一种多浮体模块重力式交叉连接装置及其设计与安装方法

1.本发明属于海洋工程多浮体模块连接领域，具体涉及一种多浮体模块重力式交叉连接装置及其设计方法与海上安装方法。


背景技术：

2.随着国家双碳目标的提出，我国大规模研究海上漂浮式光伏，光伏布置需要大面积的海洋平台基础，一般采用多模块的方式来实现，模块之间用连接件进行连接，以有效提升光伏的布置面积。另外，深海养殖也蓬勃发展，为扩大规模效应，漂浮式深海网箱之间也需要连接装置，以扩大养殖规模，有效提升经济效益。多浮体模块的开发模式在国内外海上光伏和深海养殖开发中得到广泛应用。模块之间的连接件是模块之间的重要构件，保障着海上光伏基础平台和深海养殖网箱的安全。
3.现有技术中，一般采用基于多轴弹簧和阻尼系统的机械式连接件装置。由于海上风浪流条件复杂，多模块浮体承受着波频和低频的载荷作用，继而产生波频和低频的运动响应，多轴弹簧阻尼机械式连接件装置会产生大幅的波频交变拉压和交变弯扭载荷，其疲劳寿命较难满足要求；机械式连接装置在海上安装时，对位精度要求很高，海上无法实现，因此必须采用浮体在平静水域(如港池内)安装的要求，然后通过大型拖航船舶拖航，多模块在连接状态下拖航难度大、风险大、成本也高。
4.因此，为应对这一实际需求，亟待提出一种新型的多浮体模块重力式交叉连接装置及其设计与安装方法。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术中多浮体模块之间采用多轴弹簧和阻尼系统等方式连接所带来的使用和安装等缺陷，提出一种多浮体模块重力式交叉连接装置及其设计与安装方法，采用交叉重力式连接装置，效果显著且安装方便。
6.本发明是采用以下的技术方案实现的：本发明提出一种多浮体模块重力式交叉连接装置，包括连接重块和连接链缆，连接重块通过连接链缆与多个浮体模块相连，且连接链缆呈交叉式连接方式；
7.所述连接重块上设置有多个吊环，用于与连接链缆固定连接，所述连接链缆的两端为锚链，中间为弹性缆，两端锚链与中间弹性缆固定连接。
8.进一步的，所述弹性缆采用高弹性复合材料，高弹性复合材料包括聚酯缆、尼龙。
9.进一步的，所述连接重块采用钢筋混凝土浇筑、钢铁、内加石块的钢笼或者铸铁。
10.进一步的，所述连接重块的形状为带孔或不带孔的垂荡板形式。
11.本发明另外还提出一种多浮体模块重力式交叉连接装置的设计方法，包括以下步骤：
12.步骤a、确定连接重块重量：连接重块的重量取所连接的两个浮体模块总重量的5％～15％；
13.步骤b、确定连接链缆交叉连接角度：交叉的连接链缆的水平面投影角度为60
°
～150
°
；
14.步骤c、确定连接重块位于浮体模块平面下的初始距离h0以及连接链缆的长度l：
[0015][0016][0017]
其中，h0为初始距离，g为连接重块的重量，a为两浮体模块之间的水平距离，b为角立柱间距，c为浮体模块的甲板悬臂跨度，f为连接链缆的预张力。
[0018]
进一步的，所述步骤c中确定连接链缆两端锚链的长度，根据连接链缆的长度l进而得到中间弹性缆的长度，所述锚链的长度取1-5m。
[0019]
本发明另外还提出一种多浮体模块重力式交叉连接装置的安装方法，包括以下步骤：
[0020]
步骤a’、进行安装前的准备工作；将4根连接链缆分别连接到连接重块上，然后将连接重块吊装到驳船上；
[0021]
步骤b’、将驳船驶向多个浮体模块之间的指定位置，将连接链缆安装到多个浮体模块上；
[0022]
步骤c’、当4根连接链缆全部固定在浮体模块上以后，把连接重块卸下，直接从驳船上滑入或者用吊机吊入水中；
[0023]
步骤d’、将连接重块卸下以后，驳船驶离，两个浮体模块最外围各有两条系泊锚链。
[0024]
进一步的，所述步骤d’中，如果两个浮体模块在连接重块的调节下，相距过近，则浮体模块最外围的系泊锚链则会拉紧，使浮体模块回到合适的位置。
[0025]
进一步的，所述步骤a’中，在安装连接重物之前，两个浮体模块之间保持合理的初始相对距离，在连接重块和连接链缆的约束下而不相互碰撞
[0026]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
