小型海洋碳排放測量船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

陳佳威，林 建，陳婧鑫，孟 巧

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

世界許多國家工業(yè)的崛起促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時(shí)也產(chǎn)生了一些負(fù)面的影響，比如說碳的排放。工業(yè)碳排放污染也在早些年就已經(jīng)進(jìn)入了人們的視野中，相當(dāng)多的國家都有開始對陸地碳排放進(jìn)行監(jiān)測，從而研究改善碳排放污染的方法。但現(xiàn)在隨著世界經(jīng)濟(jì)的全球化發(fā)展，貿(mào)易往來增多，航運(yùn)已經(jīng)成為進(jìn)行貿(mào)易往來的主要方式之一，這也引起了人們對海洋的一些關(guān)注[1-3]。除此之外，人們對海洋資源的探測也促進(jìn)了對海洋環(huán)境的監(jiān)測。其中碳排放不僅嚴(yán)重影響著陸地的大自然環(huán)境，對海洋也有著非常大的影響，那么現(xiàn)在就需要一種海洋測量船來監(jiān)測海洋環(huán)境。海洋碳排放如今也頗為嚴(yán)重，包括海上航行的船舶主機(jī)燃料燃燒釋放和隨大氣循環(huán)到海洋環(huán)境中去的二氧化碳等溫室氣體[4]。海洋中碳的存在形式更多是以二氧化碳化合物或者碳酸鹽的形式，所以，對海洋碳排放的測量尤其是對溫室作用氣體——二氧化碳的測量在目前關(guān)注全球環(huán)境變化的大背景下具有非常大的意義。同時(shí)為了能夠順利實(shí)現(xiàn)理想監(jiān)測的目的，本文設(shè)計(jì)一種小型無人海洋碳排放測量船。

1 海洋碳排放測量船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體思路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的海洋碳排放測量船模型主要由船體、電池和太陽能混合動(dòng)力系統(tǒng)、碳排放監(jiān)測系統(tǒng)三大部分組成。其中動(dòng)力系統(tǒng)采用鋰電池供電，同時(shí)可以利用太陽能充電來提高供電效率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。碳排放監(jiān)測系統(tǒng)包括二氧化碳監(jiān)測模塊、高分辨率攝像頭、超聲波避障模塊、多波束探測儀及GPS 系統(tǒng)。船舶依靠GPS 實(shí)時(shí)定位，利用超聲波避障模塊進(jìn)行避讓工作，從而使船舶處于安全航行范圍，使用高清攝像頭、二氧化碳監(jiān)測模塊針對作業(yè)水域的二氧化碳排放量進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)利用多波束探測儀完成多作業(yè)任務(wù)，如水文或者氣象監(jiān)測等。

1.2 模型設(shè)計(jì)

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的小型無人海洋碳排放測量船為雙體結(jié)構(gòu)，它不僅可以減小船舶行駛阻力，還能夠保證船舶在水面的穩(wěn)定性。考慮到模型的易制作和防水性，雙體船片體和平臺采用桐木板加玻璃鋼材質(zhì)。上層建筑成圓環(huán)形狀，采用透明的亞克力圓管制作，這樣便于觀察監(jiān)測系統(tǒng)的工作。上層建筑頂部及平臺敷設(shè)太陽能電池板以便利用太陽能給鋰電池系統(tǒng)充電。具體模型如圖1 所示。

圖1 小型無人海洋碳排放測量船三維模型圖

本船模型采用太陽能、鋰電池供電系統(tǒng)，具體如圖2 所示，太陽能電池是為船模電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)提供電能的光伏發(fā)電部件。鋰電池和電池保護(hù)板是太陽能光伏發(fā)電的儲(chǔ)能裝置，太陽能電池產(chǎn)生的電能輸送到鋰電池儲(chǔ)存起來，為船模動(dòng)力系統(tǒng)提供電能。

圖2 太陽能、鋰電池發(fā)電系統(tǒng)

本項(xiàng)目中碳排放檢測系統(tǒng)主要任務(wù)是進(jìn)行水面工作區(qū)域的碳排放測量工作，所采用的二氧化碳監(jiān)測模塊可測量的二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)量程為0.04%～0.5%，總揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)量程為0%～0.1%，測量精度滿足工作需要。

1.3 航行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于海洋碳排放測量船對相關(guān)信息的采集是沿著指定的航線進(jìn)行的，在航行過程中測量船如果受到諸如風(fēng)、浪、海流等外界因素的影響，會(huì)偏離預(yù)先設(shè)定的航行路線，從而導(dǎo)致測量的相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)有一定的誤差[5]。面對這種情況，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了海洋碳排放測量船的航跡保持系統(tǒng)，使船舶在工作的過程中可以對其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)船舶控制的智能化、自動(dòng)化，使本測量船盡可能地保持在指定區(qū)域作業(yè)，從而達(dá)到精確測量的目的。本船舶實(shí)現(xiàn)航跡保持的示意圖如圖3所示，圖中虛線L 代表測量船航行的目標(biāo)測線，L 與方向N（正北）一致，在軌跡過程中用箭頭線α的方向來代替船舶實(shí)際航行的方向，箭頭線K 為目標(biāo)方向，與L 一致，指向正北，ψ為K 與α之間的夾角，表示的是偏航角。

