[发明专利]一种基于仿生学的新型鱼雷锚及其施工方法

说明书

本发明提供了一种基于仿生学的新型鱼雷锚及其施工方法，新型鱼雷锚由锚身、锚杆、锚翼、锚尖和螺旋伸缩机构组成；本发明的锚翼或锚身增设负泊松比材料，利用其受拉膨胀、受压收缩的特性以提高鱼雷锚抗拔承载力；基于鲨鱼皮仿生学原理，优化设计锚身表面结构，减少安装贯入过程中的水流阻力，上拔工作状态时增大锚身与海床土体之间的摩阻力；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，使得内部锚杆向下贯入，实现二次贯入土体，提高锚体抗拔承载力和稳定性。

技术领域

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。Amos Winter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。