一种近海工程船舶运动的减缓装置和减缓方法与流程

1.本发明涉及一种近海工程船舶运动的减缓装置和减缓方法。


背景技术：

2.随着我国水运行业以及海上风电的发展，港口、码头、防波堤以及海上风电场等工程建设需要逐渐走向外海，工程船舶在外海容易受到长周期涌浪的影响产生较大的六自由度运动，导致施工困难。针对船舶运动的减缓方法，船舶领域已开展了数十年的研究，但很多具体的措施主要以方形系数较小的船舶为应用对象，如减摇鳍、横摇调节水舱等，对于大方形系数的工程船舶来说并不适用。
3.针对工程船舶，通常采用在船体两侧加装垂荡板的方式进行减摇，垂荡板与水相互作用产生阻尼，耗散船舶运动的动能，从而减小船舶的运动响应。然而，由于水的密度和粘性较小，若要实现工程船舶的减摇，则所需垂荡板的尺度较大，且数量较多，此时垂荡板的安装和使用都会变得较为困难。与海水相比，海底淤泥具有较大的密度和粘性，若将现有的工程船舶的减摇装置插入淤泥中，通过减摇装置与淤泥的相互作用，可大大降低工程船舶的运动响应。然而目前并没有将插入海底淤泥进行船舶减摇的装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种近海工程船舶运动的减缓装置和减缓方法，它能更加有效地减缓工程船舶的运动，提升近海工程船舶的作业性能。
5.实现本发明的目的的一种技术方案是：一种近海工程船舶运动的动减缓装置，包括两个穿过靠近船艉的船体两侧并插入海床的定位桩，其中，
6.每根定位桩包括桩腿、升降驱动机构和桩靴；
7.所述桩腿为圆柱形且桩腿的外表面上对称地固定两根齿条；桩腿的下端设有桩腿法兰，该桩腿法兰为带颈法兰，且在颈部的外周面上均布地设置四条限位凸缘；
8.所述升降驱动机构安装在所述船体上并包括一对驱动电机和一对齿轮；一对驱动电机反方向转动且对称地安装在桩腿的前方两侧或后方两侧；一对齿轮一一对应地安装在一对驱动电机的输出轴上并一一对应地与所述桩腿上的两根齿条啮合；
9.所述桩靴的顶部设有桩靴法兰，该桩靴的顶面中央开设一容纳所述桩腿法兰的颈部的安装槽，且在安装槽的壁面上均布地开设四个与桩腿法兰上的四条限位凸缘一一对应的限位槽，通过螺栓将桩靴法兰与所述桩腿法兰连接，使桩靴与桩腿连成一体。
10.上述的近海工程船舶运动的减缓装置，其中，所述桩靴的一种结构包括上部呈圆柱形、下部呈圆锥形的桩靴本体和数量是三的倍数且最多为十二根的桩靴插棒；在桩靴本体的上部外周面上并在同一个水平面上均布地径向开设六个螺纹插孔；所述桩靴插棒包括一段与所述桩靴本体上的螺纹插孔啮合连接的螺纹杆和一段同轴连接在螺纹杆的后端且直径大于螺纹杆的圆柱体，该圆柱体的后端面上同轴地开设一个长度与所述螺纹杆的长度适配的螺纹盲孔；三根桩靴插棒间隔地插置在所述桩靴本体的三个螺纹插孔中；或者，六根
桩靴插棒一一对应地插置在所述桩靴本体的六个螺纹插孔中；或者，九根桩靴插棒中的六根桩靴插棒一一对应地插置在所述桩靴本体的六个螺纹插孔中，另外三根桩靴插棒间隔地插在已插在桩靴本体上的三根桩靴插棒后端的螺纹盲孔中；或者，十二根桩靴插棒中的六根桩靴插棒一一对应地插置在所述桩靴本体的六个螺纹插孔中，另外六根桩靴插棒一一对应地插在已插在桩靴本体上的六根桩靴插棒后端的螺纹盲孔中；
11.所述桩靴的另一种结构只有呈平底圆柱形的桩靴本体。
12.实现本发明的目的的另一种技术方案是：一种近海工程船舶运动的减缓方法，基于本发明的近海工程船舶运动的减缓装置，并包括以下步骤：
13.步骤一，对施工海域的环境条件进行收集，环境条件主要包括波浪数据、水深参数以及地质参数；所述地质参数包括淤泥层的厚度和土壤特性；
