新型多功能抗拖網(wǎng)海床基設(shè)計

， ， ，

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.國家深?；毓芾碇行?， 山東 青島 266200)

0 引 言

海床基作為一種坐底式海洋監(jiān)測裝置，具有連續(xù)、長期、受海況影響小以及監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠等優(yōu)勢，是獲取水下長期綜合觀測資料的重要技術(shù)手段。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展及海洋資源開發(fā)的不斷深入，各國對海流、波浪、潮汐等海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測日益重視，海床基以其監(jiān)測優(yōu)勢正逐步成為海洋技術(shù)領(lǐng)域研究的重要方面[1-2]。

對于坐底式海床基監(jiān)測平臺海床基技術(shù)，國外經(jīng)過十幾年發(fā)展取得了一系列成果。MSI[3]公司生產(chǎn)了三角形底座式淺海型海床基Tripod Mount；Ocean Science[4]公司生產(chǎn)了三腿底座式淺海型海床基Sea Spider；Proteco Sub[5]公司生產(chǎn)了四邊形淺?？雇暇W(wǎng)海床基Barny Sentinel；INGL[6]公司生產(chǎn)了四邊形深海觀測網(wǎng)節(jié)點(EMOS)海床基GEOSTAR等。國外對海床基研究已初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，形成了多個海洋儀器公司和科研機(jī)構(gòu)。國內(nèi)方面，近年來隨著國家對海洋技術(shù)方面的重視，海床基的研究工作也取得了長足的進(jìn)展，于凱本等[7]設(shè)計了浮體一體化抗拖網(wǎng)海床基；張志平等[8]設(shè)計了一種擺動式防淤泥海床基；張存勇[9]發(fā)明了一種淤泥質(zhì)海底ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)聲學(xué)觀測海床基；陳偉斌等[10]發(fā)明了一種自平衡抗吸附海床基。國內(nèi)對海床基的研究正在不斷深入，但是與國外還存在一定差距，沒有形成產(chǎn)業(yè)化。

隨著海床基的廣泛應(yīng)用，其在設(shè)計方面存在的問題與不足也日益突出，主要表現(xiàn)在幾個方面：(1)海床基搭載設(shè)備的單一性在很大程度上制約海床基應(yīng)用范圍，難以滿足現(xiàn)階段對海洋波、潮、流以及鹽度等多方面的綜合監(jiān)測要求。(2)海床基浮體與搭載設(shè)備設(shè)計為一體式結(jié)構(gòu)，浮體上設(shè)計有儀器設(shè)備接口用于設(shè)備的固定。由于海洋監(jiān)測設(shè)備種類繁多，同一種產(chǎn)品不同型號或者同一型號不同商家都存在一定的尺寸差異，浮體儀器一體化設(shè)計難以保證其通用性。(3)海床基的布放問題，現(xiàn)階段國內(nèi)設(shè)計的海床基的布放主要采用吊裝方式布放。布放用聲學(xué)釋放器一端與海床基布放裝置連接，另一端與A型架掛鉤連接，并且在A型架掛鉤一端連接有浮球便于回收掛鉤及聲學(xué)釋放器，海床基通過A型架吊起緩緩放入水中，海床基在絞車的作用下釋放到海底，然后由聲學(xué)釋放器甲板單元向水下發(fā)送釋放信號，布放聲學(xué)釋放器掛鉤打開，在浮球的作用下實現(xiàn)掛鉤及聲學(xué)釋放器的回收[11]。這種吊裝布放方式步驟繁瑣，并且海床基入水姿態(tài)一般為傾斜姿態(tài)，若在淤泥質(zhì)海域，海床基極易陷入淤泥之中，難以保證搭載設(shè)備的安全回收。

針對海床基的缺點與不足，本文設(shè)計一種多功能抗拖網(wǎng)海床基，并對設(shè)計過程做了詳細(xì)說明，能夠有效地改善傳統(tǒng)海床基搭載設(shè)備單一性及局限性的劣勢，為海床基的發(fā)展提供一定的參考。

1 外罩選擇

1.1 海床基外罩模型的建立

一套完整的海床基系統(tǒng)包括外罩、浮體、儀器艙、繩索艙、回收繩索、布放裝置、監(jiān)測儀器及聲學(xué)釋放單元。外罩是海床基的重要組成部分，合理的海床基外罩能夠減少海床基坐底狀態(tài)下對海流的影響，防止海床基由于海流作用而產(chǎn)生平臺下部泥沙掏空或者平臺傾覆現(xiàn)象[12]。

