[发明专利]一种布置有表面织构的浮力块及其安全控制方法

摘要

本发明公开了一种布置有表面织构的浮力块，该浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑(1)基本单元的外径与隔水管的外径D大致相当，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，波状柱面曲线为周期性的正弦曲线，波面函数为Dz＝(Dmin+Dmax)/2+2acos(2πz/λ)，凹坑(1)的深度h为0.001D～0.05D，凹坑(1)的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑(1)水平间距e为0.001D～0.06D。本发明的有益效果是：结构紧凑、不添加任何附属装置下与光滑圆柱相比阻力减小15％、能够有效抑制涡激振动。 1

主权项

1.一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的浮力块由多个基本单元顺次串联而成，基本单元由两半对称、轻质塑料半圆筒组合而成，半圆筒的外表面为波状柱面，波状柱面由周期性的正弦曲线构成，沿波状柱面的周向方向分布有数个凹坑(1)，所述的基本单元的外径与隔水管的外径D相等，基本单元的长度H为5D～20D，波长L为H/4，波的振幅a＝0.002D～0.15D，波状柱面曲线为周期性的正弦曲线，波面函数为D_z＝(D_min+D_max)/2+2acos(2πz/λ)，D_min,、D_max分别为波状柱面的最小和最大断面直径，2a为波状圆柱面母线的振幅，z为隔水管轴向高度，λ为波长；凹坑(1)的深度h为0.001D～0.05D，凹坑(1)的宽度s为0.001D～0.04D，凹坑(1)水平间距e为0.001D～0.06D。

2.根据权利要求1所述的一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的浮力块的轴向方向上设置多个梯形沟槽(2)，梯形沟槽(2)沿周向均匀分布，浮力块外径D₀为0.9～1.5m，梯形沟槽(2)的槽宽dk为0.001D₀～0.1D₀，梯形沟槽(2)的槽间距sk为0.001D₀～0.04D₀，梯形沟槽(2)的槽深hk为0.001D₀～0.05D₀。

3.根据权利要求2所述的一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的梯形沟槽(2)的两侧腰上设置有凹坑，所述的凹坑深度为0.001D～0.01D，宽度为0.001D～0.01D，凹坑行距为0.001D～0.01D。

4.根据权利要求2所述的一种布置有表面织构的浮力块，其特征在于：所述的梯形沟槽(2)也可由U型槽代替。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的布置有表面织构的浮力块的安全控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、假设隔水管为均质柔性管，属于小应变大变形问题；规定来流方向与隔水管变形位于同一垂直平面xoz内，且ox轴正向与来流方向一致，取隔水管微元长度ds，建立数学模型；

S2、根据数学模型建立竖直方向平衡方程、水平方向平衡方程并对隔水管中心点S取矩；

其中竖直方向平衡方程为：

V为隔水管断面受到的剪力；θ为中心点处切线与oz轴夹角；T为轴向方向张紧力；F_w为隔水管的重量；F_zs为隔水管在z方向上的外载荷；

水平方向平衡方程为：

F_xs为水平面内外载荷；F_Is为隔水管受到的惯性力；

对隔水管中心点S取矩：

M为隔水管受到的弯矩；R_ρ为隔水管变形后的曲率半径；

S3、根据小应变假设和纯弯曲梁理论化将步骤S2中的公式(1)(2)(3)化简为：

竖直方向：T＝T_c+∫f_wdz‑∫f_zsdz，轴向方向张紧力T为隔水管重力和轴向流体动力分布函数的代数和，f_w为隔水管单位长度自重，f_zs为隔水管单位长度在轴向受到的外载荷；T_c为积分常数；

水平方向：EI为等截面隔水管抗弯刚度；T为轴向方向张紧力；该公式中等号左侧从左往右依次为隔水管抗弯刚度所承受的水平载荷、轴向方向张紧力T、隔水管水平方向的惯性所承受的水平载荷；

S4、对变截面隔水管，其断面参数EI为z的函数，隔水管水平方向的静力平衡方程改写为：

其中E_ZI_Z隔水管抗弯刚度，对于等截面隔水管E_ZI_Z＝EI；E隔水管材料的弹性模量，P_a；I截面惯性矩，单位m⁴；W单位长度隔水管受到的浮重，单位N/m；F(z,t)为作用于单位长度管段上的流体作用力，单位N/m；w为隔水管挠度，单位m；t为时间，单位s；由公式(1)～(4)可知：隔水管系统的力学行为与F(z,t)、轴向方向张紧力T、等截面隔水管抗弯刚度EI有关，此外，隔水管的应力、应变会随波浪流速、风速以及海流流经隔水管前后表面产生的阻力的增加而增加；

S5、将布置有表面织构的浮力块固定于隔水管上，不同织构能够减小绕流阻力，降低隔水管涡激振动和张紧力，均提高隔水管系统安全性，延长隔水管的使用寿命。