14.步骤二，先采用水动力性能计算软件对工程船舶进行建模，再根据收集得到的波浪数据，在水动力性能计算软件中计算得到工程船舶可能出现的最大运动响应；
15.步骤三，根据工程船舶可能出现的最大运动响应、施工水域的水深、淤泥层的厚度以及土壤特性，对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深；然后将最佳的桩靴组装到桩腿上，最后通过定位桩升降机构将定位桩的插深调节至计算所需的深度；
16.步骤四，在工程船舶上安装波浪数据采集装置、测深仪以及六自由度运动响应采集装置，实时采集波浪数据、水深以及船舶的六自由度运动响应数据；
17.步骤五，当采集到的波浪数据、水深以及船舶的六自由度运动响应数据与步骤一收集到的数据明显变化时，重复步骤三，再次对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深；接着将最佳的桩靴组装到桩腿上，再通过升降驱动机构将定位桩的插深调节至计算出的深度。
18.上述的近海工程船舶运动的减缓方法，其中，进行步骤三时，是基于有定位桩时船舶的横摇运动响应方程式(1)对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深：
[0019][0020]
式(1)中，i
xx
为船舶的转动惯量和附连水转动惯量的叠加，与船舶的重心高度、船舶的排水量以及船舶的重量分布有关，采用以下公式(2)计算：
[0021][0022]
公式(2)中，δ为船舶的排水量；g为重力加速度；b为船舶的船宽；
[0023]
式(1)中，为船舶横摇角；为船舶横摇角速度；为船舶横摇角加速度，采用以下公式(3)计算：
[0024][0025]
公式(3)中，为船舶横摇的幅值；ω为船舶横摇的频率；
[0026]
式(1)中，b1为船舶的横摇阻尼，与船体形状有关，采用以下经验公式(4)计算：
[0027][0028]
式(1)中，b2为定位桩的阻尼系数，采用以下公式(5)计算：
[0029][0030]
式(1)中，δ为船舶的排水量，通过在水动力计算软件中建立船体模型，并确定船舶吃水之后通过计算得到；
[0031]
式(1)中，gm为船舶的初稳性高度，通过在水动力计算软件中建立船体模型，并确定船舶吃水之后通过计算得到；
[0032]
式(1)中，为由波浪载荷引起的横摇力矩，与波浪周期和波高有关，通过在水动力计算软件中建立船体模型，输入波浪周期和波高后计算得到；
[0033]
将公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)代入式(1)得到船舶横摇的幅值和船舶横摇的频率ω；
[0034]
定位桩插入海底淤泥后，定位桩的入泥部分与海底淤泥相互摩擦产生阻尼，海底淤泥对定位桩的阻力fd通过以下公式(6)计算：
[0035][0036]
公式(6)中，cd为土体阻力对应的阻力系数，与海底淤泥的特性有关；ρ为土体的饱和密度；as为定位桩与海底淤泥的接触面积，即为桩靴竖直向下的投影面积，与定位桩的桩靴的结构形状、定位桩的桩靴插棒的数量有关；在船舶坐标系中，以船舶的重心位置为原点，沿船长方向指向船艏为x轴的正方向，沿船宽方向指向左舷为y轴的正方向，沿吃水方向向上为z轴的正方向。l为定位桩的底部中心到x轴的距离，与定位桩的安装位置、水深和定位桩的入泥深度有关；
[0037]
由于定位桩的阻尼是由定位桩与海底淤泥摩擦产生的，因此得到以下公式(7)：
[0038][0039]