為了選擇合適的外罩形式，本文利用CFD軟件對圓臺、四棱臺及八棱臺外罩進(jìn)行流場分析。由于本文主要進(jìn)行外部流場數(shù)值模擬，所以忽略內(nèi)部結(jié)構(gòu)，海床基模型形式如圖1所示。

圖1 不同海床基外形模型

1.2 海床基外部速度場分析

根據(jù)文獻(xiàn)[13]資料數(shù)據(jù)，膠州灣內(nèi)中部水域水流速度為40～60 cm/s，所以本文選取模擬水流速度為0.5 m/s，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 海床基不同外形外部海流速度矢量圖

從圖2中可以看出：(1)海流通過海床基時由于海床基的阻礙作用使海水流速發(fā)生改變。海床基迎流面底部處流速下降，海床基頂部及兩側(cè)速度明顯上升，最大速度分別為0.810 m/s(圓臺)、1.010 m/s(四棱臺)和0.932 m/s(八棱臺)。(2)在海床基迎流面與背流面存在較大的速度差，由于速度差的存在會使底部泥沙流動形式發(fā)生改變，出現(xiàn)海床基底部掏空，海床基傾覆現(xiàn)象。所以，圓臺型海床基外罩對海水流速的改變最小，其效果最佳，其次為八棱臺，四棱臺對海水流速的改變最大。

1.3 海床基外部壓力場分析

不同海床基外形壓力云圖如圖3所示，可以看出：海床基最大壓力均處在海水流速最小處，大小分別為117.0 Pa(圓臺)、156.1 Pa(四棱臺)和140.6 Pa(八棱臺)。最大負(fù)壓力分布于海流流速最大處，其壓力大小分別為-259 Pa(圓臺)、-472 Pa(四棱臺)和-320 Pa(八棱臺)。3種外罩形式中圓臺所受壓力最小，其次為八棱臺，四棱臺所受壓力最大。

圖3 不同海床基外形壓力云圖

1.4 數(shù)據(jù)對比及外罩形式選擇

3種海床基外罩形式下海流速度和壓力情況見表1。

表1 3種海床基外罩模擬數(shù)據(jù)

由表1可以看出：圓臺狀海床基外罩受海水流動的影響最小，安全性最高。但是由于圓臺形外罩制作工藝復(fù)雜，加工難度較大，而八棱臺外罩雖然受海水流動的影響優(yōu)勢不如圓臺外罩但是優(yōu)于四棱臺，且其加工方便，可以由4塊矩形板和4塊等腰三角板組成，性價比較圓臺形外罩好，所以本文選擇八棱臺形式作為海床基外罩，并且矩形板開設(shè)透水孔，最大限度地降低水流對海床基的影響。

2 海床基框架

2.1 框架設(shè)計

由于本文選擇的海床基外罩形式為八棱臺，所以依據(jù)分析結(jié)果對海床基框架進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計效果如圖4所示。底座框架由316不銹鋼角鋼焊接而成，角鋼型號選擇20 mm×20 mm，為了保證框架的焊接強(qiáng)度，焊接后要對焊縫進(jìn)行清渣及拋光處理，并進(jìn)行焊縫檢查。同時，由于海水是一種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，海洋環(huán)境中設(shè)備極易受到海水腐蝕，雖然316不銹鋼本身具有耐海水腐蝕的能力，但是為了加強(qiáng)底座框架的可靠性，對框架采用厚漿型重防式涂料處理，并在底部安裝犧牲陽極裝置。

框架底部焊接由壓艙板到壓艙塊，壓艙板上開設(shè)有注水孔及排水孔，增加海床基在布放和回收時的穩(wěn)定性。壓艙板材料由玻璃鋼制作而成，厚度選擇5 mm。壓艙塊及底部板選擇316L不銹鋼，厚度選擇10 mm，壓艙塊尺寸為340 mm×500 mm，厚度為150 mm，質(zhì)量為168 kg。底座質(zhì)量集中于壓艙塊上，加大了重心與浮心距離，增加了海床基在下沉過程中傾斜狀態(tài)下的恢復(fù)力矩。

