海洋資料浮標(biāo)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問(wèn)題研究

孫 辰，陳志平，寧春林，牟 帥

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061)

0 引言

海洋占地球表面積的71%，蘊(yùn)藏著無(wú)盡的資源，是極具戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。而厄爾尼諾、大海嘯等海洋氣候往往會(huì)在災(zāi)害發(fā)生海域造成多種物理、化學(xué)參數(shù)變化，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)成為重要的海洋研究?jī)?nèi)容。海洋資料浮標(biāo)則是一種搭載了大量觀測(cè)海洋環(huán)境參數(shù)變化傳感器的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以長(zhǎng)期、定點(diǎn)、連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候自動(dòng)觀測(cè)海洋水文氣象，是研究各類海洋物理、化學(xué)及生物的平臺(tái)。為了提高海洋氣候、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量，必須深入研究和設(shè)計(jì)浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)其在惡劣海況下工作的性能。本文在綜述國(guó)內(nèi)外浮標(biāo)設(shè)計(jì)、分析與應(yīng)用研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，著重探討深海資料浮標(biāo)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性分析及軟件仿真等內(nèi)容，也可以為進(jìn)一步研究提供參考。

1 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用狀況

國(guó)外對(duì)于海洋浮標(biāo)的研制可追溯到二十世紀(jì)四十年代末、五十年代初。到了六十年代，美國(guó)在海洋調(diào)查中開始使用海洋浮標(biāo)，直至七十年代中期，浮標(biāo)技術(shù)趨于成熟［1］。近幾年來(lái)，又相繼研發(fā)了多種不同用途的海洋資料浮標(biāo)。2003－2008年美國(guó)緬因大學(xué)［2］、美國(guó)NOAA國(guó)家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心［3］、德州農(nóng)工大學(xué)［4］設(shè)計(jì)了多款針對(duì)不同海況和用途的浮標(biāo)。我國(guó)從二十世紀(jì)六、七十年代開始，開展了一系列錨泊浮標(biāo)的研制工作。近幾年主要由中科院海洋研究所研制了SZF型波浪浮標(biāo)［5］，中科院南海所設(shè)計(jì)了一款海洋光學(xué)浮標(biāo)［6］，海洋一所海氣室自主集成研發(fā)了5000 m深海資料浮標(biāo)—“白龍”［7］。

綜合分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)外浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)性能，海洋資料浮標(biāo)有以下發(fā)展趨勢(shì):(1)搭載更多新型傳感器;(2)數(shù)據(jù)采集通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、高精度化;(3)浮標(biāo)實(shí)時(shí)性及應(yīng)變性更好;(4)浮標(biāo)供能途徑更廣;(5)體積、重量微型化。而要成功實(shí)現(xiàn)這些新功能，必須對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的受力情況做更深入的研究。

1.2 國(guó)內(nèi)外浮標(biāo)結(jié)構(gòu)理論研究狀況

對(duì)于浮標(biāo)理論研究始于美國(guó)H.O.貝托編寫的《BUOY ENGEERING》一書。1997－2000年雅典理工學(xué)院、美國(guó)Woods Hole實(shí)驗(yàn)室等地多位學(xué)者利用理論模擬和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)浮標(biāo)力學(xué)性能進(jìn)行了深入的分析研究［8－9］。

近十年來(lái)，國(guó)外浮標(biāo)相關(guān)領(lǐng)域研究發(fā)展十分迅猛。2002年Leonard J W等對(duì)一個(gè)浮筒及其系泊系統(tǒng)相互作用進(jìn)行了三維耦合分析［10］。2003年Umar A.等對(duì)松散式多點(diǎn)定錨浮標(biāo)錨系進(jìn)行分析［11］。2006年Mikael Eriksson等對(duì)一個(gè)柱狀錨泊浮標(biāo)做全尺度實(shí)驗(yàn)，并做理論分析［12］。2007年Sreeram等在規(guī)則波下對(duì)受約束球形浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況做了深入研究［13］。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)海洋工程領(lǐng)域相關(guān)專家也對(duì)于各類浮標(biāo)問(wèn)題展開了一系列理論及實(shí)驗(yàn)研究。2003年南京理工大學(xué)焦君圣等提出了減少浮標(biāo)橫搖和垂蕩振幅的方法［14］。2006年昆明理工大學(xué)吳家喜等對(duì)浮標(biāo)錨鏈的長(zhǎng)度與受力之間關(guān)系進(jìn)行了理論探索［15］。2009年天津大學(xué)駱寒冰等對(duì)某單錨鏈3 m浮標(biāo)的升沉、橫搖響應(yīng)展開實(shí)驗(yàn)研究［16］。同年上海海洋大學(xué)工程學(xué)院宋秋紅等應(yīng)用Fluent軟件，模擬船形浮標(biāo)體在風(fēng)浪中的受力情況［17］。2010年中國(guó)海樣大學(xué)楊永春教授等對(duì)懸掛儀器系留系統(tǒng)的形狀因子，及各部件的粘性阻力做了研究［18］。同年西北工業(yè)大學(xué)曲少春等提出了提高圓柱形浮標(biāo)穩(wěn)定性的方法［19］。2011年大連理工大學(xué)王興剛等基于勢(shì)流理論，應(yīng)用邊界元方法對(duì)浮標(biāo)水動(dòng)性能參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算［20］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓端峰等在2012年做了深海浮標(biāo)設(shè)計(jì)，并用Hydrostar對(duì)其進(jìn)行RAO響應(yīng)分析［21］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)的理論研究主要集中于以下方面，如表1所示。