将公式(5)和公式(6)代入公式(7)中，当定位桩与海底淤泥的接触面积as确定时，通过上式计算出定位桩的底部中心到x轴的距离l；
[0040]
最后采用以下公式(8)计算定位桩的插深d：
[0041][0042]
公式(8)中，a
x
为定位桩的底部中心到x轴的距离在y轴方向上的投影长度，与定位桩的安装位置有关；h为海床泥面到船舶重心的竖直距离。
[0043]
本发明的近海工程船舶运动的减缓装置和减缓方法具有以下特点：
[0044]
1、本发明的减缓装置采用的定位桩通过桩腿法兰和桩靴法兰采用螺栓进行连接，可以一个桩腿实现不同桩靴的安装，根据工程船舶施工海域的环境条件不同，可选用不同结构的桩靴，可满足不同海域的施工要求，且操作简便，连接牢靠。
[0045]
2、桩靴插棒与桩靴本体之间、桩靴插棒与桩靴插棒之间通过螺纹连接，这种可拆卸的连接结构可根据实际的地质条件和波浪条件进行桩靴插棒数量的调整，可满足不同海域的作业要求，可大大提升定位桩的适用范围；当工程船舶在波浪作用下产生六自由度运动响应时，定位桩的入泥部分随工程船舶一起运动，定位桩的入泥部分与海底淤泥相互摩
擦产生阻尼，从而能减缓工程船舶的运动。通过调节桩靴插棒的数量，可以改变定位桩的入泥部分与海底淤泥阻尼。当定位桩入泥深度一定时，桩靴插棒的数量越多，越能减缓工程船舶的运动。因此当施工海域的环境条件产生变化时，可通过调节桩靴插棒的数量，对工程船舶的运动响应进行调节，达到减缓船舶运动的目的。
[0046]
3、定位桩随船体的运动而运动时，定位桩的入泥部分将与海底淤泥相互摩擦产生阻尼，从而能消耗工程船舶的动能，进而能减缓工程船舶的运动。而垂荡板等减摇装置只能与水相互作用，水的密度和粘性远小于海底淤泥。因此，若要达到相同的减摇效果，所需定位桩的尺寸和数量都将远小于垂荡板，采用插入海底淤泥中的定位桩来减缓工程船舶的运动将更加有效。
[0047]
4、本发明的近海工程船舶运动的减缓方法，通过实时采集工程船舶作业时的环境条件，并基于船舶的横摇运动响应方程式，计算出定位桩所需的插深，再对定位桩的插深进行调整，不仅有利于提升定位桩的适应性，还能达到最佳的减摇效果。
附图说明
[0048]
图1是本发明的近海工程船舶运动的减缓装置的第一种实施例的侧视图；
[0049]
图2是图1的仰视图；
[0050]
图3a是本发明的近海工程船舶运动的减缓装置中的桩腿的结构示意图；
[0051]
图3b是图3a中的a-a向视图；
[0052]
图4是本发明的近海工程船舶运动的减缓装置中的升降驱动机构的结构示意图；
[0053]
图5是本发明的第一种桩靴的结构示意图；
[0054]
图6是图1中p部位的放大图；
[0055]
图7a是本发明的第一种桩靴的桩靴本体与桩靴插棒的第一种组合型式的结构示意图；
[0056]
图7b是本发明的第一种桩靴的桩靴本体与桩靴插棒的第二种组合型式的结构示意图；
[0057]
图7c是本发明的第一种桩靴的桩靴本体与桩靴插棒的第三种组合型式的结构示意图；
[0058]
图7d是本发明的第一种桩靴的桩靴本体与桩靴插棒的第四种组合型式的结构示意图；
[0059]
图8是本发明的近海工程船舶运动的减缓装置的第二种实施例的侧视图；
[0060]
图9是图8的仰视图；
[0061]
图10是没有定位桩情况下工程船舶在波浪入射角为30
°
的条件下船舶的横摇运动响应示意图；
[0062]
图11是具有六根桩靴插棒的定位桩且插深为8.2m的情况下工程船舶在波浪入射角为30
°
的条件下船舶的横摇运动响应示意图。
具体实施方式
[0063]
