海面通信浮標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能分析*

□ 鄭 鵬 □ 吳俊飛 □ 熊學(xué)軍

1.青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院 山東青島 266061 2.自然資源部第一海洋研究所 山東青島 266061

1 研究背景

隨著科技的發(fā)展和時代的進步,深海油氣資源的開發(fā)逐漸被重視,內(nèi)波的準確觀測是確保深海油氣工程設(shè)施安全運作和施工人員安全的重要因素。實時傳輸潛標系統(tǒng)具有實時性能和無人值守性能,被應(yīng)用于內(nèi)波的預(yù)警預(yù)報中,還可以對水文環(huán)境進行長期、連續(xù)、定點、多參數(shù)觀測,從而揭示內(nèi)波的生成、傳播、裂變及轉(zhuǎn)變過程。在整個內(nèi)波觀測潛標系統(tǒng)中,海面通信浮標是信號傳輸?shù)闹欣^站,也是最容易受到破壞的設(shè)備[1]。通信浮標在海面上保持良好的工作性能,是保證信號穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵。因此,設(shè)計一個性能穩(wěn)定、運動姿態(tài)良好的海面通信浮標,對內(nèi)波的預(yù)警而言具有重要意義。

試驗和數(shù)值計算是當前對浮標進行研究的兩種方法。曹文熙等[2]對圓柱形浮標進行了海上試驗,通過提高初穩(wěn)性高度來增強圓柱形浮標在海面上的自我恢復(fù)能力。Cozijn等[3]對浮標進行了數(shù)值計算分析,以歐拉參數(shù)為大角度,推導(dǎo)了浮標的動力學(xué)和運動學(xué)方程。朱玲等[4]采用AQWA水動力學(xué)計算模型,在規(guī)則波下對雙軸對稱結(jié)構(gòu)的浮標進行了頻域分析。Monroy 等[5]采用非線性作用的光譜波顯式納維-斯托克斯方程,模擬了浮標在規(guī)則波和不規(guī)則波下的幅值響應(yīng)算子。以上研究沒有考慮浮標系泊的影響,也沒有考慮屈曲穩(wěn)定性能。

針對應(yīng)用于實時傳輸潛標的海面通信浮標,筆者對通信浮標外形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,提高通信浮標的初穩(wěn)性,進而使通信浮標在惡劣的海況下具有足夠的自我恢復(fù)穩(wěn)定的能力。通過AQWA水動力學(xué)計算模型對通信浮標進行一階波浪力橫搖分析,得到橫搖曲線,參考《海船穩(wěn)性規(guī)范》的要求,使橫搖幅值達到小于15(°)/m的要求[6]。因為浮標系泊的影響,當海流變化或海浪生產(chǎn)作用時,通信浮標會發(fā)生垂蕩運動。通過ANSYS軟件對通信浮標進行屈曲分析,觀察沉入海水時的屈曲穩(wěn)定性。同時進行一階升沉分析,確定升沉力是否能夠拖動海底潛標,以及是否會對傳輸線纜造成破壞。

2 結(jié)構(gòu)分析

海面通信浮標主要由天線、筒體、電池,以及底部配重重塊四部分構(gòu)成。浮標整體由304不銹鋼材料加工制作,筒體厚度為4 mm。底部選用鉛板配重,電池固定安裝在浮標底部,中間空隙由泡沫材料填充,確保浮標在海面搖晃的過程中電池不會發(fā)生脫落等現(xiàn)象。浮標底部通信線纜外皮包裹凱芙拉繩纜,確保通信浮標在海面上發(fā)生升沉現(xiàn)象時不會拽斷通信線纜。

在實際使用中發(fā)現(xiàn)如下問題:原通信浮標質(zhì)量過大,搬運和安裝困難;質(zhì)心位置過高,導(dǎo)致通信浮標在海面的姿態(tài)不良;原通信浮標質(zhì)量大,凈浮力小,使用時間過長之后,生物附著表面的現(xiàn)象嚴重,會導(dǎo)致通信浮標沉沒;原通信浮標結(jié)構(gòu)為圓柱形,當在海面上發(fā)生傾斜時,浮心與質(zhì)心之間橫向距離變化小,導(dǎo)致通信浮標的回復(fù)力臂過小,通信浮標不能夠快速回正;原通信浮標的搖擺固有周期偏大,處在南海波浪的主要能量周期內(nèi),易發(fā)生共振,因而原通信浮標會發(fā)生大角度搖擺,對信號傳輸造成影響。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對原通信浮標海試中存在的問題,對原圓柱形通信浮標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將通信浮標的高度由原來2.13 m降低至1.76 m,直徑由0.36 m減小至0.28 m,筒體壁厚減小至3 mm,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后通信浮標的整體質(zhì)量減輕了29 kg。為增大通信浮標凈浮力,通信浮標筒體外層采用包裹泡沫浮體的方法,使原圓柱形改為葫蘆形,在增大水面橫截面積,提高浮心位置的同時,增大浮心的位置變化范圍。在通信浮標的底部進一步增大配重,在降低通信浮標質(zhì)心位置的同時提高初穩(wěn)性[7],從而能夠使通信浮標在海面上保持良好的姿態(tài),不會發(fā)生傾斜角度過大甚至傾覆等現(xiàn)象。海面通信浮標結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比如圖1所示。