表1 浮標(biāo)理論研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)浮標(biāo)理論研究最初采用單純的數(shù)學(xué)建模和方程求解的方法，而對(duì)于大部分工程人員來(lái)說(shuō)難度較大，不易實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，造波池等實(shí)驗(yàn)設(shè)施的不斷完善，對(duì)于浮標(biāo)的研究，可更多的采用仿真軟件結(jié)合模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行。

2 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)仿真及實(shí)驗(yàn)方法

有限元建模仿真相較于傳統(tǒng)建模仿真方法有以下幾點(diǎn)好處:(1)建模更為直觀;(2)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單;(3)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化結(jié)合更為緊密。對(duì)于浮標(biāo)的有限元分析及實(shí)驗(yàn)，總結(jié)主要內(nèi)容及流程如圖1所示。

2.1 浮標(biāo)軟件仿真方法

圖1 有限元分析及實(shí)驗(yàn)主要流程

針對(duì)上文提及的浮標(biāo)及其系泊動(dòng)力學(xué)方面的關(guān)鍵問(wèn)題，提出以下幾種軟件分析方法:(1)模態(tài)及頻域分析法。將海浪作為一種規(guī)則波，采用隨機(jī)譜載荷添加到浮標(biāo)體上，分析浮標(biāo)體的響應(yīng)情況;(2)考慮流體與浮標(biāo)體的邊界面流固耦合。利用FLUENT等流體分析軟件建立浮標(biāo)流域的模型，算出流體部分結(jié)果并作為載荷添加到浮標(biāo)體上，計(jì)算其產(chǎn)生的效果，具體操作流程如圖2所示;(3)運(yùn)用基于勢(shì)流理論的水動(dòng)力軟件分析。相比較于一般的流體分析軟件，這些軟件不考慮流體粘性，計(jì)算量大大減小，計(jì)算效率大為提高。典型水動(dòng)軟件包括AQWA、Hydrostar等;(4)多體動(dòng)力學(xué)軟件分析對(duì)于浮標(biāo)系統(tǒng)而言，需要重點(diǎn)關(guān)注驗(yàn)證剛性體與柔性體連接處的受力情況?？梢允褂靡訟DAMS、RecurDyn為代表的多體動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)其進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治觥?/p>

以上4類有限元分析方法在浮標(biāo)理論研究過(guò)程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。從中可見，對(duì)于標(biāo)體設(shè)計(jì)之初，可作做模態(tài)及水動(dòng)力分析，研究標(biāo)體固有頻率是否遠(yuǎn)離海浪共振頻率，以及何種標(biāo)型更適合所應(yīng)用海況。做浮標(biāo)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)浮標(biāo)剛?cè)狁詈宵c(diǎn)做多體動(dòng)力學(xué)分析，了解其受力情況。這樣綜合運(yùn)用有限元及多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)結(jié)構(gòu)分析，可兼顧到結(jié)構(gòu)的整體性能和細(xì)節(jié)問(wèn)題，又提高了計(jì)算效率，大大縮減了計(jì)算時(shí)間。

圖2 流固耦合分析流程圖

表2 浮標(biāo)動(dòng)力分析方法對(duì)比

2.2 浮標(biāo)模型實(shí)驗(yàn)方法

與對(duì)其他海洋浮式結(jié)構(gòu)的研究一樣，對(duì)于浮標(biāo)而言，單純的軟件模擬往往是不夠的，更多時(shí)候，還需要結(jié)合試驗(yàn)分析。整理《海洋耐波性》、《船舶與海洋工程環(huán)境載荷》等書籍關(guān)于海洋浮式結(jié)構(gòu)物實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)浮標(biāo)提出以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)方案:

