浮标重心设计及结构优化 学位论文.docx

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浮标重心设计及结构优化学位论文

目录

摘要1

1绪论1

1.1浮标的发展历程1

1.2课题研究的背景及研究内容2

2设计要求2

3设计过程3

3.1尺寸选取3

3.1.1浮标结构3

3.2受力分析5

3.3.1惯性力6

3.3.2摩擦力7

3.3浮标缆索长度计算13

3.4装置的校核15

3.5系统建模与仿真分析17

3.5.1进行力学仿真分析的意义17

3.5.2基于Fluent仿真分析及输出结果17

3.5.3输出结果分析18

4结论21

谢辞22

参考文献22

附录图24

浮标重心设计及结构优化

摘要：

简述了国内外海洋资料浮标技术现状。

对比了波浪浮标的方案设计方法，总结优劣。

讲述了波浪浮标的历史和发展。

对于多功能波浪浮标装置分别从系统组成、技术指标、浮标体及系留的设计、自摇周期、结构设计进行分类及阐述优缺点。

列举了国内外经典波浪浮标装置，简单讨论了其参数、原理、优缺点等情况。

最后总结提出应开发多功能波浪浮标的装置来应对现今的海洋信息收集问题的观点。

本文介绍了浮标重心设计及结构优化的方案、结构、尺寸和材料，并用SolidWorks软件对该装置进行了三维建模，用Gambit软件进行网格划分，用Fluent软件进行流体力学仿真，用Tecplot360软件进行数据分析，分析了浮标在流体中的受力和碰撞，以对浮标重心位置和结构进行进一步改进。

关键词：

浮标；重心；结构；设计；优化

DesignandstructureoptimizationofbuoyCenter

Abstract:

Briefdescriptionofoceandatabuoystechnologyathomeandabroad.Comparesthedesignofwavebuoys,summeduptheprosandcons.Describesthehistoryanddevelopmentofwavebuoys.Formultifunctiondevicefromwavebuoysystem,technicalspecifications,andmooredbuoydesign,shakingcycle,classificationofstructuraldesignandexplaintheadvantagesanddisadvantages.Givestheclassicwavebuoyunitathomeandabroad,brieflydiscusstheprinciple,advantagesanddisadvantagesofitsparameters,andsoon.Finallysummarizingproposedtodevelopall-wavebuoydevicetorespondtopresentdayoceanviewsontheinformationcollection.Thisdescribeshasbuoygravitydesignandthestructureoptimizationofprogrammes,andstructure,andsizeandmaterial,andSolidWorkssoftwareonthedeviceforhasthreedimensionalbuiltdie,withGambitsoftwarefornetworkgridDivision,withFluentsoftwareforfluidmechanicssimulation,withTecplot360softwarefordataanalysis,analysishasbuoyinfluidintheofbyforceandcollision,toonbuoygravitylocationandstructureforfurtherimproved.

keywords:

Buoys;；Gravity;；Structure;；Design;Optimization

1绪论

1.1浮标发展历程

海洋资料浮标是世界各国海洋环境监测与海洋灾害预报的主要手段之一。

它具有全天候、长期连续、定点进行监测的特点是其它海洋监测手段无法替代的。

在国家海洋局的支持下经过多年的努力不断研究与提高特别是经过国家“七五”科技攻关，集中了国内的多家优势有力地推动了浮标事业的发展。

1998年代表新一代的实用性大型浮标又在我所诞生。

经过几年海上使用与技术改型到目前在我国北海、东海、南海三个海域的三个资料浮标锚位点常年工作的资料浮标都是由我所研制及改型的FZF2-1型、FZF2-2型及FZF2-3型七套大型资料浮标。