通信浮標整體沿中心軸對稱分布,所以質(zhì)量對稱,質(zhì)心和浮心都位于Z軸上。浮心指通信浮標水下部分體積的幾何形心,應(yīng)用SolidWorks軟件建模,并對通信浮標進行質(zhì)量分析,可以得到質(zhì)心和浮心的坐標。

▲圖1 海面通信浮標結(jié)構(gòu)

原圓柱形通信浮標和優(yōu)化后葫蘆形通信浮標基本參數(shù)對比見表1,其中水平面為Z軸坐標原點所在平面,水平面的選取原則為水下部分的浮力等于浮標的重力。

表1 海面通信浮標參數(shù)對比

4 初穩(wěn)性校核

通信浮標在海面上的傾斜角度可以通過計算通信浮標的回復(fù)力矩與波浪對通信浮標產(chǎn)生的傾覆力矩來確定。在一定的海況條件下,波浪對通信浮標產(chǎn)生的傾覆力矩是確定的,所以穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵是計算通信浮標的回復(fù)力矩隨傾斜角度的變化。通信浮標的回復(fù)力矩由通信浮標的重力與浮力產(chǎn)生,當通信浮標在海面上保持靜止時,重力和浮力是一對大小相等、方向相反的力。當通信浮標發(fā)生傾斜時,重力與浮力不在一條垂線上,這樣就產(chǎn)生了一個使通信浮標恢復(fù)至平衡位置的回復(fù)力矩,這一回復(fù)力矩M為:

M=Flsinθ

(1)

式中:F為通信浮標的重力;l為質(zhì)心與浮心之間的距離;θ為浮標的傾斜角度。

通信浮標在海面上的運動姿態(tài)主要取決于質(zhì)心與浮心的位置,若浮心在質(zhì)心之上,則產(chǎn)生正回復(fù)力矩,可以扶正通信浮標;若浮心在質(zhì)心之下,則通信浮標會發(fā)生傾覆。當通信浮標在僅有重力和浮力作用時,通信浮標豎直浮動,此時質(zhì)心與浮心之間的距離l為初穩(wěn)性高度,計算可簡化為:

l=zb-z

(2)

式中:zb為浮心在Z軸上的坐標;z為質(zhì)心在Z軸上的坐標。

根據(jù)式(2),得到圓柱形通信浮標初穩(wěn)性高度為0.12 m,葫蘆形通信浮標初穩(wěn)性高度為0.15 m。由于國內(nèi)并無針對浮標初穩(wěn)性高度的規(guī)范,因此筆者參考《海船穩(wěn)性規(guī)范》的要求,確定海面通信浮標的初穩(wěn)性高度不小于0.15 m[8],由此可見結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的葫蘆形通信浮標滿足要求。

5 外載荷分析

通信浮標在實際使用中發(fā)現(xiàn),當海流突然增大或內(nèi)波來襲時,通信浮標會被拖拽沉入海面。此時,通信浮標筒體受到海水的壓力,將發(fā)生強度破壞和殼體屈曲失穩(wěn)[9]?？梢?需要對通信浮標進行強度和屈曲失穩(wěn)分析。其中,強度分析是對通信浮標外殼受壓后抵抗斷裂、破損等能力進行的分析,屈曲失穩(wěn)分析用于確定通信浮標在海水下的穩(wěn)定性,以及通信浮標結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷。通常而言,屈曲破壞會先于強度破壞發(fā)生,但出于科研嚴謹,應(yīng)進行強度分析。

由以往自容式潛標數(shù)據(jù)可知,潛標主浮體最大下沉距離為60 m,按照1.5倍余量進行設(shè)計,理論承受壓強應(yīng)為1 MPa。對通信浮標底面施加固定約束,對通信浮標側(cè)面和頂面施加壓力。以一階模態(tài)為例,應(yīng)用ANSYS軟件對葫蘆形通信浮標進行分析,得到葫蘆形通信浮標外載荷一階模態(tài)分析云圖,如圖2所示。

葫蘆形通信浮標強度破壞一般主要發(fā)生在直徑過渡處。由圖2可知,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標的最大等效應(yīng)力為65.879 MPa,小于304不銹鋼的屈服極限(310 MPa),由此可知結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標不會發(fā)生強度破壞。葫蘆形通信浮標的最大變形量為1.088 8 mm,為最大外形尺寸的3‰,因此可忽略不計。一般條件下,當結(jié)構(gòu)的屈曲安全因數(shù)大于1.5時,結(jié)構(gòu)即被認為能夠滿足穩(wěn)定性要求。葫蘆形通信浮標的屈曲安全因數(shù)為6.9,遠大于屈曲安全因數(shù)1.5,確認結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標不會發(fā)生失穩(wěn)。

