海面通信浮標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)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(biāo)系統(tǒng)中,海面通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo),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(dāng)前對浮標(biāo)進行研究的兩種方法。曹文熙等[2]對圓柱形浮標(biāo)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(biāo)在海面上的自我恢復(fù)能力。Cozijn等[3]對浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)的海面通信浮標(biāo),筆者對通信浮標(biāo)外形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,提高通信浮標(biāo)的初穩(wěn)性,進而使通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)系泊的影響,當(dāng)海流變化或海浪生產(chǎn)作用時,通信浮標(biāo)會發(fā)生垂蕩運動。通過ANSYS軟件對通信浮標(biāo)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(biāo),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(biāo)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(biāo)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(biāo)底部,中間空隙由泡沫材料填充,確保浮標(biāo)在海面搖晃的過程中電池不會發(fā)生脫落等現(xiàn)象。浮標(biāo)底部通信線纜外皮包裹凱芙拉繩纜,確保通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)在海面的姿態(tài)不良;原通信浮標(biāo)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(biāo)沉沒;原通信浮標(biāo)結(jié)構(gòu)為圓柱形,當(dāng)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(biāo)的回復(fù)力臂過小,通信浮標(biāo)不能夠快速回正;原通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)海試中存在的問題,對原圓柱形通信浮標(biāo)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將通信浮標(biāo)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(biāo)的整體質(zhì)量減輕了29 kg。為增大通信浮標(biāo)凈浮力,通信浮標(biāo)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(biāo)的底部進一步增大配重,在降低通信浮標(biāo)質(zhì)心位置的同時提高初穩(wěn)性[7],從而能夠使通信浮標(biāo)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(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比如圖1所示。

通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)進行質(zhì)量分析,可以得到質(zhì)心和浮心的坐標(biāo)。

▲圖1 海面通信浮標(biāo)結(jié)構(gòu)

原圓柱形通信浮標(biāo)和優(yōu)化后葫蘆形通信浮標(biāo)基本參數(shù)對比見表1,其中水平面為Z軸坐標(biāo)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(biāo)的重力。

表1 海面通信浮標(biāo)參數(shù)對比

4 初穩(wěn)性校核

通信浮標(biāo)在海面上的傾斜角度可以通過計算通信浮標(biāo)的回復(fù)力矩與波浪對通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)的回復(fù)力矩隨傾斜角度的變化。通信浮標(biāo)的回復(fù)力矩由通信浮標(biāo)的重力與浮力產(chǎn)生,當(dāng)通信浮標(biāo)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(dāng)通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)的重力;l為質(zhì)心與浮心之間的距離;θ為浮標(biāo)的傾斜角度。

通信浮標(biāo)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(biāo);若浮心在質(zhì)心之下,則通信浮標(biāo)會發(fā)生傾覆。當(dāng)通信浮標(biāo)在僅有重力和浮力作用時,通信浮標(biāo)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(biāo);z為質(zhì)心在Z軸上的坐標(biāo)。

根據(jù)式(2),得到圓柱形通信浮標(biāo)初穩(wěn)性高度為0.12 m,葫蘆形通信浮標(biāo)初穩(wěn)性高度為0.15 m。由于國內(nèi)并無針對浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)滿足要求。

5 外載荷分析

通信浮標(biāo)在實際使用中發(fā)現(xiàn),當(dāng)海流突然增大或內(nèi)波來襲時,通信浮標(biāo)會被拖拽沉入海面。此時,通信浮標(biāo)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]。可見,需要對通信浮標(biāo)進行強度和屈曲失穩(wěn)分析。其中,強度分析是對通信浮標(biāo)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(biāo)在海水下的穩(wěn)定性,以及通信浮標(biāo)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(biāo)數(shù)據(jù)可知,潛標(biāo)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(biāo)底面施加固定約束,對通信浮標(biāo)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(biāo)進行分析,得到葫蘆形通信浮標(biāo)外載荷一階模態(tài)分析云圖,如圖2所示。

葫蘆形通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)不會發(fā)生強度破壞。葫蘆形通信浮標(biāo)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)外載荷一階模態(tài)分析云圖

6.2 固有頻率計算

通信浮標(biāo)的搖擺固有周期是衡量通信浮標(biāo)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(biāo)的搖擺幅度越大。因此,通信浮標(biāo)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(dāng)通信浮標(biāo)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(biāo)橫搖固有頻率Tx可近似表達為:

(3)

式中:Ir為通信浮標(biāo)轉(zhuǎn)動慣量;Ir為通信浮標(biāo)附加轉(zhuǎn)動慣量;D為通信浮標(biāo)排水量。

通信浮標(biāo)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(biāo)排水量可以由浮力大小得到。

通信浮標(biāo)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(biāo)有關(guān),因此采用邊界元法對通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)的附加轉(zhuǎn)動慣量為0.471 kg·m2/(°),葫蘆形通信浮標(biāo)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(biāo)的搖擺固有周期為3.37 s,葫蘆形通信浮標(biāo)的搖擺固有周期為2.53 s。

6.3 一階波浪力分析

通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)的橫搖影響明顯。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標(biāo)的橫搖角度在4 s之后相比圓柱形通信浮標(biāo),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(biāo)橫搖角度極值對應(yīng)的波浪周期小于圓柱形通信浮標(biāo),且結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葫蘆形通信浮標(biāo)的橫搖角度極大值6.492 (°)/m遠小于圓柱形通信浮標(biāo)的橫搖角度極大值。

▲圖4 通信浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)滿足一般浮標(biāo)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(biāo)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(biāo)的升沉力明顯小于圓柱形通信浮標(biāo)。通信浮標(biāo)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(biāo)數(shù)據(jù)順利傳輸。

7 結(jié)束語

筆者針對海面通信浮標(biāo)實際使用中發(fā)現(xiàn)的問題,對通信浮標(biāo)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(biāo),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(biāo)相比圓柱形通信浮標(biāo),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(biāo)能夠更快速恢復(fù)至豎直位置。葫蘆形通信浮標(biāo)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(biāo)橫搖角度減小了85.3%,且達到小于15 (°)/m的一般浮標(biāo)設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)伏化后,葫蘆形通信浮標(biāo)在海面上的穩(wěn)定性和運動姿態(tài)相比圓柱形通信浮標(biāo)有明顯改善,為海面通信浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了可靠方案。