(1)浮標(biāo)縮比試驗(yàn)。在造波池內(nèi)對(duì)縮小的浮標(biāo)模型進(jìn)行橫搖、垂蕩耐波性實(shí)驗(yàn)，拖曳實(shí)驗(yàn)等。特別是對(duì)于深海工作的小浮標(biāo)進(jìn)行縮比實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于浮標(biāo)尺寸與水深相差好幾個(gè)量級(jí)，無(wú)法找到合適的縮比。此時(shí)就可以用軟件仿真和截?cái)鄬?shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法去模擬浮標(biāo)的真實(shí)深海運(yùn)行狀況。其基本思路如圖3所示;(2)系泊疲勞破斷實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)繩做拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)以確定其受拉力情況;(3)實(shí)際工況下的測(cè)試。在實(shí)際工作浮標(biāo)上加載各類傳感器以檢測(cè)其在實(shí)際工況下的受力以及振動(dòng)傾斜情況。此外還可以在浮標(biāo)上加載定位裝置，確定其漂移情況。但是對(duì)于深海浮標(biāo)系泊而言，現(xiàn)階段尚未找到合適的拉力傳感器可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定地測(cè)定其應(yīng)力、應(yīng)變。

圖3 截?cái)嗄Ｐ蛯?shí)驗(yàn)仿真

3 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展歷程，通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外浮標(biāo)結(jié)構(gòu)理論研究的分析，歸納出當(dāng)前設(shè)計(jì)海洋資料所需考慮的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)提出了綜合運(yùn)用多款有限元及多體動(dòng)力學(xué)軟件仿真研究的方法，并設(shè)計(jì)了幾種可行的浮標(biāo)模型試驗(yàn)的方法?？傊?，隨著軟件仿真技術(shù)發(fā)展和國(guó)內(nèi)海洋船舶類實(shí)驗(yàn)室條件不斷發(fā)展，我國(guó)科研人員對(duì)于海洋資料浮標(biāo)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究及實(shí)際應(yīng)用也會(huì)取得更大突破。

［1］李桂香.國(guó)外海洋浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展前景［J］.海洋技術(shù)，1986，1(1):68－72.

［2］Wallinga J P，Pettirew N R，Irish J D.The Gomoos Moored Buoy Design［C］.San Diego:OCEANS 2003.Proceedings，2003:2 596－2 599.

［3］Teng C，Bernard L，Taft B，etal.A Compact Wave and Ocean Data Buoy System［C］.Washington:Proceedings of MTS/IEEE OCEANS.2005:1 249 －1 254.

［4］John N W，Norman L，Guinasso Jr，etal，A New Buoy for Oceanographic and Spill Response Applications［C］.Biloxi:MTS/IEEE.2009:1 －7.

［5］毛祖松.我國(guó)近海波浪浮標(biāo)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.海洋技術(shù)，2007，2(2):23－26.

［6］楊躍忠，孫兆華，曹文熙，等.海洋光學(xué)浮標(biāo)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2009，2(2):565－569.

［7］Yu W，McPhaden M J，Ning C，etal.Bailong Buoy:A new Chinese contribution to RAMA［J］.CLIVAR Exchanges，2012，(1):25 －28.

［8］Mavrakos S A，Chatjigeorgiou J.Dynamic behavior of deep water mooring lines with submerged buoys［J］.Computers and Structures，1997，(64):819 －835.

［9］Paul W.Coastal Mooring Design:Taut Elastomeric and Chain Catenary Surface Buoy Moorings［C］.Seattle:MTS/IEEE.1999:419－426.

［10］Leonard J W，Idris K，Yim S C S.Large angular motions of tethered surface buoys［J］.Ocean Engineering，2000，27(12):1 345－1 371.

［11］Umar A，Datta T K.Nonlinear response of a moored buoy［J］.Ocean Engineering，2003，(30):1 625 －1 646.

［12］Mikael Eriksson.Theory and Experiment on an Elastically Moored Cylindrical Buoy［J］.IEEE Journal Of Oceanic Engineering，2006，(4):959.

［13］Radhakrishnan，Sreeram，Datla，etal.Theoretical and experimental analysis of tethered buoy instability in gravity waves［J］.Ocean Engineering，2007，(34):261 －274.

［14］焦君圣，王昌明，胡作進(jìn).定位浮標(biāo)在波浪中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［J］.海洋技術(shù)，2003，22(4):14－17.

［15］吳嘉喜，李蘋，王健培.水聲測(cè)量浮標(biāo)水面垂直振動(dòng)分析［J］.聲學(xué)與電子工程，2009，(4):44－45.

［16］駱寒冰，李維林，楊永春，等.規(guī)則波中浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)及錨鏈?zhǔn)芰Φ膶?shí)驗(yàn)研究［C］.北京:中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，2009:494－495.

［17］唐歆.海洋資料浮標(biāo)水動(dòng)力分析及結(jié)構(gòu)研究［D］.上海:上海海洋大學(xué)，2012.

［18］劉勇.海洋浮標(biāo)水下懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2010.

［19］曲少春，鄭琨，王英民，等.圓柱形浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010，27(6):363－367.

［20］王興剛，孫昭晨，梁書秀，等.規(guī)則波作用下四錨浮標(biāo)系統(tǒng)動(dòng)力分析［J］.海洋工程，2011，29(3):43－49.

［21］王浩.深海浮標(biāo)的總體設(shè)計(jì)與計(jì)算分析［D］.青島:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.