一种轻型浮力装置及其结构设计方法、加工工艺

1.本发明属于浮力装置结构优化设计领域，具体涉及一种轻型浮力装置及其结构设计方法、加工工艺。


背景技术：

2.浮力装置是一种漂浮在水面上，并产生浮力的密闭浮体，可随着水潮的涨落而自动升降，因此被普遍应用于浮桥，浮力装置码头等水上项目的建设。随着技术的发展，新型浮力装置采用碳纤维、强韧高分子聚乙烯等材料，并通过吹塑工艺加工制成。这使其质量更轻，提供的浮力更大，并具有良好的抗冲击破坏性，能防止紫外线、海水、化学药剂等侵蚀。
3.此外，在一些移动装置上安装浮力装置，可以实现水上停放、运动、交通等目的。例如水上旋翼机就是在旋翼机的基础上安装浮力装置，使其可以在水面上停放、滑行、起飞及降落；在浮力装置上安装车厢，可在抗洪抢险中发挥作用。此类装置在水上移动时，浮力装置所受的应力较大，因此对浮力装置整体力学性能要求较高。并且由于水具有较强的流动性，因此对浮力装置移动时的稳定性也有较高的要求。
4.通常此类浮力装置的制造工艺多采用手糊成型、气囊加压及橡胶包覆。这种制造工艺虽然简便快捷，但是却难以保证强度要求，并且浮力装置的整体质量较大，导致其承载力较低、不利于装置的轻型化。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种轻型浮力装置及其结构设计方法、加工工艺，通过构建截面母线方程、设计后续校核计算和流体动力学分析，改进并优化了浮力装置的结构；选用聚醚型tpu薄膜和pvc作为浮力装置的主要材料，从而提高了浮力装置的使用性能。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种轻型浮力装置的结构设计方法，包括如下步骤：
8.步骤1，构建所述轻型浮力装置对应的截面母线方程，得到各个截面处的形线截面，形成轴向截面坐标点集，将轴向截面坐标点集进行构型验证，得到设计的轻型浮力装置结构数据；
9.步骤2，将步骤1所述的结构数据进行整体造型的校核计算，若满足一般性要求，进行静稳定性校核计算，若不满足调整各个截面处的截面母线坐标点位置，再进行整体造型的校核计算，直到满足一般性要求再进行静稳定性校核计算，若静稳定性校核计算满足标准，进行抗风等级校核计算，若不满足调整各个截面处的截面母线坐标点位置，再进行静稳定性校核计算，直到满足标准再进行抗风等级校核计算；
10.步骤3，若抗风等级校核计算满足标准，进行强度校核计算，若不满足调整各个截面处的截面母线坐标点位置，再进行抗风等级校核计算，直到满足标准再进行强度校核计算，若强度校核计算满足标准，进行流体动力学分析，若不满足调整各个截面处的截面母线
坐标点位置，再进行强度校核计算，直到满足标准再进行流体动力学分析，若流体动力学分析满足要求，得到设计的轻型浮力装置结构，若流体动力学分析不满足要求，调整各个截面处的截面母线坐标点位置，再进行流体动力学分析，直到满足要求，得到设计的轻型浮力装置结构。
11.优选的，步骤1所述的截面母线方程如下：
12.其中的参数取值范围如下：
13.y
t1
为390-410mm，y
c1
为160-470mm，r1为20-101mm，x
c1
为140-310mm，y
c2
为130-430mm，x
c2
为110-280mm，r2为117-221mm，a为40-260mm，b为80-480mm，β为23
°‑
27
°
，y
c3
为170-930mm，x
c3
为0、r3为169-923mm，p1t1长度为190-340mm，t1t2长度为200-350mm，x
t3
为110-210mm，x
t4