底座框架均布4個布放吊環(huán)，底部設(shè)計有支腳，增加海床基坐底狀態(tài)下的穩(wěn)定性。同時，整體外框架進(jìn)行光滑處理，增加海床基抗拖網(wǎng)能力。

圖4 下框架結(jié)構(gòu)圖

圖5 底座框架簡化模型

2.2 框架強(qiáng)度分析

為了分析底座支架的設(shè)計強(qiáng)度，驗證設(shè)計的合理性，本文對海床基底座框架進(jìn)行靜力學(xué)分析。為了便于分析，除去了海床基框架上的布放裝置，補(bǔ)全小孔結(jié)構(gòu)，并將壓艙板進(jìn)行簡化，簡化模型如圖5所示。

由于海床基設(shè)計質(zhì)量為600 kg，均布4個布放吊環(huán)可以實現(xiàn)水平布放及單側(cè)布放。由于單側(cè)布放對框架結(jié)構(gòu)的要求更高，所以本文利用單側(cè)布放方式進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖6所示，可以看出：在單側(cè)提升力的作用下底座框架最大應(yīng)力為143.309 MPa，小于316L不銹鋼板的最大屈服極限170 MPa，所以底座框架設(shè)計安全可靠。

圖6 底座框架模擬結(jié)果

圖7 儀器支架結(jié)構(gòu)圖

3 其他部件設(shè)計

3.1 儀器支架設(shè)計

為了解決海床基搭載儀器數(shù)量單一、儀器類型通用性差的問題，將儀器與浮體單獨設(shè)計，儀器支架由Φ10 mm 316L不銹鋼棒彎制、焊接而成，焊縫處理工藝與底座框架做同樣處理。儀器支架結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

由圖7可以看出：框架式結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于其可以有效地擴(kuò)大搭載儀器空間，同時框架式結(jié)構(gòu)通用性較強(qiáng)，對于不同型號及不同尺寸的設(shè)備只要改變夾套尺寸的大小即可。同時，儀器支架上設(shè)計有浮體連接耳，通過螺栓與浮體連接，回收時儀器支架與浮體作為整體首先回收，其效果與浮體儀器一體式結(jié)構(gòu)相同。儀器支架底部設(shè)計有固定法蘭，其與儀器支架支撐板上的定位銷配合，固定儀器支架的相對位置。儀器支架上設(shè)置有2個聲學(xué)釋放器，并聯(lián)設(shè)計，與底座框架上聲學(xué)釋放器連接環(huán)連接，構(gòu)成海床基釋放機(jī)構(gòu)。

圖8 繩索艙

圖9 海床基總裝圖

3.2 繩索艙設(shè)計

回收繩索作為浮體與底座連接部件對浮體及底座框架回收起重要作用。海床基回收繩索選用荷蘭DSM公司生產(chǎn)的Dyneema高強(qiáng)度纖維船用纜繩，這種高分子聚乙烯纖維具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點?；诶K索的這種特性，當(dāng)繩索放于海底時，會由于浮力的作用出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象，繩索容易打結(jié)或纏繞在框架上，對回收成功率造成極大的影響。所以本文針對傳統(tǒng)的繩索艙，增加了繩索固定裝置，杜絕繩索漂浮現(xiàn)象，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖8可以看出：繩索艙較傳統(tǒng)的裝置新增了繩索固定裝置，固定裝置由彈簧、壓繩桿和螺母組成。將繩索一端通過繩索連接孔連接到底座框架上，繩索盤于繩索艙內(nèi)用壓繩桿壓緊固定，壓緊力依靠壓繩桿自身的重力提供，這樣可以防止由于壓緊力太大而影響海床基的正常回收。海床基總裝圖如圖9所示。

4 海床基組裝布放

4.1 海床基組裝

合理的海床基組裝順序能提高工作效率，增強(qiáng)設(shè)備工作的可靠性。海床基的組裝過程為：(1)儀器支架的組裝。將2套聲學(xué)釋放器溫鹽深儀(Conductance, Temperature, Depth， CTD)、多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)和海流計依靠各自適合的夾套固定在儀器支架上。(2)將浮體與儀器支架上浮體連接吊耳通過螺栓連接。(3)將繩索艙安裝到底座框架的壓艙板上，通過螺栓固定。然后將繩索放置于繩索艙內(nèi)，繩索一端通過繩索連接孔與底座框架連接，另一端與儀器支架上的連接環(huán)連接。(4)將儀器支架與底座框架連接，使聲學(xué)釋放器與壓艙板上的聲學(xué)釋放器固定環(huán)相連，組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。(5)安裝海床基4個正方形及4個等腰三角形外罩板。(6)檢查各部件的安裝及連接情況是否可靠合理。

