海洋空间桁架结构及其球形节点和姿态调节方法技术

本发明专利技术公开了一种海洋空间桁架结构及其球形节点和姿态调节方法，其特征在于：球形浮力节点设置在多个桁架杆件交汇的力学节点位置且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构工作中所需的浮力；球形浮力节点的浮力可调节，通过同步或分布调节海洋空间桁架结构中至少部分球形浮力节点的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换；可将不同的面依次朝上甚至浮出水面，利于维修维护清洗作业、调整生产环境等；具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点，可替代传统的大型浮式结构。

【技术实现步骤摘要】
海洋空间桁架结构及其球形节点和姿态调节方法
本专利技术属于海洋工程装置领域，具体涉及一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，包括该球形浮力节点的球形节点，包括该球形浮力节点或该球形节点的海洋空间桁架结构，以及海洋空间桁架结构的姿态调节方法。
技术介绍
钢结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚度好、抵抗变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。根据行业发展状况，海洋工程装备领域的发展应当引起国家有关主管部门的关注，如果受到重视和政策鼓励，完全可以实现产业倍增的目标。海洋石油的产量在2015年要达到1亿吨，海洋工程装备企业的目标是要为深海1500米～3000米的开采提供大量装备，产业水平及规模必须提高；中国钢结构产业在近10余年期间发展迅速，已成为全球钢结构用量最大、制造施工能力最强、产业规模第一、企业规模第一的钢结构大国。各地重大钢结构工程的成功建设，说明中国的钢结构综合技术水平已处于国际先进水平。但中国的钢结构产业在信息化、自动化、标准化、科研创新方面同发达国家相比还有不小的差距。钢结构行业由于其经济和技术的优越性、低碳减排、循环经济以及可工业化、产业化发展，能更好的适应并满足当前中国国民经济建设需要，也将成为具有市场广阔、企业众多、创新不断、充满蓬勃生机的新兴产业之一。今天，人类在不断地探索周围空间，开发空间技术，伸向遥远宇宙的同时，人类的活动更积极地转向海洋。根据使命，航区、航行状态、动力装置、推进形式等进一步区分为“舰船”和“海洋工程装置”两大门类。为了保卫海疆、促进国家经济发展，世界海洋国家十分重视造船业的发展。随着海洋开发进程的加快，海洋工程装备更成为世界造船业的新宠和必争领域。值得关注的是，无论是“舰船”还是“海洋工程装置”的设计与建造，历来都是由造船部门提供。这样的传承，导致我们现在看到的海工装备，明显带有舰船的身影，以半潜式海上浮动平台为例(图1a-c)，可以看到底部为由船体舱室演化而来的大型下浮体，直径6米的巨大立柱，联通整个甲板的同样和船体舱室结构一致的上箱体及立柱下方的横向撑杆组成。这样的设计带来以下二大问题：这样的装备只能由专业的大型造船部门建造，这包括专门尺寸和性能的钢材，专门的材料切割加工和焊接设备，专门的船坞和大型吊装设备，专业的劳动密集型产业工人，现场进行的拼装和焊接，所有带来的是建造成本居高不下，这在以海上石油开采为对象高利润行业是可以接受的，但也极大的限制了海洋工程装备在其它领域的应用。这种以钢板焊接成各个功能舱室再拼接而成的海洋工程装备的总体力学性能并不好，箱式浮体的热点应力分布集中在箱体连接的特定应力集中节点。箱式浮体的固有频率为0.5rad/s附近，极易和海浪、浪涌等产生共振，此时浮体关键节点的应力幅值最大。当应力过大导致箱体材料疲劳断裂时，箱式浮体舱室结构变形或水密封性能失效，导致整个海洋工程装备倾覆或失浮沉没。
技术实现思路
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，通过对海洋钢结构型式研究，特别是长宽为数公里的超大型浮体、深海超大型FPSO(浮式采储卸系统)、半潜式平台与SPAR(单柱平台)、浮式养渔装置(风浪大，沉入海中；风浪小，浮在海面上)的结构性研究，本专利技术提供了一种包括密集杆件和膨大球形浮力节点的海洋空间桁架结构，作为海工装备的结构主体，该结构主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构杆件失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了海工装备的结构力学性能，保证了整个装备的安全性。另外，这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了装备的安全工作年限。近年来，随着各国对海洋资源的开发从近海走向深海，大型浮式结构为满足强度要求和安全性而不断增加设计、制造、施工难度和成本，已经难以有效发挥作用。本专利技术的桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面等特点。由于海洋工程中传统的实体式结构投资大、施工周期长、受自然条件限制且维修较难，相比之下，本专利技术的桁架结构特点突出，随着海洋技术的发展，将其引入到海洋工程中，可用作人工岛屿上用于物资存储的大型仓库等建筑物、海洋石油半潜式平台、Spar(单柱平台)和张力腿平台、浮动机场、跨海浮桥、浮动码头、水上工厂仓储、水上游乐场、浮式人工岛、海上城市等VLFS(海洋超大型浮式结构物)的浮体结构。在海洋环境中，波浪冲击是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，本专利技术将桁架结构引入到海洋环境中，通过对浮式密集桁架结构模型的有限元分析和计算，表明在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，结构整体受力合理；在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。由于密集桁架结构的排水体积较小，无法提供海工装备所需的浮力，在桁架杆件交汇的力学节点位置，设计了膨大了的中空节点，这个中空节点在保持原节点力学性能的前提下，用以产生装备工作中所需的浮力。这个位于桁架节点的装置称为节点浮力装置，从理论上讲节点浮力装置的形状可以是任意的。由于节点浮力装置，是独立均匀分布在桁架结构的各个力学节点上的，所以对整个结构产生和结构相对应的支撑浮力，改善了整个结构的应力分布状态。由于每个节点浮力装置之间的独立性，在个别节点浮力装置浮力失效时，整个装备总体浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了装备的安全性。浮力节点式桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，替代传统的大型浮式结构，并降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：设置在多个桁架杆件交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构工作中所需的浮力；所述球形浮力节点的浮力可调节，通过调节球体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对球形浮力节点的浮力进行调节；通过同步或分布调节海洋空间桁架结构中至少部分球形浮力节点的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。进一步地，所述球形浮力节点包括球壳体，所述球壳体内设有中心气管，所述球壳体与所述中心气管之间设有弹性气囊，所述中心气管上设有进排气口，所述中心气管的至少一端连接气源，所述球壳体上、所述弹性气囊之外设有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：设置在多个桁架杆件(20)交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构(1)工作中所需的浮力；/n所述球形浮力节点(10)的浮力可调节，通过调节球体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对球形浮力节点的浮力进行调节；/n通过同步或分布调节海洋空间桁架结构(1)中至少部分球形浮力节点(10)的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。/n