[0027]
本方案采用交叉重力式连接装置，并对连接重块的重量及连接链缆的长度进行设计，通过连接重块的重力势能和弹性材料弹性势能储能，有效缓冲能量的集中问题，避免在风浪流等复杂海洋环境作用下对连接装置的重大冲击，使得波频和高频载荷得以减缓，而且避免连接件的弯曲，相较于传统单轴或多轴弹簧阻尼连接件，在疲劳性能、强度等级上有明显的优势；另外，在安装时，在海上易实施，避免多模块的港池连接或船坞连接，也避免了海上多模块拖航作业，降低了连接件在拖航过程中发生失效的风险。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例两个浮体模块连接示意图；
[0029]
图2为本发明实施例所述连接重块结构示意图；
[0030]
图3为本发明实施例连接链缆的结构示意图；
[0031]
图4为本发明实施例所述连接装置的设计过程示意图；
[0032]
图5为本发明实施例所述两浮体模块之间处于初始位置示意图；
[0033]
图6为本发明实施例所述两浮体模块之间达到最小距离示意图；
[0034]
图7为本发明实施例所述两浮体模块之间达到最大距离示意图；
[0035]
图8为本发明实施例所述连接装置安装前状态示意图；
[0036]
图9为本发明实施例所述连接装置安装过程示意图；
[0037]
图10为本发明实施例所述连接装置的拓展使用示意图；
[0038]
其中：1、连接重块；11、吊环；2、连接链缆；21、锚链；22、弹性缆；3、第一浮体模块；4、第二浮体模块。
具体实施方式
[0039]
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
[0040]
实施例1、本实施例提出一种多浮体模块重力式交叉连接装置，其结构如图1-图3所示，包括连接重块1和连接链缆2，连接重块1通过连接链缆2与多个浮体模块相连，且连接链缆2呈交叉式连接方式(如图1所示，连接链缆2呈x型交叉式)；所述连接重块1上设置有多个吊环11，用于与连接链缆2固定连接。所述连接链缆2的两端采用锚链21，中间采用弹性缆22，弹性缆22为高弹性复合材料。
[0041]
图1中，连接重块1通过4根连接链缆2与两个浮体模块相连，用来调节两个浮体模块的相对位置；本实施例强调采用交叉式连接，在不规则波浪作用下避免平面内横向摆动模态的激发，利于连接重块1主要在铅锤方向上下运动，稳定有效工作；随着浮体模块(3,4)相对运动，连接重块1在水中或空气中起落，提供两个浮体模块的互联约束。当两个浮体模块距离过远时，连接重块1则会拉进两个浮体模块之间的距离，使浮体模块保持一定的相对距离。
[0042]
本实施例中，所述连接重块1一般采用钢筋混凝土浇筑，钢铁，钢笼(内加石块)，铸铁或其他复合重块，形状为圆柱形、球形、方块形、圆盘形等均可，在水中有合理的重量，以满足提供浮体回复力的能力；连接重块1的形状还可以设计成带孔或不带孔的垂荡板形式，在重块起落过程中具有兴波增阻的效果，有利于多模块系统在运动中能量的耗散。所述连接链缆2主要承受拉力，一般是由“锚链-高弹性复合材料-锚链”组成，三段不同材料分段之间采用连接件固定连接，且连接链缆采用交叉布置，本实施例中的连接链缆两端采用锚链，中间弹性缆部分采用高弹性复合材料一般选用聚酯缆、尼龙等，可有效避免连接重块的横向摆动，使其主要运动为在水中或空气中竖向起落运动，如表1所示，为系泊系统与连接链缆材料属性表。
[0043]
表1系泊系统与连接链缆材料属性表
[0044][0045]
如图10所示，为连接装置的扩展应用结构示意图，通过连接重块与连接链缆实现多个浮体模块的连接，具体根据实际情况进行选择。
[0046]
实施例2、本实施例提出一种基于多浮体模块重力式交叉连接装置的设计方法，图4为其设计流程图，主要确定连接重块的重量、连接链缆的长度以及连接链缆的角度，包括搜集设计基础数据、整体方案设计、整体模态分析、整体时域耦合分析等步骤，本实施例以两个浮体模块为例进行说明，具体的，包括以下步骤：
[0047]