4.2 海床基布放回收

海床基的布放需要利用甲板A架和絞車然后配合聲學(xué)釋放器吊裝布放，將聲學(xué)釋放器一端與海床基吊環(huán)連接，另一端與吊裝鋼絲相連。海床基通過A型架及絞車將海床基吊起放入水中，待海床基進(jìn)水充滿設(shè)備艙之后，由聲學(xué)釋放器甲板單元向海床基發(fā)射釋放指令，聲學(xué)釋放器掛鉤打開，海床基依靠自身重力下沉，布放至海底。

海床基中并聯(lián)安裝有2臺聲學(xué)釋放器，當(dāng)海床基工作完成之后，利用甲板上聲學(xué)釋放單元向聲學(xué)釋放器發(fā)射釋放指令，浮體攜帶儀器及回收繩索首先上浮，保證設(shè)備的安全。將海床基儀器及浮體回收之后，依靠回收繩索將底座回收，回收完成。

5 結(jié) 論

結(jié)合現(xiàn)有海床基設(shè)計方面存在的問題，對不同外罩形式海床基的流體及性價比進(jìn)行比較，選擇了八棱臺海床基結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)外罩形式設(shè)計海床基底座框架，通過ANSYS分析，驗證底座框架設(shè)計的可靠性；為了增加海床基搭載設(shè)備的通用性及多樣性，將海床基儀器搭載設(shè)備設(shè)計為框架式結(jié)構(gòu)，并在繩索艙中增加了繩索固定裝置。多功能自重下沉式海床基可以有效簡化海床基布放步驟，增加海床基的通用性，對海床基的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

[1] 齊爾麥, 張毅, 常延年. 海床基海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]. 海洋技術(shù), 2011, 30(02): 84-87.

[2] 胡展銘, 石文奇, 陳偉斌, 等. 海底觀測平臺——海床基結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進(jìn)展. 海洋技術(shù)學(xué)報, 2014, 33(06): 123-130.

[3] Mooring Systems Inc. Miniaturized Trawl Resistant Bottom Mount (MTRBM) Systems [EB/OL]. [2014-04-15]. http: //www.mooringsystems.com/mounts.htm.

[4] Ocean Science. Seafloor Platforms [EB/OL]. [2014-04-15]. http://www.oceanscience.com/products/seafloor- Platforms/Home.aspx.

[5] PERKINS H, DE STROBEL F, GUALDESI L. The Barny Sentinel Trawl-Resistant ADCP Bottom Mount: Design, Testing, and Application [J]. Oceanic Engineering, 2000, 25(04): 430- 436.

[6] PAOLO F, LAURA B. Seafloor Observatories from Experiments and Projects to the European Permanent Underwater Network EMSO[J]. Instrumentation Viewpoint, 2010, 04(08): 21-25.

[7] 于凱本, 魏澤勛, 紀(jì)育強(qiáng), 等. 浮體儀器一體化抗拖網(wǎng)海床基: CN201120092867.6[P]. 2011-03-25.

[8] 張志平, 李朗, 王立松, 等. 一種擺動式防淤泥海床基: CN201610041741.3[P]. 2016-01-22.

[9] 張存勇. 一種淤泥質(zhì)海底ADCP聲學(xué)觀測海床基: CN201420115738.8[P]. 2014-03-06.

[10] 陳偉斌, 胡展銘, 安平, 等. 自平衡抗吸附海床基: CN201120315262.9[P]. 2011-08-26.

[11] 于凱本, 劉珂. 國外抗拖網(wǎng)海床基技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 氣象水文海洋儀器, 2013(02): 116-119.

[12] 劉杰, 吳承璇，呂斌，等. 基于CFD的海床基觀測平臺外部流場分析[J]. 山東科學(xué), 2012, 25(01): 65-68.

[13] 李乃勝, 于洪軍, 趙松齡. 膠州灣自然環(huán)境與地質(zhì)演化[M] . 北京: 海洋出版社, 2016.