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0064]
请参阅图1至图9，本发明的近海工程船舶运动的减缓装置，包括两个穿过靠近船
艉的船体100两侧并插入海床的定位桩。
[0065]
每根定位桩包括桩腿1、升降驱动机构2和桩靴3；
[0066]
桩腿1为圆柱形，且桩腿1的外表面上对称地固定两根齿条11，齿条11的上端与桩腿1的上端齐平，齿条11的下端至桩腿1的顶部之间的距离为桩腿1长度的4/5；桩腿1的下端设有桩腿法兰12，该桩腿法兰12为带颈法兰，桩腿法兰12的边缘均布地开设四个法兰螺栓孔13，且在桩腿法兰12的颈部的外周面上均布地设置四条限位凸缘14(见图3a和图3b)；
[0067]
升降驱动机构2安装在船体100上并包括一对驱动电机21和一对齿轮22；一对驱动电机23反方向转动且对称地安装在桩腿1的前方两侧或后方两侧，一对齿轮22一一对应地安装在一对驱动电机23的输出轴上并一一对应地与桩腿1上的两根齿条11啮合(见图4)；
[0068]
桩靴3有两种结构。
[0069]
桩靴的一种结构包括桩靴本体3a和数量是三的倍数且最多为十二根的桩靴插棒3b；其中，
[0070]
桩靴本体3a的上部呈圆柱形、下部呈圆锥形，在桩靴本体3a的上部外周面上并在同一个水平面上均布地径向开设六个螺纹插孔(见图5)；桩靴本体3a的顶部设有桩靴法兰30，该桩靴本体3a的顶面中央开设一容纳桩腿法兰12的颈部的安装槽31，且在安装槽31的壁面上均布地开设四个与桩腿法兰12上的四条限位凸缘14一一对应的限位槽32，用于桩腿1与桩靴本体3a连接时的限位，防止桩腿1与桩靴本体3a之间相对转动；桩靴法兰30的边缘也均布地开设四个法兰螺栓孔13，通过四个螺栓4将桩靴法兰31与桩腿法兰12连接，使桩靴本体3a与桩腿1连成一体。每个螺栓4的两头均安装有螺栓垫片41，防止在作业过程中螺栓4松动；螺栓4与法兰螺栓孔13之间设有橡胶垫42(见图6)，橡胶垫42的存在使得螺栓4与桩腿1和桩靴本体3a之间的连接更加紧密，同时，降低了螺栓4与桩腿1和桩靴本体3a之间的硬摩擦，提高了螺栓4的使用寿命，使得定位桩的安全性能得到提高；
[0071]
桩靴插棒3b包括一段与桩靴本体3a上的螺纹插孔啮合连接的螺纹杆33和一段同轴连接在螺纹杆33的后端且直径大于螺纹杆33的圆柱体34，该圆柱体34的后端面上同轴地开设一个长度与螺纹杆33的长度适配的螺纹盲孔；三根桩靴插棒3b间隔地插置在桩靴本体3a的三个螺纹插孔中(见图7a)；或者，六根桩靴插棒3b一一对应地插置在桩靴本体3a的六个螺纹插孔中(见图7b)；或者，九根桩靴插棒中的六根桩靴插棒3b一一对应地插置在桩靴本体3a的六个螺纹插孔中，另外三根桩靴插棒3b间隔地插在已插在桩靴本体3a上的三根桩靴插棒3a后端的螺纹盲孔中(见图7c)；或者，十二根桩靴插棒中的六根桩靴插棒3b一一对应地插置在桩靴本体3a的六个螺纹插孔中，另外六根桩靴插棒3b一一对应地插在已插在桩靴本体3a上的六根桩靴插棒3b后端的螺纹盲孔中(见图7d)。桩靴插棒3b与桩靴本体3a之间、桩靴插棒3b与桩靴插棒3b之间安装有橡胶垫片35，用于防止工程船舶在作业过程中桩靴插棒3b松动。
[0072]
桩靴3的另一种结构只有呈平底圆柱形的桩靴本体(见图8和图9)，该桩靴3的顶部设有桩靴法兰30，该桩靴3的顶面中央开设一容纳桩腿法兰12的颈部的安装槽31，且在安装槽31的壁面上均布地开设四个与桩腿法兰12上的四条限位凸缘14一一对应的限位槽32，用于桩腿1与桩靴3连接时的限位，防止桩腿1与桩靴3之间相对转动；桩靴法兰30的边缘也均布地开设四个法兰螺栓孔13，通过四个螺栓4将桩靴法兰31与桩腿法兰12连接，使桩靴3与桩腿1连成一体。螺栓4的两头安装有螺栓垫片41，防止在作业过程中螺栓4松动，螺栓4周围