6 一階波浪力仿真分析

6.1 波浪譜選擇

根據(jù)以往資料[10],南海北部海域與其它海域的波況相比具有周期短、波高較小等特點,因此選取有義波高為5 m,譜峰周期為7.1 s,譜峰因子為1.0,考慮波浪方向為橫搖90°,設(shè)置起始周期為模型最小值,終止周期為20 s。

▲圖2 葫蘆形通信浮標外載荷一階模態(tài)分析云圖

6.2 固有頻率計算

通信浮標的搖擺固有周期是衡量通信浮標在海面上受到波浪力之后搖擺的關(guān)鍵因素,搖擺固有周期越接近南海波浪能量周期,通信浮標的搖擺幅度越大。因此,通信浮標設(shè)計時應(yīng)使搖擺固有周期盡量避開南海的主要波浪能量周期。當通信浮標在海水中受到簡諧波浪作用時,根據(jù)浮體運動的理論公式,通信浮標橫搖固有頻率Tx可近似表達為:

(3)

式中:Ir為通信浮標轉(zhuǎn)動慣量;Ir為通信浮標附加轉(zhuǎn)動慣量;D為通信浮標排水量。

通信浮標的轉(zhuǎn)動慣量可以通過建立三維模型,測定質(zhì)量屬性求得。初穩(wěn)性高度可由式(2)求得。根據(jù)阿基米德定律,通信浮標排水量可以由浮力大小得到。

通信浮標在海水中的運動往往是非定常的,在隨波浪運動時,不僅需要克服自身的慣性力,而且需要克服周圍海水的慣性力。這個慣性力就是附加慣性力,附加慣性力只與海平面以下的通信浮標有關(guān),因此采用邊界元法對通信浮標進行計算[11]。筆者應(yīng)用AQWA水動力學(xué)計算模型計算附加轉(zhuǎn)動慣量,通信浮標附加轉(zhuǎn)動慣量隨波浪周期的變化曲線如圖3所示。

▲圖3 通信浮標附加轉(zhuǎn)動慣量變化曲線

根據(jù)南海北部的實際海況,南海波浪的主要能量周期為4～12 s。由圖3可知,在4～12 s內(nèi),圓柱形通信浮標的附加轉(zhuǎn)動慣量為0.471 kg·m2/(°),葫蘆形通信浮標的附加轉(zhuǎn)動慣量為0.225 kg·m2/(°)。由式(3)計算可得,圓柱形通信浮標的搖擺固有周期為3.37 s,葫蘆形通信浮標的搖擺固有周期為2.53 s。

6.3 一階波浪力分析

通信浮標一階波浪力分析曲線如圖4所示。由圖4(a)可見,兩條橫搖曲線都有明顯峰值,說明通信浮標的橫搖固有頻率和波浪頻率產(chǎn)生共振時對整個通信浮標的橫搖影響明顯。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標的橫搖角度在4 s之后相比圓柱形通信浮標,能夠更快地趨于穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標橫搖角度極值對應(yīng)的波浪周期小于圓柱形通信浮標,且結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標的橫搖角度極大值6.492 (°)/m遠小于圓柱形通信浮標的橫搖角度極大值。

▲圖4 通信浮標一階波浪力分析曲線

參考《海船穩(wěn)性規(guī)范》的要求,一般浮標的橫搖角度應(yīng)小于15 (°)/m,因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標滿足一般浮標橫搖角度的設(shè)計要求。

由圖4(b)可知,在波浪主要能量周期4～12 s內(nèi),結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后通信浮標的升沉力變化都較為平緩,均沒有出現(xiàn)明顯躍變,但結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標的升沉力明顯小于圓柱形通信浮標。通信浮標受到的升沉力越小,對傳輸線纜造成的損害越小,可以有效延長線纜的使用壽命,進一步確保潛標數(shù)據(jù)順利傳輸。

7 結(jié)束語

筆者針對海面通信浮標實際使用中發(fā)現(xiàn)的問題,對通信浮標結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的葫蘆形通信浮標,進行了初穩(wěn)性和仿真模擬分析。分析結(jié)果顯示,葫蘆形通信浮標相比圓柱形通信浮標,初穩(wěn)性高度提高了0.03 m,增大了回復(fù)力矩,使通信浮標能夠更快速恢復(fù)至豎直位置。葫蘆形通信浮標屈曲安全因數(shù)為6.9,遠大于結(jié)構(gòu)屈曲安全因數(shù)1.5,有效避免了結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)破壞。在發(fā)生低頻共振時,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標橫搖角度減小了85.3%,且達到小于15 (°)/m的一般浮標設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)伏化后,葫蘆形通信浮標在海面上的穩(wěn)定性和運動姿態(tài)相比圓柱形通信浮標有明顯改善,為海面通信浮標的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了可靠方案。