介质或气体介质中的任意一种；

利用超大型浮体主动式减缓相对转动的装置进行操作的方法，包括以下步骤：

第一步：超大型浮体相邻模块的转动引起主基座和副基座发生相对转动；

第二步：根据第一输入信号端和第二输入信号端识别信号输入；

第三步：伺服电机通过公式程序识别主基座与副基座之间的相对转动角度；

第四步：当主基座与副基座之间的相对转动角度未超过设定值时，返回至第二步；

第五步：当主基座与副基座之间的相对转动角度超过设定值时，进入第六步；

第六步：伺服电机启动并通过输出端驱动扭杆或/和导杆缩短行程，实现对超大型浮体相邻模块转动的主动减缓。

作为上述技术方案的进一步改进：

在第一步中，主基座与副基座发生相对转动包含三种工作模式，第一种工作模式包括扭杆不伸长、导杆移动；第二种工作模式包括扭杆伸长、导杆不移动；第三种工作模式包括扭杆伸长、导杆移动；

在第一种工作模式时，伺服电机用于识别主基座与副基座之间相对转动角度的公式程序如下：

其中为主基座与副基座之间的相对转动角度，n为扭杆的数量，d为扭杆的间距，为导杆的移动量；

在第二种工作模式时，伺服电机用于识别主基座与副基座之间相对转动角度的公式程序如下：

其中为主基座与副基座之间的相对转动角度，n为扭杆的数量，d为扭杆的间距，为扭杆的伸长量；

在在第三种工作模式时，伺服电机用于识别主基座与副基座之间相对转动角度的公式程序如下：

其中为主基座与副基座之间的相对转动角度，n为扭杆的数量，d为扭杆的间距，为导杆的移动量，为扭杆的伸长量。

本发明的有益效果如下：

本发明结构简单，使用方便，其具有完全主动式承载的功能，独立性较高，通过伺服电机侦测扭杆转动信号并反馈，从而实现对扭杆的控制以实现主动式的限制运动并提供回复力，从而实现本发明的主动减阻。

本发明具有参数化的特点，根据数值模拟选用不同的参数，从而确定本发明的不同尺寸及布设位置。

本发明中副基座与主基座随超大型浮体模块间的相对转动而转动，在转动过程中由扭杆和导杆发生拉伸和线位移，本发明将需要通过扭转阻尼来减阻的方式转变为通过位移阻尼来进行减阻，相比传统工艺具有明显优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明发生转动时的俯视剖面图。

图3为本发明发生转动时的侧面剖视图。

图4为本发明中扭杆的主视剖面图。

其中：1、主基座；2、滑杆；3、副基座；4、导杆；5、扭杆；501、活塞杆；502、第一球铰；503、直杆；504、第二球铰；505、筒体；506、第一阻尼；507挡板；508、第二阻尼；6、伺服电机；601、第一输入信号端；602、第二输出信号端。

具体实施方式

下面说明本发明的具体实施方式。

一种超大型浮体主动式减缓相对转动的装置包括间隔布置的主基座1及开设孔的副基座3，主基座1与副基座3均采用高强钢材质制成，主基座1的外端与超大型浮体模块上平台连接，副基座3连接在相邻模块上。上述孔开设于副基座3的中心处，在副基座3的外侧抵接滑杆2，滑杆2的一端固接法兰盘，该法兰盘的法兰口与副基座3的孔同心。上述滑杆2的另一端与超大型浮体模块上平台的外侧槽口连接，其具有单向滑动功能。导杆4的一端与主机座1的内侧焊接，导杆4的另一端顺序贯穿副基座3的孔及滑杆2中法兰盘的法兰口，上述导杆4与副基座3的孔处采用间隙配合，其没有摩擦，导杆4为钢材料制成的空心圆柱体或实心圆柱体。于导杆4的外周缠敷用于减缓转动的减缓装置，该减缓装置采用阻尼器或弹簧中的任意一种。在主基座1和副基座3之间还以导杆4为中心对称布置多根扭杆5，各扭杆5的一端与主基座1铰接，各扭杆5的另一端与副基座3铰接。

如图1所示，上述扭杆5为单轴阻尼器，图3中扭杆5为4根，根据不同的工况可以布置2～6根，其包括带有腔室的筒体505，筒体505为圆筒，挡板507布置于筒体505的内部并将腔室一分为二形成第一腔室和第二腔室，挡板507与筒体505之间无摩擦或摩擦很小，使用时应该加润滑油避免阻塞，必要时可设置导轨和轴承。在第一腔室内设置第一阻尼506，在第二腔室内设置第二阻尼508，活塞杆501的一端伸入第一腔室与挡板507的一侧连接，活塞杆501的另一端通过第一球铰502铰接主基座1；在筒体505靠近第二腔室处还与直杆503的一端连接，直杆503的另一端通过第二球铰504铰接副基座3。