为80-150mm，y
t4
为0-310mm。
14.优选的，步骤2中当横向稳心高度高于重心时，静稳定性校核计算满足标准；若横向稳心高度等于或低于重心时，再调整各个截面处的截面母线坐标点位置。
15.优选的，步骤2在进行抗风等级校核计算时，先根据风压倾侧力矩、风压与风速的关系式，推导出所述轻型浮力装置的受风面积形心处的风速，然后换算成海拔10米高度处的风速数值，所述风速数值乘以0.6，得到对应的风级，当对应的风级给所述轻型浮力装置一个侧面的力，横向稳心高度高于重心，抗风等级校核计算满足标准。
16.优选的，步骤3在进行流体动力学分析时，先将之前得到的结构数据进行三维建模，并划分网格，然后利用计算流体力学方法模拟所得到的轻型浮力装置在不同流速的流场中的运动情况，最后分析是否满足流体力学和阻力系数要求，若满足要求，流体动力学分析满足要求。
17.一种由上述一项所述的轻型浮力装置的结构设计方法得到的轻型浮力装置。
18.一种上述轻型浮力装置的加工工艺，包括如下步骤：
19.将所述轻型浮力装置对应的外气囊材质选择pvc，采用聚酯缝纫线缝纫制作外气囊上部分的主体架构；采用缝纫结构制作外气囊的下部分；外气囊的隔舱布采用与下部分同样强度的涂覆织物；将外气囊的上部分、下部分和隔舱布采用缝纫连接，完成外气囊的加工；
20.将聚醚型tpu薄膜按照模线样板，裁剪成tpu薄膜样片，并进行除垢处理，得到处理后的薄膜；将处理后的薄膜对折，在热合部位，按照0.2-0.4mpa的热合压力，从中间开始向两边热合焊接成型，直至全部封闭，最后冷却，得到加工完成的内气囊；
21.在内气囊开设第一通孔，在第一通孔处固定橡胶材质的第一连接座，在第一连接座的中心开设与第一通孔形状相同且对齐的第二通孔，在第二通孔中密封空心螺杆，将垫
片安装在第一连接座和空心螺杆的结合处；
22.在外气囊开设与空心螺杆外径相同的第三通孔，在第三通孔处固定橡胶材质的第二连接座，在第二连接座的中心开设与第三通孔形状相同且对齐的第四通孔，在第四通孔中密封具有与空心螺杆配合的内螺纹的空心筒，将空心筒通过第三通孔套设在空心螺杆中，通过螺纹将外气囊和内气囊固定，最后在空心螺杆中安装气门芯，充气后盖上气门嘴帽，完成所述轻型浮力装置的加工。
23.优选的，对折处理后的薄膜在所述的热合压力下热合30-40min。
24.优选的，在外气囊上部分主体结构中增加加强缝纫带。
25.优选的，对外气囊后段下部缝纫结构采用织物保护。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
27.本发明一种轻型浮力装置的结构设计方法，首先构建了轻型浮力装置对应的截面母线方程，这样可以进一步得到各个截面处的形线截面，形成轴向截面坐标点集，之后将轴向截面坐标点集进行构型验证，即可得到设计的轻型浮力装置结构数据，在后续的整体造型的校核计算、静稳定性校核计算、抗风等级校核计算、强度校核计算和流体动力学分析时主体结构没有发生变化，只是当出现不合格时，适当调整各个截面处的截面母线坐标点位置，即可通过校验，改进并优化了浮力装置的结构，不会影响浮力装置的飘浮性能和正常工作，提高了其承载力、有利于浮力装置的轻型化。
28.本发明一种轻型浮力装置的加工工艺，外气囊材质选择pvc，之后可采用聚酯缝纫线缝纫制作外气囊上部分的主体架构，而同时可以采用缝纫结构制作外气囊的下部分，为了保证正常使用，外气囊的隔舱布采用与下部分同样强度的涂覆织物，最后将外气囊的上部分、下部分和隔舱布采用缝纫连接，即可完成外气囊的加工；而对于内气囊，先将聚醚型tpu薄膜按照模线样板裁剪成tpu薄膜样片，进行除垢处理可保证之后热合焊接成型的顺利进行，得到处理后的薄膜，之后将处理后的薄膜对折，在热合部位按照设定的热合压力，从中间开始向两边热合焊接成型，直至全部封闭，最后冷却即可完成内气囊的加工，这样既可通过使用空心螺杆、空心筒，配合内外螺纹和垫片将外气囊和内气囊固定。本发明选用聚醚型tpu薄膜和pvc作为浮力装置的主要材料，从而提高了浮力装置的使用性能。
