一种基于仿生学的新型鱼雷锚及其施工方法与流程

本发明涉及深海系泊基础，尤其涉及一种基于仿生学的新型鱼雷锚及其施工方法。

背景技术：

随着社会经济的发展，我国对油气资源的需求日益增大，为了不断增长的油气能源需求，海洋油气资源的开发逐渐从浅海转向深海。固定式平台由于成本随作业水深的增加而急剧加大，因此一般只适用于浅海，而在深海区域多数采用适用性相对更强的浮式平台。浮式平台依靠自身的浮力来支撑其上部的重量，并通过系泊系统对平台进行锚固定位；系泊系统作为深海浮式结构的组成部分对其作业安全起到至关重要的作用。浮式平台常用的锚固结构包括吸力锚、拖曳锚、法向承力锚、吸力式安装板锚和动力安装锚。其中，鱼雷锚作为动力安装锚的一种与其他锚型相比具有不需要各种辅助装置，安装简单周期短，经济成本低，且安装费用随水深增加影响较小的优势，被广泛认为是一种最具有应用前景的深海锚固基础之一。

仿生学是模仿生物的特殊本领的一门科学，通过了解生物的结构和功能原理，来研制新的机械或新的技术，或解决机械技术的难题。进化压力通常迫使包括动植物在内的生物有机体变得高度优化和高效，因此十分值得人类借鉴。海洋中的速度之王鲨鱼不仅有完美的流线体型，使其游动的阻力减少，同时其皮肤表面的粗糙微结构——三维互锁的肋条结构，可改善流经它的浊流边界层的流体结构和流动状态，对减阻有着很大的贡献。如美国宇航局将类似鲨鱼皮的肋条结构应用于飞行器的表面以减少阻力，使其飞行阻力减少了6.6％。speedo公司研制的“快皮”仿鲨鱼皮泳衣也在2000年奥运会中大放异彩，其面料似鲨鱼皮肤，表面布满齿状凹槽，可使游泳者所受阻力减少4％；双壳贝类如竹蛏已进化出高效、紧凑的水底掘进方法，其向下掘进斧足的同时向上推送壳体，随后横向收缩双壳令血液流入斧足使其充血成“锚状”，最后以斧足为锚点将上方壳体向下拽回完成一个掘进循环。amoswinter等通过模拟竹蛏掘进的原理开发出了一种水底锚固机器人，该机器人采取气动双活塞和楔形机构实现机构的下探和壳体的横向运动，并可在掘进到一定深度后实现自主锚固。

负泊松比材料是材料领域正在进行的一个新兴课题受到学者的广泛关注。普通材料泊松比为正值，在拉伸时出现细颈化现象、压缩时横向体积变大。而负泊松比材料受到拉伸时垂直于拉应力方向会发生膨胀、受到压缩时发生收缩。负泊松比材料和结构主要分为以下四类：天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料。其在抗剪切性，抗压痕性、抗断裂性、曲面同向性、渗透率可变性和能量吸收性能方面具有很大优势，目前负泊松比材料的应用已涉及人工假体、纺织材料、智能传感器、智能过滤器、分子过滤器、防护垫、减震器和隔声器多个领域。

在本发明之前，中国发明专利“一种可加深锚固长度的鱼雷锚”(专利号：zl202010027392.6)，提出了一种通过在锚头处增设旋转刀片，在贯入坚硬土层时启动内部电机带动刀片旋转切割土层，从而增大锚体的贯入深度。中国发明专利“一种液动冲击式鱼雷锚”(专利号：zl201711025452.5)，提出了一种通过在锚身内增设液动冲击器，为鱼雷锚贯入地层提供动力，实现鱼雷锚垂直贯入，提高其抗拔性能及承载力。中国发明专利“一种带环刺鱼雷锚”(专利号：zl201610533751.9)和“装配式环刺鱼雷锚”(专利号：zl201610531458.9)，通过提出了一种在锚身的四周对称设置4条尾翼、锚身内部设置穿刺机构，在锚链拉力作用下促使锚身内的穿刺带动其上的穿刺刺入土体，新增穿刺体上部土压力，提高锚体的抗拔承载力。中国发明专利“一种锚头可张开的新型鱼雷锚及其安装方法”(专利号：zl201710937047.4)，提出了一种通过张开鱼雷锚锚头的锥形板，提高锚体的受力面积，进而提高锚体的抗拔承载力。中国发明专利“一种尾翼可伸长的鱼雷锚”(专利号：zl201810699755.3)和“一种尾翼可局部展开的鱼雷锚”(专利号：zl201810706192.6)，提出了一种通过伸长尾翼或多个尾翼形式，提高锚体与土体的接触面积，进而提高锚体的抗拔承载力。既有方法主要都是从提高锚体与海床土的接触面积方面展开的，亦或需要提供额外的动力源以加强贯入性能，而针对提升锚体在水中的下落速度，增大锚体材料、锚体材料与海床土的界面摩擦系数方面的技术创新仍相对不足；因此，基于仿生学原理，研发一种考虑负泊松比材料和锚杆二次贯入的新型鱼雷锚及其施工方法，显得尤为重要。