如图2所示，还包括安装在副基座3内侧的伺服电机6，伺服电机6的第一信号输入端601和第二信号输入端602均连接于扭杆5的表面。通过识别扭杆5的拉伸长度来判定扭转的角度，从而主动驱动扭杆进行回复修正。上述伺服电机6的输出端用于与扭杆5的活塞杆501连接。

筒体505连接直杆503的一端封闭，筒体505的另一端开设用于活塞杆501贯穿的开孔。第一阻尼506及第二阻尼508可以采用固体介质(例如橡胶、弹簧)、液体介质(例如油)或气体介质(例如空气或氮气)中的任意一种。若采用气体或液体阻尼，则筒体505还需要进行气密和液密处理。

为了保证受力的均匀性，本发明在相邻的超大型浮体相邻模块间可以沿y方向布置1～10个，其中y方向是指三维笛卡尔坐标系中横向方向。

本发明进行主动式减缓相对转动的工作过程如下：

在超大型浮体相邻模块间采用若干套柔性连接器前后相连并释放纵摇从而避免因纵摇产生的巨大载荷时，由于没有约束而会产生过大的转动。如图2、图3、图4所示，在超大型浮体模块之间发生相对运动时，由于主基座1的外端与超大型浮体模块上平台固接，因此其跟随超大型浮体模块进行转动，如图3所示，转动时扭杆5也相对运动，通过伺服电机6利用第一输入信号端601和第二输入信号端602来侦测扭杆5的拉伸长度来判定扭转的角度，通过侦测转动信号反馈并实现主动驱动扭杆5进行回复修正。

如图1所示，利用超大型浮体主动式减缓相对转动的装置进行操作的方法，以下步骤：

第一步：超大型浮体相邻模块之间发生中拱或中垂时，引起副基座3相对于主基座1作转动，该转动包括顺时针或逆时针转动。第一步中，主基座与副基座发生相对转动包含三种工作模式，第一种工作模式包括扭杆不伸长、导杆移动；第二种工作模式包括扭杆伸长、导杆不移动；第三种工作模式包括扭杆伸长、导杆移动。

第二步：根据第一输入信号端和第二输入信号端识别信号输入，该信号输入指扭杆的伸长量或导杆的移动量，通过识别信号输入判断处于第一步中第几种工作模式；

第三步：伺服电机通过公式程序识别主基座与副基座之间的相对转动角度；

在第一种工作模式时，伺服电机用于识别主基座与副基座之间相对转动角度的公式程序如下：

其中θ为主基座与副基座之间的相对转动角度，n为扭杆的数量，d为扭杆的间距，δl1为导杆的移动量；

在第二种工作模式时，伺服电机用于识别主基座与副基座之间相对转动角度的公式程序如下：

其中θ为主基座与副基座之间的相对转动角度，n为扭杆的数量，d为扭杆的间距，δl2为扭杆的伸长量；

在第三种工作模式时，伺服电机用于识别主基座与副基座之间相对转动角度的公式程序如下：

其中θ为主基座与副基座之间的相对转动角度，n为扭杆的数量，d为扭杆的间距，δl1为导杆的移动量，δl2为扭杆的伸长量。

其中公式(3)的推导过程如下：

如图1、图3所示，由于超大型浮体相邻模块的转动引起主基座与副基座之间的相对转动角度θ，如图3所示，在该过程中扭杆5会随着副基座3的转动进行相应的滑移(如图2所示)，因此根据转动角度求得扭杆5在副基座3上的滑移距离x。

假设扭杆5滑移时不发生横向弯曲，滑移前和滑移后的两条直线必然在同一平面内，因此借助扭杆5在副基座3上滑移前后的点位移求得扭杆5的伸长量。

假设在主基座1和副基座3上连接n根扭杆5，扭杆5与主基座1和副基座3的连接点相对于导杆4呈正多变形布置，相邻扭杆5之间的距离相等均为d，根据多变形特点计算出扭杆5在副基座3上的滑移距离x为：

由于扭杆5在滑移前后共面并且呈等多边形布置，副基座3和主基座1平面保持平行，因此缩短后的导杆、伸长后的扭杆和扭杆滑移距离之间构成直角三角形，根据直角三角形勾股定理求得主基座与副基座之间的相对转动角度θ、导杆移动量δl1及扭杆的伸长量δl2之间的关系式如下：

(l-δl1)²+x²＝(l+δl2)²(5)

将公式(4)代入公式(5)即得到公式(3)如下：

利用公式(3)，当为第一种工作模式时，扭杆不伸长，导杆移动，即δl2＝0，代入公式(3)后得到公式(1)。当为第二种工作模式时，扭杆伸长，导杆不移动则δl1＝0，代入公式(3)后得到公式(2)。当为第三种工作模式时，扭杆很长，导杆移动，δl1≠0，δl2≠0，因此即为公式(3)。

第四步：当主基座1与副基座3之间的相对转动角度未超过设定值时，返回至第二步；

第五步：当主基座与副基座之间的相对转动角度超过设定值时，进入第六步；

第六步：伺服电机6启动并通过输出端驱动扭杆或/和导杆缩短行程，实现对超大型浮体相邻模块转动的主动减缓。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。