小型海洋碳排放測量船的結構設計＊

陳佳威，林 建，陳婧鑫，孟 巧

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226002）

世界許多國家工業的崛起促進了經濟發展，但同時也產生了一些負面的影響，比如說碳的排放。工業碳排放污染也在早些年就已經進入了人們的視野中，相當多的國家都有開始對陸地碳排放進行監測，從而研究改善碳排放污染的方法。但現在隨著世界經濟的全球化發展，貿易往來增多，航運已經成為進行貿易往來的主要方式之一，這也引起了人們對海洋的一些關注[1-3]。除此之外，人們對海洋資源的探測也促進了對海洋環境的監測。其中碳排放不僅嚴重影響著陸地的大自然環境，對海洋也有著非常大的影響，那么現在就需要一種海洋測量船來監測海洋環境。海洋碳排放如今也頗為嚴重，包括海上航行的船舶主機燃料燃燒釋放和隨大氣循環到海洋環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注全球環境變化的大背景下具有非常大的意義。同時為了能夠順利實現理想監測的目的，本文設計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構設計

1.1 整體思路設計

本次設計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力系統、碳排放監測系統三大部分組成。其中動力系統采用鋰電池供電，同時可以利用太陽能充電來提高供電效率和實現節能減排。碳排放監測系統包括二氧化碳監測模塊、高分辨率攝像頭、超聲波避障模塊、多波束探測儀及GPS 系統。船舶依靠GPS 實時定位，利用超聲波避障模塊進行避讓工作，從而使船舶處于安全航行范圍，使用高清攝像頭、二氧化碳監測模塊針對作業水域的二氧化碳排放量進行監測，同時利用多波束探測儀完成多作業任務，如水文或者氣象監測等。

1.2 模型設計

項目團隊設計的小型無人海洋碳排放測量船為雙體結構，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。上層建筑成圓環形狀，采用透明的亞克力圓管制作，這樣便于觀察監測系統的工作。上層建筑頂部及平臺敷設太陽能電池板以便利用太陽能給鋰電池系統充電。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，具體如圖2 所示，太陽能電池是為船模電動推進系統提供電能的光伏發電部件。鋰電池和電池保護板是太陽能光伏發電的儲能裝置，太陽能電池產生的電能輸送到鋰電池儲存起來，為船模動力系統提供電能。

圖2 太陽能、鋰電池發電系統

本項目中碳排放檢測系統主要任務是進行水面工作區域的碳排放測量工作，所采用的二氧化碳監測模塊可測量的二氧化碳質量分數量程為0.04%～0.5%，總揮發性有機物質量分數量程為0%～0.1%，測量精度滿足工作需要。

1.3 航行系統設計

由于海洋碳排放測量船對相關信息的采集是沿著指定的航線進行的，在航行過程中測量船如果受到諸如風、浪、海流等外界因素的影響，會偏離預先設定的航行路線，從而導致測量的相關數據會有一定的誤差[5]。面對這種情況，項目團隊采用了海洋碳排放測量船的航跡保持系統，使船舶在工作的過程中可以對其進行實時調節，實現船舶控制的智能化、自動化，使本測量船盡可能地保持在指定區域作業，從而達到精確測量的目的。本船舶實現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際航行的方向，箭頭線K 為目標方向，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

船舶開始航行時沿著固定航線L 以及目標航向K前進，當受到外界干擾力的作用后船舶駛離計劃航線，出現偏航，此時產生一個偏航角ψ。為了完成航行任務要求船舶快速返回計劃航線，此時船上的航跡保持系統開始工作，需要不斷地對船舶的航向進行調整，該過程中船舶由于慣性力以及干擾力的持續作用，產生的偏航角在航跡保持系統的作用下逐漸減小，最后變為0，此時船的實際航向與計劃航向一致，實現了船舶的航向保持。從圖3 中可以看到，雖然船舶的航向與計劃保持一致，但是船舶出現了一定的偏航距離，為了駛回原定航線L，航跡保持系統將繼續調整。給定船舶一個與前一階段相反偏航角ψ，然后在舵角的“指引”下逐漸回到預定航線L 上，此時的實際航向K 與計劃航向L 重合，最終實現對船舶的航跡控制。

2 海洋碳排放測量船的結構有限元分析

隨著計算機和有限元軟件的高速發展，越來越多的工程都采用有限元方法進行分析[6]，本文基于ANSYS workbench 有限元對設計模型進行結構分析。

2.1 有限元法的基本步驟介紹

利用有限元法進行結構分析大致可分為前處理、數值分析和后處理3 個階段[7]。

前處理階段是根據所研究的船體結構的幾何數據、圖形進行準確分析，依次構建有限元模型，即根據計算所需的有限元單元類型、疏密程度進行網格的劃分，生成有限元模型數據，為下一步進行有限元分析做準備。在這一階段所構建的有限元分析模型的質量是進行有限元分析的關鍵。

數值分析階段主要分為單元分析、整體分析、方程組求解3 個方面，此階段是利用有限元法進行結構分析的核心部分[8]。單元分析主要為了找出單元節點力和節點位移的關系式，具體如下：

式（1）中：Ke為單元剛度矩陣；δe為單元的節點位移向量；Fe為單元的節點力向量。

在單元分析結束建立了單元剛度方程后，就可以進行整體分析，即把各個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為整體結構的剛度矩陣；δ為整體節點位移向量；F為整體載荷向量。

在求解器完成數值計算后，進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行加工處理、編輯組織，轉換成可視化圖形顯示與輸出，讓人更直觀地觀察到所計算的現象，方便后續的有限元分析工作。

2.2 有限元模型建立

本項目所設計的船模形狀較簡單，因此可以直接在ANSYS 有限元分析軟件中利用SpaceClaim 前處理模塊進行快速建模，從而獲得船體三維幾何模型。為了方便計算，在建模的過程中忽略了筋板、開孔等細節。

幾何模型完成之后，就要進行網格劃分，這樣便于后續的有限元計算。網格劃分直接影響計算的精度，因此很重要[9]。為了滿足計算要求，本次網格采用Method 方法繪制，Sizing 設定為2 mm，網格質量滿足計算要求，最終網格單元數目為43 406，網格詳情如圖4 所示。

圖4 網格劃分圖

2.3 邊界條件設置

船體在水面自由航行時是不受約束的，為了消除船體的剛性位移，需要對船體施加相應的約束條件[10]。本文中選取船艏、艉兩端區域點施加自由度約束，這樣可以避免靜力不平衡而導致的計算誤差。由于無人海洋碳排放測量船只有自身的重量和裝載設備時的重量，因此選取額定載重量出港一個工況進行計算。此外，模型試驗階段僅在工況較好的狀態下試航，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

通過相關規范計算，得出靜水載荷1.96 MPa，船體額定載重200 N，代入Workbench 中計算，應力結果云圖和位移結果云圖分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 應力云圖

圖6 位移云圖

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

3 結論

本文首先對小型無人海洋碳排放測量船進行結構設計，然后利用ANSYS 有限元軟件針對船體進行有限元計算，針對靜水工況進行分析，計算結果可以得到船體結構強度滿足使用要求。不足之處在于討論工況單一，在今后工作中要進一步針對本船模進行結構優化。