步骤a、搜集设计基础数据：包括两浮体模块之间的初始距离a，角立柱间距b，甲板悬臂跨度c，连接链缆的预张力f，模块外围系泊的预张力f0以及模块外围系泊的水平投影角度，其中，对于单个浮体模块在初始平衡状态，外围系泊的预张力f0、连接链缆的预张力f是平衡的，预张力f进而可以根据系泊系统张力平衡来获取；
[0048]
步骤b、整体方案设计：
[0049]
参考系泊系统与连接链缆材料属性表(表1)确定连接链缆的材料组成，在保证静力状态下单浮体模块所受连接链缆和外围系泊的刚度等效的同时，确保连接重块与海底能够保持一定的冗余距离，以及连接链缆能够在与水面成一定的角度下配合连接重块提供给各浮体模块足够的平面内回复力。
[0050]
具体的，本实施例中设定如下基础参数：两浮体模块之间的初始距离a＝20m，角立柱间距b＝30m，甲板悬臂跨度c＝5m，模块重量50t，连接链缆的预张力f＝10t，模块外围系泊的预张f0＝10t以及模块外围系泊的水平投影角度45
°
，具体如图5所示。图6是浮体模块之间达到最近距离以及此时连接重块距离浮体模块平面的距离h
max
，此时连接重块距离水底留有一定的距离h1，能够保证连接重块对浮体模块回复力的连续性，避免张力突变。图7是浮体模块之间达到最远距离以及此时连接重块距离浮体模块平面的距离h
min
，设置此距离是为了防止连接链缆拉平，产生较大的预张力。本实施中，浮体模块之间的初始距离a(平衡位置)是已知的输入条件，是考虑的浮体模块的布置要求；最小距离是考虑避免碰撞和避免连接重块触底；最大距离是验证浮体模块之间的电缆安装需求(超出运动范围，电缆会被拉断)。
[0051]
其设计过程具体如下：
[0052]
(1)交叉的连接链缆水平面投影角度一般取60
°
～150
°
，本实施例取90
°
；
[0053]
(2)连接重块的重量以满足回复力的要求和限位要求为目的，一般取所连接两个模块总重量的5％～15％，本实施例取10％，即g＝10t。
[0054]
(3)连接重块位于浮体模块平面下的初始距离h0和连接缆绳的长度l由
得出，本实施例中h0＝5.48m，l＝21.91m。
[0055]
(4)弹性缆与连接重块连接段的长度l1一般取1～5m，弹性缆与浮体模块连接段的长度l2一般取1～5m，主要是起到释放弯矩的作用，本实施例l1取2m，l2取2m，因此中间弹性复合材料长度l3＝l-l1-l2＝17.91m。
[0056]
步骤c、整体模态分析：对上述系泊系统-浮体模块-连接链缆-连接重块这一多自由度系统进行整体模态分析，根据模态分析的结果适当调整系泊链缆刚度、长度及连接重块重量等参数，确保整体系统的主要模态频率能够避开作业海区的主要波浪频率范围。
[0057]
步骤d、整体时域耦合分析：根据作业海况风浪流等环境信息对整体耦合系统进行时域数值模拟。结合弹性缆及连接链缆轴向拉力、浮体模块六自由度运动幅值、连接重块垂向运动幅值以及连接链缆与水平面夹角等时域信息，对方案设计中各参数进行迭代修改和优化设计。
[0058]
实施例3、本实施例提出一种基于多浮体模块重力式交叉连接装置的安装方法，如图8至图9所示，连接装置的海上安装方式采用与浮体模块、外围系泊同时安装的方法，仅用到小型船舶，过程简单、海况适应性好、成本低。四根连接链缆在陆地或船上完成与连接重块的连接，采用小型船舶运输连接重块和单侧连接好的四根连接链缆运至两浮体模块之间，通过引绳将四根连接链缆的另一端拉至两个浮体模块的四个连接柱处，实现连接，然后将连接重块吊入或滑入水中。具体包括以下步骤：
[0059]
步骤a’、进行安装前的准备工作；将4根连接链缆分别连接到连接重块上，然后将连接重块吊装到驳船上；
[0060]
步骤b’、将驳船驶向多个浮体模块之间的指定位置，将连接链缆安装到多个浮体模块上；连接链缆的一端已经和连接重块相连，将另一端抛到浮体模块上，浮体模块上有专门等待安装的工人，通过引绳将四根连接链缆的另一端拉至浮体模块的四个连接柱处，实现连接；
[0061]
步骤c’、当4根连接链缆全部固定在浮体模块上以后，把连接重块卸下，可以直接从驳船上滑入或者用吊机吊入水中。
[0062]
步骤d’、将连接重块卸下以后，驳船驶离，两个浮体模块最外围各有两条系泊锚链。如果两个浮体模块在连接重块的调节下，相距过近。则浮体模块最外围的系泊锚链则会拉紧，使浮体模块回到合适的位置。安装重物之前，两个浮体模块之间要保持合理的初始相对距离，在连接重块和连接链缆的约束下而不相互碰撞。