技术实现要素：

为了进一步提高传统鱼雷锚的初始安装速度、承载力和稳定性，本发明提出一种基于仿生学的新型鱼雷锚及其施工方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于仿生学的新型鱼雷锚，包括锚身、锚杆、锚翼、锚尖和螺旋伸缩机构。

所述的锚杆位于锚身内部下方，锚尖位于锚杆的顶端，锚翼固定在锚身尾部，螺旋伸缩机构位于锚身内部上方。

所述的锚杆直径为0.75m～1.2m、长为12.5m～15.0m，于顶端至其1/3～1/4处布置螺纹。

所述的锚身，直径为0.8m～1.3m、长为12.5m～15.0m，形状为圆柱形，外表面布置仿鲨鱼皮结构，内部设有挡板以限制连动转子的竖向移动。

所述的螺旋伸缩机构，包括锚固螺杆、导向滑道、径向轴向联合轴承和连动转子。锚固螺杆通过导向滑道从锚身顶部穿出，锚固螺杆顶端设置锚眼与工作锚链相连，外侧布置纵向凹槽。导向滑道内部布置与螺杆凹槽对应的纵向凸起以限制锚固螺杆旋转。所述的连动转子上下两端刚性连接径向轴向联合轴承，分别套于所述锚固螺杆与锚杆之上，转子中间布置支撑杆以加强刚度。

所述的锚翼为2～4个梯形钢板，夹角为90°～180°，板宽为0.5m～1.5m、板长是1/3～2/3的锚长、板厚为0.07m～0.08m，锚翼外部增设负泊松比材料或与仿生鲨鱼皮结构同时穿插使用，其可全贴合于外表面或沿锚身方向水平布置2～5排，每排间距0.05m～0.10m。

所述的仿生鲨鱼皮结构，为三维互锁的肋条结构，厚为0.01m～0.02m。

所述的锚翼表面增设负泊松比材料15，利用其受拉膨胀的特性以提高鱼雷锚抗拔承载力；

所述的锚身表面设计仿鲨鱼皮结构，减少其安装贯入过程中的水流阻力，另外在拉拔时鲨鱼皮结构可张开并裹挟部分土体，增大抗拔阻力；借鉴竹蛏掘地的仿生学原理，在初始贯入完成后通过拉紧工作锚链连动螺旋伸缩机构，使得内部锚杆向下二次贯入土体，提高锚体的稳定性和受力面积。

所述的负泊松比材料，可以为内凹多边形结构、旋转多边形结构、手性结构、穿孔板结构、联锁多边形结构、交错肋结构及鸡蛋架结构的金属材料、fcc晶体、多重泊松比材料、聚氨脂泡沫或聚四氟乙烯复合负泊松比材料，负泊松比材料可以其中的一种或几种的组合，厚度为0.02m～0.03m。

所述的锚尖的形状为椭圆形或者圆锥形，直径为0.75m～1.2m、长为1.5m～5.0m。

一种基于仿生学的新型鱼雷锚的施工方法，包括以下步骤：

第一步：根据设计要求，制备0.01m～0.02m厚的仿生鲨鱼皮结构材料，均布于锚身外表面、在锚翼增设0.02m～0.03m厚内凹六边蜂窝形负泊松比材料。

第二步：将鱼雷锚吊至设计高度后，释放安装锚链，依靠鱼雷锚自身重力自由下落贯入至海床土体中，外表面仿生鲨鱼皮结构会有效减少鱼雷锚在水中所受到的阻力。贯入过程中，锚固螺杆与锚杆处于锚身内部。

第三步：当鱼雷锚安装贯入至1.5～3倍锚长土体深度后，拉紧工作锚链，锚固螺杆由于导向滑道的限制被锚链逐步竖直拉出。

第四步：锚固螺杆伸出过程中，其径向、轴向联合轴承开始旋转，带动与轴承刚性连接的连动转子同步旋转。

第五步：锚杆的径向轴向联合轴承被转子带动旋转，锚杆受其上部螺纹的方向限制，逐步向下伸出，实现二次贯入土体，到达最大行程后停止贯入。

第六步：锚杆二次贯入完成后，鱼雷锚进入工作状态，锚翼处负泊松比材料受拉膨胀、增大受力面积；锚身仿鲨鱼皮结构在拉拔时张开并裹挟部分土体，增大抗拔阻力；锚杆的二次贯入有效增大了鱼雷锚与土体的接触面积，进而提高了鱼雷锚的整体抗拔承载力。

本发明的技术优点在于：运用鲨鱼皮的仿生学原理，设计鱼雷锚外表面，减少贯入过程中的水流阻力获得较大初始贯入速度，同时在拉拔时鲨鱼皮结构可张开并裹挟部分土体，增大抗拔阻力；利用负泊松比材料特性，增强锚翼抗拔承载力；借鉴竹蛏掘地的仿生学原理，设计螺旋伸缩机构，可在初次沉贯完成后，在海床土体中进行二次贯入，不借助额外动力源的条件下提高了鱼雷锚的抗拔承载力和稳定性。