初步改变了我国海洋资料浮标的落后面貌为我国海洋环境监测网的建设奠定了基础。

但我国目前海洋资料浮标的综合性能及规模仍不能满足海洋监测业务化运用的要求与国外资料浮标水平及规模也有差距。

国外发达国家海洋资料浮标技术的发展已趋完善、成熟、规范。

其特点是品种多、技术高、数量多，已形成了规模联网监测。

浮标技术本身的研究向低成本、多要素方面发展。

资料浮标更新换代走向常规已解决了浮标系统可靠性运转。

美国海洋资料浮标的发展，无论是在技术的先进性上还是在品种、数量上都一直走在世界前列。

国家对海洋资料浮标的研究和管理成立了专门机构，即国家资料浮标中心（NDBC）。

NDBC管理着锚泊资料浮标主要有下列三种，第一种是大型圆盘形浮标体直径为10m和12m两种；第二种是中型浮标，为6m船形NOMAD浮标，这两种浮标主要用于几百至几千米水深的海域；第三种是3m直径圆盘形浮标，主要用于近海或者湖泊及河口的监测。

这些资料浮标系统普遍采用了高可靠的微功耗计算机作为数据采集控制的核心应用了同步卫星或ARGOS卫星传输测量数据。

1.2课题研究的背景及研究内容

海洋资料浮标是海洋气象遥测系统的主体部分，它用于布放海上以实时获取其海洋气象、水文等环境资料。

国内外现有生存能力强的浮标是10m大型浮标，但是现有的大型浮标都是一体式的，运输一般采用海上拖拽的方式，运输时间长、运输成本高，且受天气影响大。

同时大型浮标的锚链系统体庞大，不仅施工作业大，也对施工船舶提出了更高的要求，无形中提高了其布放和回收的难度。

因此对大型浮标优化缩比设计显的尤其重要。

2设计要求

设计一种浮标装置的重心位置，找到现有浮标的重心位置，并提出改进方案。

2.1系统概述

小型水质多参数监测浮标系统可实现对观测点的水质参数进行实时测量，数据通过CDMA方式实时传输，在浮标出现位移过大、移动速度过大时可自动报警。

配套的软件可实时显示测量数据，具有存储、查询、曲线显示、报警显示等功能。

小型水质多参数监测浮标系统分为海上浮标（如图1所示）和陆上接收系统（如图2所示）两部分。

图2.1海上浮标

Figure1.Theseabuoy

图2.2陆上接收系统

Figure2.Onshorereceivingsystem

2.2系统组成

小型水质多参数监测浮标系统包括浮标体、水质传感器、GPS、数据采集器、通讯系统、供电系统等部分。

2.3现有浮标体

浮标体为饼型，直径为1400mm，标体内层为2mm不锈钢内胆，外部为10mm玻璃钢，浮标体总重约300Kg。

浮标锚系采用锚链单点系留，适合在水深30米以内水域布放，用沉锚进行锚定。

3设计过程

3.1尺寸的选取

为减小浮标的锚系系统体积，应尽可能的减小浮标直径以降低其在海上的环境载荷。

但一方面浮标的尺寸与浮标的功能有很大的关系。

大型浮标测试功能多，人员需要进入浮标体内进行仪器安装、调试等工作，因此需要一定的工作空间；另一方面直径较小的浮标抗恶劣海洋环境和抗人为破坏能力都比较差，无法满足在位工作时间要求。