设置有橡胶垫42，橡胶垫42的存在使得螺栓4与桩腿1和桩靴3之间的连接更加紧密，同时，降低了螺栓4与桩腿1和桩靴3之间的硬摩擦，提高了螺栓4的使用寿命，使得定位桩的安全性能得到提高。
[0073]
目前的船舶定位桩的桩靴是不可替换的，无法根据环境条件的改变进行调整，因此适应性较低。本发明在此基础上进行了改进，提出了一种可替换桩靴的定位桩作为工程船舶运动的减缓装置。
[0074]
本发明的近海工程船舶运动的减缓方法，基于本发明的近海工程船舶运动的减缓装置。
[0075]
本发明的近海工程船舶运动的减缓方法，包括以下步骤：
[0076]
步骤一，对施工海域的环境条件进行收集，环境条件主要包括波浪数据、水深参数以及地质参数；地质参数包括淤泥层的厚度和土壤特性；
[0077]
步骤二，先采用水动力性能计算软件对工程船舶进行建模，再根据收集得到的波浪数据，利用水动力性能计算软件计算得到工程船舶可能出现的最大运动响应；
[0078]
步骤三，根据工程船舶可能出现的最大运动响应、施工水域的水深、淤泥层的厚度以及土壤特性，并基于有定位桩时船舶的横摇运动响应方程式(1)对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深；
[0079][0080]
式(1)中，i
xx
为船舶的转动惯量和附连水转动惯量的叠加，与船舶的重心高度、船舶的排水量以及船舶的重量分布有关，采用以下公式(2)计算：
[0081][0082]
公式(2)中，δ为船舶的排水量；g为重力加速度；b为船舶的船宽；
[0083]
式(1)中，为船舶横摇角；为船舶横摇角速度；为船舶横摇角加速度，采用以下公式(3)计算：
[0084][0085]
式(3)中，为船舶横摇的幅值；ω为船舶横摇的频率；
[0086]
式(1)中，b1为船舶的横摇阻尼，与船体形状有关，采用以下经验公式(4)计算：
[0087][0088]
公式(1)中，b2为定位桩的阻尼系数，采用以下公式(5)计算：
[0089][0090]
式(1)中，δ为船舶的排水量，通过在水动力计算软件中建立船体模型，并确定船舶吃水之后通过计算得到；
[0091]
式(1)中，gm为船舶的初稳性高度，通过在水动力计算软件中建立船体模型，并确定船舶吃水之后通过计算得到；
[0092]
公式(1)中，为由波浪载荷引起的横摇力矩，与波浪周期和波高有关，通过在水
动力计算软件中建立船体模型，输入波浪周期和波高后计算得到有定位桩时船舶的横摇运动响应；
[0093]
将公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)代入公式(1)得到船舶横摇的幅值和船舶横摇的频率ω；
[0094]
定位桩插入海底淤泥后，定位桩的入泥部分与海底淤泥相互摩擦产生阻尼，海底淤泥对定位桩的阻力fd通过以下公式(6)计算：
[0095][0096]
公式(6)中，cd为土体阻力对应的阻力系数，与海底淤泥的特性有关；ρ为土体的饱和密度；as为定位桩与海底淤泥的接触面积，即为桩靴竖直向下的投影面积，与定位桩的桩靴的结构形状、定位桩的桩靴插棒的数量有关；在船舶坐标系中，以船舶的重心位置为原点，沿船长方向指向船艏为x轴的正方向，沿船宽方向指向左舷为y轴的正方向，沿吃水方向向上为z轴的正方向，l为定位桩的底部中心到x轴的距离，与定位桩的安装位置、水深和定位桩的入泥深度有关；