[0063]
图10为本发明实施例的拓展场景图，四个模块的场景需要4个连接重块相连，所以本实施例可以依照此扩展到m
×
n陈列的模式。
[0064]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种多浮体模块重力式交叉连接装置，其特征在于，包括连接重块(1)和连接链缆(2)，连接重块(1)通过连接链缆(2)与多个浮体模块相连，且连接链缆(2)呈交叉式连接方式；所述连接重块(1)上设置有多个吊环(11)，用于与连接链缆(2)固定连接，所述连接链缆(2)的两端为锚链(21)，中间为弹性缆(22)，两端锚链(21)与中间弹性缆(22)固定连接。2.根据权利要求1所述多浮体模块重力式交叉连接装置，其特征在于：所述弹性缆(22)采用高弹性复合材料，高弹性复合材料包括聚酯缆、尼龙。3.根据权利要求1所述的多浮体模块重力式交叉连接装置，其特征在于：所述连接重块(1)采用钢筋混凝土预制、钢铁、内加石块的钢笼或者铸铁。4.根据权利要求1所述的多浮体模块重力式交叉连接装置，其特征在于：所述连接重块(1)的形状为带孔或不带孔的垂荡板形式。5.基于权利要求1所述的多浮体模块重力式交叉连接装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、确定连接重块重量：连接重块的重量取所连接的两个浮体模块总重量的5％～15％；步骤b、确定连接链缆交叉连接角度：交叉的连接链缆的水平面投影角度为60
°
～150
°
；步骤c、确定连接重块位于浮体模块平面下的初始距离h0以及连接链缆的长度l：以及连接链缆的长度l：其中，h0为初始距离，g为连接重块的重量，a为两浮体模块之间的水平距离，b为角立柱间距，c为浮体模块的甲板悬臂跨度，f为连接链缆的预张力。6.根据权利要求5所述的多浮体模块重力式交叉连接装置的设计方法，其特征在于：所述步骤c中确定连接链缆两端锚链的长度，根据连接链缆的长度l进而得到中间弹性缆的长度，所述锚链的长度取1-5m。7.根据权利要求1所述的多浮体模块重力式交叉连接装置的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a’、进行安装前的准备工作；将4根连接链缆分别连接到连接重块上，然后将连接重块吊装到驳船上；步骤b’、将驳船驶向多个浮体模块之间的指定位置，将连接链缆安装到多个浮体模块上；步骤c’、当4根连接链缆全部固定在浮体模块上以后，把连接重块卸下，直接从驳船上滑入或者用吊机吊入水中；步骤d’、将连接重块卸下以后，驳船驶离，两个浮体模块最外围各有两条系泊锚链。8.根据权利要求7所述的多浮体模块重力式交叉连接装置的安装方法，其特征在于，所述步骤d’中，如果两个浮体模块在连接重块的调节下，相距过近，则浮体模块最外围的系泊锚链则会拉紧，使浮体模块回到合适的位置。
9.根据权利要求7所述的多浮体模块重力式交叉连接装置的安装方法，其特征在于，所述步骤a’中，在安装连接重物之前，两个浮体模块之间保持合理的初始相对距离，在连接重块和连接链缆的约束下而不相互碰撞。

技术总结
本发明公开一种多浮体模块重力式交叉连接装置及其设计与安装方法，所述连接装置包括连接重块和连接链缆，连接重块通过连接链缆与多个浮体模块相连，且连接链缆呈交叉式连接方式，依靠连接重块的重力来提供浮体模块之间的连接作用力，实现多个浮体模块之间的相互连接，并保持浮体模块之间有合理的相对距离以避免碰撞，同时对其设计过程进行分析验证，结合对应的海上安装方法，实现多浮体模块的可靠连接。本方案设计克服传统思维限制，为浮式光伏多浮体模块间的相互连接、深远海浮式养殖装置的相互连接提供有效解决方案，具有广泛的实际应用价值和推广价值。应用价值和推广价值。应用价值和推广价值。


技术研发人员：王俊荣 何春蕾 曹航语 孙培瑜 王树青 杜君峰 徐琨 常安腾
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2022.11.24
技术公布日：2023/3/14