综上所述，浮标尺寸选取为6m直径。

图3.16m浮标示意图

Fig.3.1schematicdiagramof6mbuoy

由于目前国内各地船厂加工能力参差不齐、浮标体建造质量不易受控，该浮标的结构设计采用分体组装结构设计。

浮标体结构可分为仪器舱、三个浮力舱和桅杆筒等三部分，分体的最宽尺寸控制在2.6m以内，长度在5.6m以内，充分满足国内的交通运输条件。

因此可选择目前加工能力较强的厂家定点专门生产浮标各个部件，然后在厂内试验、试装。

浮标检验合格后，拆分运输到浮标布放点的近岸码头，进行组装及布放。

这样分体组装设计不但增加了施工场所的选择性，降低了加工、布放和运输的成本，也推动了浮标生产化加工的标准化进程。

3.1.1浮标结构

3.2浮标模型

Fig.3.2Modelofbuoy

3.2受力分析

3.2.1浮标标体所受的力

在水中的浮标，其标体（浮具）所受外力与航行中的船舶相似，主要受水流力、波浪力、风载荷等因素的作用，除此之外，还受到系留缆索的拉力。

承受的力F主要由摩擦力、惯性力和流体阻力组成。

标体所受水流力即为水流阻力，一般认为，水流阻力主要由摩擦阻力（粘性阻力）和兴波阻力组成，摩擦阻力来自于水流的粘性，不仅取决于船舶湿表面积以及光洁程度，也和船舶表面的曲度有关；兴波阻力则是由于船舶在水面激起波浪所造成的力，与液体的粘性无关，主要和船型、船舶与水流的相对速度以及船舶的尺寸有关。

3.2.2浮标受力分析

设oxyz直角坐标轴系，坐标原点为o，水平为ox轴，垂直向上的为oy轴，与ox，oy轴相垂直的为oz轴，来流速度v为水平方向，而流体作用于流体上的水动力为R，该力通常可按三个方向分解：