[0097]
由于定位桩的阻尼是由定位桩与海底淤泥摩擦产生的，因此得到以下公式(7)：
[0098][0099]
将公式(5)和公式(6)代入公式(7)中，当定位桩与海底淤泥的接触面积as确定时，通过上式计算出定位桩的底部中心到x轴的距离l；
[0100]
最后采用以下公式(8)计算定位桩的插深d：
[0101][0102]
公式(8)中，a
x
为定位桩的底部中心到x轴的距离在y轴方向(船宽方向)上的投影长度，与定位桩的安装位置有关；h为海床泥面到船舶重心的竖直距离；
[0103]
接着将最佳的桩靴组装到桩腿上，再通过定位桩升降机构将定位桩的插深调节至计算所需的深度；
[0104]
步骤三，在工程船舶上安装波浪数据采集装置、测深仪以及六自由度运动响应采集装置，实时采集波浪数据、水深以及船舶的六自由度运动响应数据；
[0105]
步骤四，当采集到的波浪数据、水深以及船舶的六自由度运动响应数据与步骤一收集到的数据明显变化时，重复步骤三，再次对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深；接着将最佳的桩靴组装到桩腿上，再通过升降驱动机构将定位桩的插深调节至计算出的深度。
[0106]
下面以某118米打桩船为例对发明的近海工程船舶的运动减缓方法进行说明，该打桩船的船长为96m，船宽为40.5m，型深为7.8m，吃水为4.3m，重心高度为9.3m。
[0107]
本发明的近海工程船舶的运动减缓方法，包括以下步骤：
[0108]
步骤一，收集到施工海域的有义波高为1.5m，波浪平均周期为7s，平均水深为30m；海底淤泥的各土层分布以及土壤特性参数如下表：
[0109][0110]
步骤二，先采用水动力性能计算软件对工程船舶进行建模，由于工程船舶作业时横摇的运动响应最危险，该工程船舶在施工时最不利的条件是波浪入射角为30
°
，因此在水动力计算软件中输入波浪条件，计算波浪入射角为30
°
时工程船舶的横摇运动响应，最大横摇角(绝对值)为0.682
°
，见下表1和图10：
[0111]
表1
[0112][0113]
接着根据计算得到的工程船舶可能出现的最大运动响应、施工水域的水深、淤泥层的厚度以及土壤特性，确定定位桩的桩靴是桩靴本体3a和桩靴插棒3b的组合结构，并确定桩靴插棒3b的数量；由于在海上风电施工过程中，打桩船需要满足横摇角(绝对值)不超过0.5
°
，采用两根定位桩对打桩船进行减摇；定位桩的桩靴本体3a和桩靴插棒3b有四种组合形式，即：十二根桩靴插棒3b、九根桩靴插棒3b、六根桩靴插棒3b和三根桩靴插棒3b。这四种组合形式的桩靴竖直向下的投影面积是不同的。在船舶坐标系中，以船舶的重心位置为原点，沿船长方向指向船艏为x轴正方向，沿船宽方向指向左舷为y轴正方向，沿吃水方向向上为z轴正方向；由于定位桩的安装位置是固定的，因此定位桩的底部中心到x轴的距离在y轴方向的投影长度ax为10m；测得施工区域的水深为30m，泥面到重心的竖直距离h等于水深加上重心高度再减去吃水，通过计算得到定位桩的底部中心到x轴的距离l，因此对四种组合形式的定位桩的所需插深d进行计算，计算结果见下表2：
[0114]
表2
[0115]
[0116][0117]
此时四种组合形状的桩靴在对应的定位桩的插深d下均能满足横摇角不超过0.5
°
，但是仍有区别。由于工程船舶在作业时运动相应越小越好，因此计算出四种组合形式的桩靴对应的横摇角(绝对值)不大于0.4
°
的概率，计算结果如下表3和图11所示：
[0118]