【技术特征摘要】
1.一种海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：设置在多个桁架杆件(20)交汇的力学节点位置，且为相较桁架杆件膨大的薄壁空心球体，用以产生海洋空间桁架结构(1)工作中所需的浮力；
所述球形浮力节点(10)的浮力可调节，通过调节球体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对球形浮力节点的浮力进行调节；
通过同步或分布调节海洋空间桁架结构(1)中至少部分球形浮力节点(10)的浮力的方式，对海洋空间桁架结构的水中姿态进行调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。


2.如权利要求1所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：
所述球形浮力节点(10)包括球壳体(101)，所述球壳体(101)内设有中心气管(102)，所述球壳体(101)与所述中心气管(102)之间设有弹性气囊(103)，所述中心气管(102)上设有进排气口(104)，所述中心气管(102)的至少一端连接气源，所述球壳体(101)上、所述弹性气囊(103)之外设有进排水口(105)，所述进排水口(105)可连通所在的外部水体；
通过调节所述弹性气囊(103)的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述球壳体(101)与所述弹性气囊(103)之间的进排水量，进而调节球形浮力节点的浮力。


3.如权利要求2所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：
所述中心气管(102)作为所述球壳体(101)的内部加强支撑结构。


4.如权利要求3所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：
所述海洋空间桁架结构(1)中每个所述中心气管(102)均设置在各自的所述球壳体(101)的主受力方向上。


5.如权利要求3所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：
所述中心气管(102)与中空的所述桁架杆件(20)相互贯通。


6.如权利要求5所述的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点，其特征在于：
气源与所述中心气管(102)之间的供排气管路设置在中空的所述桁架杆件(20)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，阳峻龙，
申请(专利权)人：澳大利亚海洋技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44