一个分力按ox轴方向为RX；另外两个分别按oy和oz方向分解为RY和RZ。

因此水动力可分为如下三个分力：

图3.3水动力分力图

Fig.3.3Hydrodynamicpitch

在静止的水体中运动时，阻力的作用方向与刀具的运动方向相反。

当静止不动时，水流对的作用力在沿水流运动方向的分力就是阻力。

升力又称为扩张力，作用方向与的运动方向或水流方向垂直。

侧向力，与阻力和升力垂直。

一个物体所承受的水阻力的大小取决于物体周围的旋涡和波浪的强度，以及液体的粘滞性等性质。

刀具所承受的水阻力Rx由两部分组成，即由水动力而形成的动水阻力Rd和水摩擦阻力Rf其中动水阻力又主要由压差阻力Rp和波浪阻力Rw组成。

Rx＝Rd＋Rf＝（Rp＋Rw）＋Rf（3.1）

这几种阻力有时独立存在，有时几种并存。

刀具在流体中运动时，主要遇到水摩擦阻力和压差阻力。

如在水面运动时，则还遇到兴波阻力。

有限翼展的网板在运动时，将受到诱导阻力。

3.2.2.1摩擦阻力

由于水的粘性作用，与运动物体紧密接触的边界层内的水体也获得一定的速度。

紧贴物体表面的水质点相对物体的运动速度为零，而随与物体的距离增加，水质点的运动速度达到来流与物体的相对运动速度值，因此，在边界层内的水流具有速度。

水层之间互相摩擦，消耗了物体前进的能量，造成了摩擦阻力。

摩擦阻力的形成原因也可以看成：

当流体流经一物体时，由于流体的粘滞性在物体表面产生切向应力，这些切向应力的合力在来流方向上的分量就是摩擦阻力。

由此可知，摩擦阻力的大小主要与水的粘性、物体长度、浸湿面积以及物体的表面的粗糙度有关。

摩擦阻力以数学式表示，具有下列形式（单位宽度）：

（3.2）

式中l——刚体周界封闭围线的长度；

τ0——作用在刚体壁体上的流体粘滞力的切应力；

dl——刚体周界封闭围线上的微小长度；

（τ0^x）——切向力与运动方向之间的夹角。

（3.2）式是以数学的形式表示摩擦阻力的定义。

在实践中，用这方法计算阻力比较繁复，特别是要先找出τ0随长度l变化的规律才能求解。

因此，对摩擦阻力一般采用弗洛德提出的“相当平板”来进行简化计算。

渔具的某些构件，如拖网网板，可以采用相当网板来计算。

但是，像网片、绳索等，一般通过实验来测定其阻力，获得经验公式用于计算。

关于流体的摩擦阻力，牛顿指出：

相邻两单元流体间的摩擦阻力与接触处的正压力无关，它的大小正比于从一个单元体转到另一个单元体所存在的速度变化。

这点与固体间的干摩擦阻力的规律不同。

观察流体的相邻两个单元体，它们沿X轴方向平行运动，见图示，两单元的速度在垂直于X轴的Y轴方向的微分差是dV，单位接触面积上的摩擦阻力（切应力）的定义：

（3.3）

其中μ（kg∙s/cm2）是粘滞系数，与流体的性质和温度有关。

当y=0时，有摩擦力为：

在平板的摩擦阻力计算中，有：

式中b——平板的宽度；

l——平板的长度。

在实际应用中，通常引入阻力系数的概念：

（3.4）

式中Cf——摩擦阻力系数，由实验测定；，

ρ——流体密度，kg/m3；

V——来流速度或平板运动速度，m/s；

S——光滑平板的湿表面积，m2。

因为实验测定无法实现，经查阅资料可得，45钢与水的摩擦阻力系数在0.1～0.5之间，Cf取0.5；水的密度为1000kg/m3，则ρ=1000kg/m3；

目前，计算船舶水流摩擦阻力的公式较多，我国常用的是基于平板实验和理论分析所得到的阻力计算公式，其表达式为：

（3.5）

式中，RM为摩擦阻力（N或KN）；ρ为水的密度（kg/m3）；V为浮标与水流的相对速度，即水流流速（m/s）；Ω为浮标标体湿表面积，可近似用公式Ω=（1.7T+δ·B）L估算；T为浮标吃水（m）；δ为浮标方形系数；L为浮标长度（m）；B为浮标宽度（m）；CM1为摩擦阻力系数（无量纲数）。