圖3 海洋碳排放測量船航跡保持示意圖

船舶開始航行時(shí)沿著固定航線L 以及目標(biāo)航向K前進(jìn)，當(dāng)受到外界干擾力的作用后船舶駛離計(jì)劃航線，出現(xiàn)偏航，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)偏航角ψ。為了完成航行任務(wù)要求船舶快速返回計(jì)劃航線，此時(shí)船上的航跡保持系統(tǒng)開始工作，需要不斷地對船舶的航向進(jìn)行調(diào)整，該過程中船舶由于慣性力以及干擾力的持續(xù)作用，產(chǎn)生的偏航角在航跡保持系統(tǒng)的作用下逐漸減小，最后變?yōu)?，此時(shí)船的實(shí)際航向與計(jì)劃航向一致，實(shí)現(xiàn)了船舶的航向保持。從圖3 中可以看到，雖然船舶的航向與計(jì)劃保持一致，但是船舶出現(xiàn)了一定的偏航距離，為了駛回原定航線L，航跡保持系統(tǒng)將繼續(xù)調(diào)整。給定船舶一個(gè)與前一階段相反偏航角ψ，然后在舵角的“指引”下逐漸回到預(yù)定航線L 上，此時(shí)的實(shí)際航向K 與計(jì)劃航向L 重合，最終實(shí)現(xiàn)對船舶的航跡控制。

2 海洋碳排放測量船的結(jié)構(gòu)有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)和有限元軟件的高速發(fā)展，越來越多的工程都采用有限元方法進(jìn)行分析[6]，本文基于ANSYS workbench 有限元對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

2.1 有限元法的基本步驟介紹

利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析大致可分為前處理、數(shù)值分析和后處理3 個(gè)階段[7]。

前處理階段是根據(jù)所研究的船體結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)、圖形進(jìn)行準(zhǔn)確分析，依次構(gòu)建有限元模型，即根據(jù)計(jì)算所需的有限元單元類型、疏密程度進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，生成有限元模型數(shù)據(jù)，為下一步進(jìn)行有限元分析做準(zhǔn)備。在這一階段所構(gòu)建的有限元分析模型的質(zhì)量是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵。

數(shù)值分析階段主要分為單元分析、整體分析、方程組求解3 個(gè)方面，此階段是利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的核心部分[8]。單元分析主要為了找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，具體如下：

式（1）中：Ke為單元?jiǎng)偠染仃嚕沪膃為單元的節(jié)點(diǎn)位移向量；Fe為單元的節(jié)點(diǎn)力向量。

在單元分析結(jié)束建立了單元?jiǎng)偠确匠毯?，就可以進(jìn)行整體分析，即把各個(gè)單元的剛度方程集合起來，形成整體的剛度方程，具體如下：

式（2）中：K為整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；δ為整體節(jié)點(diǎn)位移向量；F為整體載荷向量。

在求解器完成數(shù)值計(jì)算后，進(jìn)入有限元的后處理階段。這一階段主要就是對有限元法求得的解進(jìn)行加工處理、編輯組織，轉(zhuǎn)換成可視化圖形顯示與輸出，讓人更直觀地觀察到所計(jì)算的現(xiàn)象，方便后續(xù)的有限元分析工作。

2.2 有限元模型建立

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的船模形狀較簡單，因此可以直接在ANSYS 有限元分析軟件中利用SpaceClaim 前處理模塊進(jìn)行快速建模，從而獲得船體三維幾何模型。為了方便計(jì)算，在建模的過程中忽略了筋板、開孔等細(xì)節(jié)。

幾何模型完成之后，就要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣便于后續(xù)的有限元計(jì)算。網(wǎng)格劃分直接影響計(jì)算的精度，因此很重要[9]。為了滿足計(jì)算要求，本次網(wǎng)格采用Method 方法繪制，Sizing 設(shè)定為2 mm，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求，最終網(wǎng)格單元數(shù)目為43 406，網(wǎng)格詳情如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件設(shè)置

船體在水面自由航行時(shí)是不受約束的，為了消除船體的剛性位移，需要對船體施加相應(yīng)的約束條件[10]。本文中選取船艏、艉兩端區(qū)域點(diǎn)施加自由度約束，這樣可以避免靜力不平衡而導(dǎo)致的計(jì)算誤差。由于無人海洋碳排放測量船只有自身的重量和裝載設(shè)備時(shí)的重量，因此選取額定載重量出港一個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。此外，模型試驗(yàn)階段僅在工況較好的狀態(tài)下試航，所以不考慮波浪載荷的影響，只考慮船舶在靜水中航行的情況，即船舶只承受靜水壓力。

2.4 有限元分析

通過相關(guān)規(guī)范計(jì)算，得出靜水載荷1.96 MPa，船體額定載重200 N，代入Workbench 中計(jì)算，應(yīng)力結(jié)果云圖和位移結(jié)果云圖分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 位移云圖

根據(jù)位移云圖可知最大變形為1.66 mm，應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在雙體船片體尾部的上下兩面，其中最大單元應(yīng)力出現(xiàn)在雙體船片體底部，為270.78 MPa，船體其余部位應(yīng)力值都比較小，所有的應(yīng)力值都小于材料的屈服應(yīng)力，因此強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

本文首先對小型無人海洋碳排放測量船進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后利用ANSYS 有限元軟件針對船體進(jìn)行有限元計(jì)算，針對靜水工況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果可以得到船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。不足之處在于討論工況單一，在今后工作中要進(jìn)一步針對本船模進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。