附图说明
29.图1是本发明所述轻型浮力装置的结构设计流程图。
30.图2是本发明所述轻型浮力装置的加工工艺流程图。
31.图3a是本发明所述轻型浮力装置的主视图。
32.图3b是本发明所述轻型浮力装置的俯视图。
33.图4a是图3a中
ⅰ‑ⅰ
处、
ⅱ‑ⅱ
处、
ⅲ‑ⅲ
处、
ⅳ‑ⅳ
处、
ⅴ‑ⅴ
处和
ⅵ‑ⅵ
处的剖视图。
34.图4b是图3a中
ⅶ‑ⅶ
处的剖视图。
35.图5是图3a中
ⅰ‑ⅰ
处、
ⅱ‑ⅱ
处、
ⅲ‑ⅲ
处、
ⅳ‑ⅳ
处、
ⅴ‑ⅴ
处和
ⅵ‑ⅵ
处对应的截面母线方程。
36.图6是图5对应的曲线和相应的标注。
37.图7是本发明所述内气囊和外气囊的安装过程示意图。
38.图中：1-内气囊、2-外气囊、3-第一连接座、4-第二连接座、5-空心螺杆、6-空心筒
和7-垫片。
具体实施方式
39.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
40.一方面，本发明提供了一种轻型浮力装置的结构设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
41.步骤一，构建浮力装置的结构尺寸；
42.步骤1a，如图3a和图3b所示的浮力装置，其
ⅰ‑ⅰ
处、
ⅱ‑ⅱ
处、
ⅲ‑ⅲ
处、
ⅳ‑ⅳ
处、
ⅴ‑ⅴ
处和
ⅵ‑ⅵ
处的截面如图4a所示，
ⅶ‑ⅶ
处的截面如图4b所示，根据该截面确定相应的截面母线方程，如图5所示，对应的曲线和标注可参见图6。
43.图3a中，
ⅰ‑ⅰ
处和
ⅶ‑ⅶ
处在一个截面，但是两者的高度不同，有重叠的部分，两者相差的高度记为h，
ⅶ‑ⅶ
处低于
ⅰ‑ⅰ
处，两者的结合处形成了带弧面的阶梯。
ⅶ‑ⅶ
处向后不断延伸，底面所在平面斜向上分布，与水平面形成的夹角为θ，在实际设计时，需要确定
ⅶ‑ⅶ
处斜向上的长度和θ的具体值，而
ⅱ‑ⅱ
处、
ⅲ‑ⅲ
处、
ⅳ‑ⅳ
处、
ⅴ‑ⅴ
处和
ⅵ‑ⅵ
处的截面具体尺寸也不同，高度依次降低，底部形成对称的弧面，
ⅵ‑ⅵ
处的前端中心轴向所在纵截面由半径为ra和rb的两段弧线围成，各自对应的高度为ha和hb，图3b中，横截面由半径为rc的半圆弧围成，ⅵ处距离最前端的距离为dc。
44.其中θ设计为5
°‑7°
，具体可为6
°
；ra设计为250-270mm，具体可为260mm，rb设计为200-220mm，具体可为210mm，ha设计为230-250mm，具体可为240mm，hb设计为120-140mm，具体可为130mm；rc设计为440-460mm，具体可为450mm，dc设计为150-170mm，具体可为160mm。
45.图4a和图4b的截面是图5的截面母线方程中参数取不同值得到的结果，即t3t4＝0时为图4a，h＝0时为图4b，其中的 均代表相应弧面的圆心，r1、r2、r3和r4均为对应的圆弧半径，c1、c2x、c2y、c3x和c3y为相应的距离。
46.图5中，t1t2、t2t3、p2t4中的y和x均在对应弧段下取值，相应的符号也是弧形。tg表述的是正切，图6中的b为
ⅵ‑ⅵ
处的截面最大宽度值。
47.需要说明的是，在浮力装置的相关领域，设备的外轮廓或截面轮廓就相当于母线。