对于不同的液体和不同的水流流速，相应的阻力系数也不同，即CM1随雷诺数Re而变，Re的表达式为：

（3.6）

式中：

v为水的运动粘滞系数，其余与前相同。

表1列出了柏兰特-许立汀关于摩擦阻力系数与Re的关系数据。

浮标浮体表面的粗糙度也将影响标体的摩擦阻力，在我国，对于钢质船体，摩擦阻力系数的增加值均为CM2=0.0004，因此，浮标标体所受的摩擦阻力应表示为：

（3.7）

3.2.2.2兴波阻力

物体在水面运动时，扰动了水面，在物体后方留下了一个扰动区，产生波浪。

物体兴起波浪需要能量，能量还随波浪向外传递。

这些能量来自物体本身，相当于物体受到了阻力，即兴波阻力。

也可从压力差的角度理解：

由于波浪是因水质点在重力和惯性力的作用下引起的，波浪形成后使物体周围的压力分布有所变化，在物体运动方向的投影即压力差，即兴波阻力。

根据模型试验和理论分析，兴波阻力（包括漩涡阻力）与重力有密切的关系，其表达式为：

（3.8）

式中：

RR为兴波阻力（N或KN）；CR为兴波阻力系数；其余与前面相同。

兴波阻力系数CR与付汝德数Fr有关，Fr定义为：

式中：

g为重力加速度（m/s2）；其余符号与前相同。

对于不同的船型，CR数值不同，但根据实验发现，当Fr<0.15时，CR=0；对于较尖瘦的船舶，当Fr>0.22～0.25时，兴波阻力才明显出现。

由于三峡库区现行浮标标体采用的是长10m的钢质标志船，而成库后由于水深大大增加，深水标位处水流流速多小于1～2m/s，即Fr<0.10～0.2。

因此，标体所受的兴波阻力相对较小，可忽略不计。

3.2.2.3流体阻力

在研究圆柱体的水动力，经常采用无限长的圆柱体来代替有限长圆柱体，从而使三因次流简化为二因次流。

首先讨论圆柱体与流向相垂直时的情况。

设R为单位长度圆柱体上受到的阻力，即l＝1，则阻力系数为：

图是实验测得的阻力系数CX与雷诺数Re的关系曲线。

（1）当雷诺数Re<1时，阻力系数满足一下列公式：

（3.9）

式中h——椭圆柱的短轴；

c——椭圆柱的长轴。

所以

对于正圆柱体，则c＝h＝d，故有：

（3.10）

（2）当Re<10时，圆柱体受的力中主要是黏性力，惯性力较小。

流体绕经圆柱体表面时，不发生界层分离，如图所示。

不同雷诺数时，圆柱体四周的压力分布以及理想分布见图。

（3）随着雷诺数增加，阻力系数减小，惯性力越来越大，而粘性力所占的比例越来越小。

图（b）是雷诺数Re＝40时的情况。

图中的S点为层流边界层的分离点，在圆柱体的下游产生两个稳定的旋涡。

（4）当雷诺数继续增加是时，旋涡开始不稳定，出现不规则的摆动，随后旋涡就交替周期性地从每一边分离出来，形成“卡门涡列”，见图（c）。

（5）当103

边界层逐渐从层流转变为紊流界层，同时分离点移向流态转变点的过度点T上。

即流态转变和边界层分离在同一点上。

（6）当雷诺数Re>2×105时，过度点T先于分离点S，如图（d）所示，表面边界层已成为紊流边界层。

由于紊流中的流体质点剧烈运动，速度分布较均匀，分离点S向后推移，形状阻力下降。

紊流边界层的分裂形成了紊流尾流。

阻力系数下降到0.3左右。

圆柱体在流体中有三种不同的位置：

圆柱体的轴线与来流垂直，平行或成某一交角。

因位置不同，阻力系数和产生的阻力也不同。

在本设计中，刀架均为45号钢管焊接而成，圆柱体刀架与来流方向相垂直。

圆柱体在来流垂直时的阻力计算

计算公式为：

RX＝CX·（ρ·V2/2）·S

式中S——圆柱体在来流垂直面的投影面积，S＝l·d；

l——圆柱体轴向长度；

d——直径。

阻力系数CX可以从图中查得，当Re＝103~2×105时，阻力系数为1.2（有些文献中用CN90来表示阻力系数）。

水的密度为1000kg/m3，则ρ=1000kg/m3；

波浪力

波浪对浮标标体的作用力，可按原苏联动力部提出的公式计算：

（3.11）

式中：

Rb为波浪力（kN）；K1为波浪力系数，可由图1差得，图中T为浮标标体的吃水（m），LW为波长（m）；hW为波高（m）；r为水的容重（kN/m3）；Ad为标体水下挡水面积（m2）。

图3.4波浪力系数的曲线图

Fig.3.4Waveforceonfactorgraphs

在库区航道中的浮标，根据波浪所形成的原因不同，波浪载荷主要由两部分构成，一是船行波引起的波浪力；二是由风载荷引起的波浪力，下面分述两种波浪要素的计算方法。

3.2.2.4船行波

世界上已有几十个船模型实验室对船行波要素进行过研究，并应用原体观测资料予以了验证。

船行波波长可应用荷兰Delft水工研究所所建立的基于LordKelin理论导出的计算公式：

（3.12）

式中：

VS为传播航速（m/s）；Lw1为船行波计算波长（m）。

Havelock基于LordKelin理论导出了深水条件下船行波相对波高的关式：

式中：

hw1为船行波计算波高（m）；S为要求测定的波处距船舶的距离（m）；H为水深（m）；∂1、∂2为与船型、船舶吃水深度和船速等有关的系数，对已有的实测资料分析得：

对于巡逻舰、满载内河马达船∂1=1.0，对于欧洲空载货船∂1=0.5，对于空载马达船和拖牵轮∂1=0.35；∂2=2.67。

3.2.2.5风成浪

当受风力作用时，其波高和波长可借用官厅水库公式计算：

（3.13）

（3.14）

式中：

hw2为风波计算波长（m）；Lw2为风波计算波高（m）；Vf为计算风速（m/s）；Df为吹程（m）,由浮标标体前沿至对岸的最大直线距离。

3.2.2.6风载荷

作用于浮标标体上的风压力可由《港口工程计算规范》所给出的计算公式确定：

（3.15）

式中：

RW为作用于浮标标体上的风压力（kN）；K2为浮标标体的风载体形系数：

风向垂直标体的纵轴时，K2=1.2，风向平行于标体的纵轴时，K2=0.8；q为计算风压（kN/m2），可按q=0.001Vf2计算；AU为浮标水上受风面积（m2）；其余符号与前相同。