表3
[0119][0120]
由上表看出，在桩靴插棒的数量为六根，定位桩的插深d＝8.2m的情况下，工程船舶在波浪入射角为30
°
时的横摇角不大于0.40
°
的概率最高，为0.846，因此定位桩的桩靴选用六根桩靴插棒的组合型式为最佳，定位桩的入泥深度d为8.2m。
[0121]
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

技术特征：
1.一种近海工程船舶运动的动减缓装置，包括两个穿过靠近船艉的船体两侧并插入海床的定位桩，其特征在于，每根定位桩包括桩腿、升降驱动机构和桩靴；所述桩腿为圆柱形且桩腿的外表面上对称地固定两根齿条；桩腿的下端设有桩腿法兰，该桩腿法兰为带颈法兰，且在颈部的外周面上均布地设置四条限位凸缘；所述升降驱动机构安装在所述船体上并包括一对驱动电机和一对齿轮；一对驱动电机反方向转动且对称地安装在桩腿的前方两侧或后方两侧；一对齿轮一一对应地安装在一对驱动电机的输出轴上并一一对应地与所述桩腿上的两根齿条啮合；所述桩靴的顶部设有桩靴法兰，该桩靴的顶面中央开设一容纳所述桩腿法兰的颈部的安装槽，且在安装槽的壁面上均布地开设四个与桩腿法兰上的四条限位凸缘一一对应的限位槽，通过螺栓将桩靴法兰与所述桩腿法兰连接，使桩靴与桩腿连成一体。2.根据权利要求1所述的近海工程船舶运动的减缓装置，其特征在于，所述桩靴的一种结构包括上部呈圆柱形、下部呈圆锥形的桩靴本体和数量是三的倍数且最多为十二根的桩靴插棒；在桩靴本体的上部外周面上并在同一个水平面上均布地径向开设六个螺纹插孔；所述桩靴插棒包括一段与所述桩靴本体上的螺纹插孔啮合连接的螺纹杆和一段同轴连接在螺纹杆的后端且直径大于螺纹杆的圆柱体，该圆柱体的后端面上同轴地开设一个长度与所述螺纹杆的长度适配的螺纹盲孔；三根桩靴插棒间隔地插置在所述桩靴本体的三个螺纹插孔中；或者，六根桩靴插棒一一对应地插置在所述桩靴本体的六个螺纹插孔中；或者，九根桩靴插棒中的六根桩靴插棒一一对应地插置在所述桩靴本体的六个螺纹插孔中，另外三根桩靴插棒间隔地插在已插在桩靴本体上的三根桩靴插棒后端的螺纹盲孔中；或者，十二根桩靴插棒中的六根桩靴插棒一一对应地插置在所述桩靴本体的六个螺纹插孔中，另外六根桩靴插棒一一对应地插在已插在桩靴本体上的六根桩靴插棒后端的螺纹盲孔中；所述桩靴的另一种结构只有呈平底圆柱形的桩靴本体。3.一种近海工程船舶运动的减缓方法，基于如权利要求1所述的近海工程船舶运动的减缓装置，其特征在于，所述减缓方法包括以下步骤：步骤一，对施工海域的环境条件进行收集，环境条件主要包括波浪数据、水深参数以及地质参数；所述地质参数包括淤泥层的厚度和土壤特性；步骤二，先采用水动力性能计算软件对工程船舶进行建模，再根据收集得到的波浪数据，在水动力性能计算软件中计算得到工程船舶可能出现的最大运动响应；步骤三，根据工程船舶可能出现的最大运动响应、施工水域的水深、淤泥层的厚度以及土壤特性，对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深；然后将最佳的桩靴组装到桩腿上，最后通过定位桩升降机构将定位桩的插深调节至计算所需的深度；步骤四，在工程船舶上安装波浪数据采集装置、测深仪以及六自由度运动响应采集装置，实时采集波浪数据、水深以及船舶的六自由度运动响应数据；步骤五，当采集到的波浪数据、水深以及船舶的六自由度运动响应数据与步骤一收集到的数据明显变化时，重复步骤三，再次对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深；接着将最佳的桩靴组装到桩腿上，再通过升降驱动机构将定位桩的插深调节至计算出的深度。4.根据权利要求3所述的近海工程船舶运动的减缓方法，其特征在于，进行步骤三时，