48.步骤1b，在图5的截面母线方程中，给h、y
c1
、x
c1
、r1、y
c2
、x
c2
、r2、a、b、β、y
c3
、x
c3
、r3、d、d、b、f、h赋予不同的数值，得到
ⅰ‑ⅰ
、
ⅱ‑ⅱ
、
ⅲ‑ⅲ
、
ⅳ‑ⅳ
、
ⅴ‑ⅴ
、
ⅵ‑ⅵ
和
ⅶ‑ⅶ
处的形线截面，这些形线截面形成轴向截面坐标点集，将这些轴向截面坐标点集输入到工程设计中的计算机辅助工程软件cae中进行构型验证，得到设计的浮力装置的结构数据。
49.h设计为390-410mm，具体可为400mm；y
c1
设计为160-470mm，x
c1
设计为140-310mm，r1设计为20-101mm，y
c2
设计为130-430mm，x
c2
设计为110-280mm，r2设计为117-221mm，a设计为40-260mm，b设计为80-480mm，β设计为23
°‑
27
°
，具体可为25
°
；y
c3
设计为170-930mm，x
c3
为0mm、r3设计为169-923mm，d设计为190-340mm，d设计为200-350mm，b设计为110-210mm，f设计为80-150mm，h设计为0-310mm。
50.步骤二，步骤一所得浮力装置整体造型的校核计算；
51.具体方法为：分别计算浮力装置整体造型的体积肥积系数、长宽比(即图3b中的轴线尺寸与
ⅵ‑ⅵ
处宽度尺寸的比值)、相对高度、从浮力装置头部垂直线到
ⅰ‑ⅰ
处母线截面的
距离、质心、浮力储备系数；
52.以上的浮力装置指标需均满足浮力装置设计的一般性要求，方可进行下一步的校核计算；若不符合浮力装置设计的一般性要求，根据长宽比、相对高度适当调整轴向截面中
ⅰ‑ⅰ
、
ⅱ‑ⅱ
、
ⅲ‑ⅲ
、
ⅳ‑ⅳ
、
ⅴ‑ⅴ
、
ⅵ‑ⅵ
和
ⅶ‑ⅶ
处的截面母线坐标点位置，这样会形成新的轴向截面，这样修正了浮力装置的结构尺寸，再重新校核计算，直到满足为止。
53.步骤三，步骤二所得浮力装置的静稳定性校核计算；
54.浮力装置的静稳定性校核计算的前提是要满足以下两个条件：一，浮力装置的排水体积，二，浮心与断阶前的相对距离。
55.校核计算时依次计算横向稳心半径、纵向稳心半径、重心至浮心的距离、横向稳心高度、纵向稳心高度。对于当横向稳心高度高于重心，满足静稳定性要求；若横向稳心高度等于或低于重心时，调整轴向截面中
ⅰ‑ⅰ
、
ⅱ‑ⅱ
、
ⅲ‑ⅲ
、
ⅳ‑ⅳ
、
ⅴ‑ⅴ
、
ⅵ‑ⅵ
和
ⅶ‑ⅶ
处的截面母线坐标点位置，这样修正了浮力装置的结构尺寸，再重新校核计算，直到满足为止。
56.步骤四，步骤三所得浮力装置的抗风等级校核计算；
57.具体方法为：根据风压倾侧力矩、风压与风速的关系式，推导出浮力装置的受风面积形心处的风速，然后换算成海拔10米高度处的风速数值；由于浮力装置长度小于30米，因此该风速数值需乘以0.6，再查出对应的风级；当对应的风级给浮力装置一个侧面的力，横向稳心高度高于重心，即校验合格；否则需要调整轴向截面中
ⅰ‑ⅰ
、
ⅱ‑ⅱ
、
ⅲ‑ⅲ
、
ⅳ‑ⅳ
、
ⅴ‑ⅴ
、
ⅵ‑ⅵ
和
ⅶ‑ⅶ
处的截面母线坐标点位置，这样修正了浮力装置的结构尺寸，再重新校核计算，直到合格为止。
58.步骤五，步骤四所得浮力装置的强度校核计算；
59.具体方法为：首先对浮力装置所使用的整体水上装置进行拉力分析；然后对浮力装置的滑跑过程进行受力计算，包括浮力装置运行时的推力和浮力装置在其支撑连接点处的受力；最后通过有限元分析浮力装置的应力、应变情况；若浮力装置的变形在3％以内且不影响其正常使用，即强度校核合格；若变形超过3％，调整轴向截面中
ⅰ‑ⅰ
、
ⅱ‑ⅱ
、
ⅲ‑ⅲ
、
ⅳ‑ⅳ
、
ⅴ‑ⅴ
、
ⅵ‑ⅵ
和