3.2.2.7水面坡降力

由于河道水面具有一定的坡降（水面比降），浮标标体将沿水流方向产生一个分力，即为坡降力，坡降力的大小可按下式计算：

（3.16）

式中：

Rj为浮标标体所受的坡降力（kN）；∆为标体的排水量或重量（吨）；J为标体处的水面降。

浮标标体的受力计算总结如下。

前述给出了标体的受力计算公式，现根据库区的水流、气象、风浪等特征对各项受力进行定量分析和计算。

深水浮标所使用的10m钢质标志船的主要参数见表2

表2.10m钢质标志船的主要参数

现以某大桥设置深水浮标为例，计算其所受的水流力、波浪力、风载荷等外力。

假设浮标水域的水流、航道、放浪等自然条件如下：

设水深H=80m；设标水域至岸边的最大距离≤800m；标为处至主航道的最短距离≥30m；过往船舶航速≤5.0m/s；汛期水面比降J≤0.5‰；流速v一般小于2.5m/s；气象战实测多年平均风速为2m/s左右，最大平均风速约为20m/s。

根据以上取值，综合其它因素，估算的浮标标体所受的水流力、波浪力、风载荷、水面坡降见表3

表3.浮标主体受力

由表3可以看出，波浪力和风载荷对浮标标体的影响程度已明显超过水流力和水面坡降力；由于是流速和水面坡比降的进一步减缓，水域面积的增大，浮标所受的外载荷（除缆绳拉力外），主要是波浪力和风载荷。

3.3浮标缆索长度计算

图3.5浮标、缆索、锚受力分析

Fig.3.5GeneralAssembly

为分析简便起见，假设：

缆绳在拉力作用下不发生变形；锚的抓着力足够大，不会发生走锚现象。

由于缆索一般均油沉重材料组成（如常用的锚链、钢丝绳等），缆索对浮标将以重力为主，所受的水流阻力可忽略不计。

则根据H.O.贝托和岩井聪对浮标受力的平衡分析（如图2），缆索呈悬曲线形状。

且其长度和受力可由以下计算式确定：

（3.17）

（3.18）

（3.19）

（3.20）

（3.21）

式中：

R为浮标标体沿水平向所受的总作用力（kN）；Φ为缆绳在锚处与水平向的夹角；Tf为浮标所受的缆索拉力；Tm为锚所受的缆绳拉力；H为浮标处水深（m），H=y2-y1；S1为从标体至原点（Φ=0）的缆索长度（m）；S为标体至锚处的缆索实际长度（m）。

特殊的，若锚位于原点（Φ=0）处，则：

S1=0，所需缆索长度S=S2=

；缆索对浮标的拉力Tf=

；缆索对锚的拉力Tm=R。

从式子（11）～（13）可以看出，缆索长度不仅与航道水深有关，也与浮标所受的水平力、缆索单位长度重量以及缆索在锚处与水平的夹角有关。

当Φ=0，即锚位于原点处时，此时系留浮标所需的缆索最长，但缆索对浮标和锚的拉力Tf、Tm最小。

若缆索长度继续增加，标体和锚所受的缆索拉力将维持不变。

锚处缆索与水平的夹角Φ愈大，则系留浮标所需的缆索较短，但缆索对浮标和锚的拉力Tf、Tm相对较大，将减小浮具的浮力和锚与水底之间的摩擦力，容易走锚；反之，锚的受力愈小，浮具的稳定性就愈好，但所需的缆索较长。

应用举例：

其余条件同上，假设浮标所受的总水平力最大约R=2500N（综合各种力的组合叠加），系留浮标的钢缆为直径d=12mm的镀锌钢缆，单位长度水下重量w=7.54N/m。

计算缆索拉力及所需的缆索长度。

现取不同的夹角Φ值，计算结果如表4

由表4不难得知，当缆索在锚处与水平向的夹角在0°～30°之间发生变化时，该浮标所需的缆索长度为1.64～3.05倍水深范围