附图说明

图1为本发明内部锚杆伸出前结构示意图；

图2为本发明内部锚杆伸出后结构示意图；

图3为本发明主视图；

图4为鲨鱼表皮肋条结构的示意图；

图中：1-锚尖；2-锚身；3-锚杆；4-锚眼；5-锚翼；6-锚固螺杆；7-纵向凹槽；8-径向轴向联合轴承；9-导向滑道；10-挡板；11-连动转子；12-支撑杆；13-滚珠轴承；14-挡板；15-负泊松比材料；16-仿鲨鱼皮结构。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，详述本发明的具体实施方式：

实施例1：

如图1-4所示，一种基于仿生学的新型鱼雷锚，包括锚身2、锚杆3、锚翼5、锚尖1和螺旋伸缩机构；所述的锚杆3位于锚身2内部下方，锚尖1位于锚杆3的顶端，锚翼5固定在锚身2尾部，螺旋伸缩机构位于锚身2内部上方；

所述的锚杆3直径为0.75m～1.2m、长为12.5m～15.0m，于顶端至其1/3～1/4处布置螺纹；所述的锚身2，直径为0.8m～1.3m、长为12.5m～15.0m，形状为圆柱形，外表面布置仿鲨鱼皮结构16，内部设有挡板14以限制连动转子的竖向移动；所述的仿生鲨鱼皮结构，为三维互锁的肋条结构，厚为0.01m～0.02m；

所述的螺旋伸缩机构，包括锚固螺杆6、导向滑道9、径向轴向联合轴承8和连动转子11；锚固螺杆6通过导向滑道9从锚身顶部穿出，锚固螺杆6顶端设置锚眼4与工作锚链相连，外侧布置纵向凹槽7；导向滑道9内部布置与螺杆凹槽对应的纵向凸起以限制锚固螺杆旋转；所述的连动转子11上下两端刚性连接径向轴向联合轴承8，分别套于所述锚固螺杆6与锚杆3之上，转子中间布置支撑杆12以加强刚度；

所述的锚翼5为2～4个梯形钢板，夹角为90°～180°，板宽为0.5m～1.5m、板长是1/3～2/3的锚长、板厚为0.07m～0.08m，锚翼5外部增设负泊松比材料或与仿生鲨鱼皮结构同时穿插使用，其可全贴合于外表面或沿锚身方向水平布置2～5排，每排间距0.05m～0.10m。

实施例2：

本发明所述的一种基于仿生学的新型鱼雷锚的施工方法，首先，根据设计要求，锚杆3长12.5m～15.0m(本实施例为12.5m)，直径0.75m～1.2m(本实施例为1m)，顶端至下方1/3～1/4(本实施例为4m)设置螺纹。锚身2长12.5m～15.0m(本实施例为13m)，直径0.8m～1.3m(本实施例为1.2m)。锚翼5宽0.5m～1.5m(本实施例为1m)，长为1/3～2/3的锚长(本实施例为7m)，厚0.07m～0.08m(本实施例为0.08m)。锚尖5为椭圆形或者圆锥形(本实施例为圆锥形)，长1.5m～5.0m(本实施例为3.5m)，直径0.75m～1.2m(本实施例为1m)。在锚翼5增设内凹六边蜂窝形负泊松比金属材料，其厚为0.02m～0.03m(本实施例为0.02m)，沿锚身方向水平布置2～5排(本实施例为5排)，每排间距0.05m～0.10m(本实施例为0.05m)。制备仿生鲨鱼皮结构16均布锚身2外表面，其厚为0.01m～0.02m(本实施例为0.01m)。

其次，将鱼雷锚下放至海床上方150m，释放安装锚链，依靠鱼雷锚自身重力自由下落贯入至海床设计深度，外表面仿生鲨鱼皮结构会有效减少水中阻力。贯入过程中，锚杆3与锚固螺杆6处于锚身2内部。

然后，当鱼雷锚贯入至设计海床土体深度后，拉紧工作锚链，锚固螺杆6由于导向滑道9的限制被锚链逐步竖直拉出。

紧接着，锚固螺杆6伸出过程中其径向轴向联合轴承8开始旋转，带动与轴承刚性连接的连动转子11同步旋转。

同时，锚杆3的径向轴向联合轴承8被转子11带动旋转，锚杆3受其上部螺纹的方向限制，逐步向下伸出二次贯入土体，到达最大行程4m后其挡板10卡住，二次贯入完成。

最后，锚杆3二次贯入后鱼雷锚进入工作状态，锚翼5处负泊松比材料15受拉膨胀、增大受力面积；锚身2表面仿鲨鱼皮结构16在拉拔时张开并裹挟部分土体，增大抗拔阻力；同时锚杆3的二次贯入有效增大了鱼雷锚与土体的接触面积，进而提高了鱼雷锚的抗拔承载力。

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