ⅶ‑ⅶ
处的截面母线坐标点位置，这样修正了浮力装置的结构尺寸，再重新校核计算，直到强度校核合格为止，从而保证浮力装置的使用性能。
60.步骤六，步骤五所得浮力装置的流体动力学分析。
61.具体方法为：首先将步骤五得到的浮力装置结构尺寸进行三维建模，并划分网格；然后利用计算流体力学方法模拟浮力装置在不同流速的流场中的运动情况；最后分析浮力装置造型是否满足流体力学及阻力系数要求，若满足要求，即浮力装置外形结构校验完成；若不满足要求，调整轴向截面中
ⅰ‑ⅰ
、
ⅱ‑ⅱ
、
ⅲ‑ⅲ
、
ⅳ‑ⅳ
、
ⅴ‑ⅴ
、
ⅵ‑ⅵ
和
ⅶ‑ⅶ
处的截面母线坐标点位置，这样修正了浮力装置的结构尺寸，再重新校核计算。
62.以上的校核计算和分析需全部符合浮力装置设计要求后，即可得到浮力装置外形的最终结构尺寸数据。
63.另一方面，本发明还提供了一种轻型浮力装置的加工工艺，根据已获得的浮力装置外形结构及尺寸，如图2所示，具体进行包括内气囊和外气囊的加工。
64.内气囊的加工方法为：
65.步骤1，根据设计要求选定材质为聚醚型tpu薄膜，保证tpu薄膜无裂纹、气泡、损坏等影响气密的缺陷存在；
66.步骤2，按照模线样板，裁剪tpu薄膜样片，并进行除垢处理，得到处理后的薄膜；
67.步骤3，按照热合刀的宽度和长度设计热合时间、热合压力和冷却时间；
68.热合刀的宽度为5-8cm，长度为20-40cm；热合时间为30-40min，热合压力为0.2-0.4mpa和冷却时间为40-50min。
69.步骤4，气门芯选用轮胎气门芯，这样具有防锈的效果、互换性好；
70.步骤5，对折处理后的薄膜，确定热合部位和气嘴的放置部位，按照设定的热合时间、热合压力，用热合刀从中间开始向两边热合焊接成型，直至全部封闭，最后冷却之前设计的时间；
71.步骤6，内气囊试验：
72.进行外观质量检查、结构尺寸测量、气密性试验和与外气囊的适应性(需待外气囊加工完成后进行)，经过这些项目，不仅进一步验证了得到的内气囊符合设计要求，还验证了组装后的轻型浮力装置符合设计要求。若操作不当出现试验不合格，需要从步骤2开始重新进行，直到试验合格。
73.外气囊的加工方法为：
74.步骤1，根据设计要求选定材质为pvc；
75.步骤2，上部分采用pvc，主体架构采用聚酯缝纫线缝纫制作，并在主体结构中增加加强缝纫带；
76.步骤3，下部分采用pvc，采用缝纫结构制作，在外气囊后段下部缝纫结构需将缝纫结构采用织物保护，防止磨损断线、脱线；
77.步骤4，外气囊的隔舱布采用与下部分同样强度的涂覆织物；
78.步骤5，将外气囊的上部分、下部分和隔舱布采用缝纫连接；
79.步骤6，外气囊试验：
80.进行外观质量检查和结构尺寸测量，进一步验证了得到的外气囊符合设计要求。若操作不当出现试验不合格，需要从步骤2开始重新进行，直到试验合格。
81.步骤7，按照图7所示的过程进行轻型浮力装置的加工。
82.在内气囊1中预先开设第一通孔，之后在第一通孔处固定橡胶材质的第一连接座3，在第一连接座3的中心开设与第一通孔形状相同且对齐的第二通孔，在第二通孔中密封空心螺杆5，即可将垫片7安装在第一连接座3和空心螺杆5的结合处。
83.在外气囊2中预先开设与空心螺杆5的外径相同的第三通孔，之后在第三通孔处固定橡胶材质的第二连接座4，在第二连接座4的中心开设与第三通孔形状相同且对齐的第四通孔，在第四通孔中密封具有内螺纹的空心筒6，该内螺纹与空心螺杆5的外螺纹配合使用，这样即可将空心筒6借助第三通孔套设在空心螺杆5中，通过螺纹将外气囊2和内气囊1固定，在空心螺杆5中安装气门芯，充气后盖上气门嘴帽，最终完成轻型浮力装置的加工。