是基于有定位桩时船舶的横摇运动响应方程式(1)对两种结构的桩靴进行选择，并计算具有最佳桩靴的定位桩的插深：式(1)中，i
xx
为船舶的转动惯量和附连水转动惯量的叠加，与船舶的重心高度、船舶的排水量以及船舶的重量分布有关，采用以下公式(2)计算：公式(2)中，δ为船舶的排水量；g为重力加速度；b为船舶的船宽；式(1)中，为船舶横摇角；为船舶横摇角速度；为船舶横摇角加速度，采用以下公式(3)计算：公式(3)中，为船舶横摇的幅值；ω为船舶横摇的频率；式(1)中，b1为船舶的横摇阻尼，与船体形状有关，采用以下经验公式(4)计算：式(1)中，b2为定位桩的阻尼系数，采用以下公式(5)计算：式(1)中，δ为船舶的排水量，通过在水动力计算软件中建立船体模型，并确定船舶吃水之后通过计算得到；式(1)中，gm为船舶的初稳性高度，通过在水动力计算软件中建立船体模型，并确定船舶吃水之后通过计算得到；式(1)中，为由波浪载荷引起的横摇力矩，与波浪周期和波高有关，通过在水动力计算软件中建立船体模型，输入波浪周期和波高后计算得到；将公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)代入式(1)得到船舶横摇的幅值和船舶横摇的频率ω；定位桩插入海底淤泥后，定位桩的入泥部分与海底淤泥相互摩擦产生阻尼，海底淤泥对定位桩的阻力f
d
通过以下公式(6)计算：公式(6)中，c
d
为土体阻力对应的阻力系数，与海底淤泥的特性有关；ρ为土体的饱和密度；a
s
为定位桩与海底淤泥的接触面积，即为桩靴竖直向下的投影面积，与定位桩的桩靴的结构形状、定位桩的桩靴插棒的数量有关；在船舶坐标系中，以船舶的重心位置为原点，沿船长方向指向船艏为x轴的正方向，沿船宽方向指向左舷为y轴的正方向，沿吃水方向向上为z轴的正方向。l为定位桩的底部中心到x轴的距离，与定位桩的安装位置、水深和定位桩的入泥深度有关；由于定位桩的阻尼是由定位桩与海底淤泥摩擦产生的，因此得到以下公式(7)：
将公式(5)和公式(6)代入公式(7)中，当定位桩与海底淤泥的接触面积a
s
确定时，通过上式计算出定位桩的底部中心到x轴的距离l；最后采用以下公式(8)计算定位桩的插深d：公式(8)中，a
x
为定位桩的底部中心到x轴的距离在y轴方向上的投影长度，与定位桩的安装位置有关；h为海床泥面到船舶重心的竖直距离。

技术总结
本发明公开了一种近海工程船舶运动的减缓装置，包括两个穿过靠近船艉的船体两侧并插入海床的定位桩。每根定位桩包括桩腿、升降驱动机构和桩靴；桩腿为圆柱形且外表面上对称地固定两根齿条；桩腿的下端设有桩腿法兰；升降驱动机构包括一对反方向转动的驱动电机和一对一一对应地安装在一对驱动电机的输出轴上并与桩腿上的两根齿条啮合的齿轮；桩靴的顶部设有桩靴法兰且顶面中央开设一容纳桩腿法兰的颈部的安装槽，且在安装槽的壁面上均布地开设四个与桩腿法兰上的四条限位凸缘一一对应的限位槽，通过螺栓将桩靴法兰与桩腿法兰连接，使桩靴与桩腿连成一体。本发明还公开了一种近海工程船舶运动的减缓方法。本发明能更加有效地减缓工程船舶的运动。有效地减缓工程船舶的运动。有效地减缓工程船舶的运动。


技术研发人员：杜宇 高子予
受保护的技术使用者：中交第三航务工程局有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/6/27