基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）
基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）,基于,可再生能源,海洋,載運(yùn),裝置,設(shè)計(jì),分析,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單
波浪滑翔機(jī)：一種波浪驅(qū)動(dòng)的海洋自主運(yùn)載工具
Roger Hine, Scott Willcox, Graham Hine, and Tim Richardson
Liquid Robotics, Incorporated
1901 Embarcadero Rd., Suite 106
Palo Alto, CA 94303
摘要
波浪滑翔機(jī)是一種新型的自主海洋運(yùn)載工具，它的獨(dú)特性在于具有能利用海洋波浪能直接作為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的能力。本文概述了波浪滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，并且提出了我們制造的幾種樣機(jī)和當(dāng)前一代的滑翔機(jī)產(chǎn)品通過大量海試得出的測(cè)試結(jié)果。裝置的表現(xiàn)情況在各種海洋環(huán)境條件下得到了描述。裝置完成長(zhǎng)時(shí)間大范圍任務(wù)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性也已經(jīng)得到驗(yàn)證。裝置的自動(dòng)控制架構(gòu)，也可以解釋為監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為外部控制和基于web的接口。最后，我們討論了幾種當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出的或者正在開發(fā)的這種裝置。
介紹
波浪滑翔機(jī)是一種新型的波浪驅(qū)動(dòng)、持續(xù)工作的海洋機(jī)構(gòu)。Roger Hine，這種機(jī)構(gòu)的主要發(fā)明人和Liquid Robotics公司的CEO，在2005年就開始了波浪滑翔機(jī)的開發(fā)工作，夢(mèng)想著設(shè)計(jì)一種新型的無需昂貴的深水錨或者船來運(yùn)作的海洋監(jiān)測(cè)裝置。受到起初樣機(jī)設(shè)計(jì)的立即成功的鼓勵(lì)，Hine先生和幾個(gè)同事建立了Liquid Robotics。在2007年，為了對(duì)此平臺(tái)在科研、商業(yè)和軍事方面的進(jìn)一步的發(fā)展。波浪滑翔機(jī)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于它能利用海洋中豐富的波浪能為機(jī)構(gòu)提供源源不斷的動(dòng)力。兩個(gè)太陽能電池板為這個(gè)裝置的控制電路、信息傳輸系統(tǒng)和負(fù)載持續(xù)的充電。表一給出了第一代波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)能力等各方面的參數(shù)。
平臺(tái)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理
波浪滑翔機(jī)是由水下牽引機(jī)和通過柔性纜繩連接的水上浮體組成的雙體結(jié)構(gòu)。波浪滑翔機(jī)受到深水波浪能的驅(qū)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為向前運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力，且方向獨(dú)立于波浪運(yùn)動(dòng)的方向。圖2。波浪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純的機(jī)構(gòu)，中間沒有電能的收集與轉(zhuǎn)化。就像一架飛機(jī)在空中向前運(yùn)動(dòng)，機(jī)翼可以產(chǎn)生一個(gè)向上的升力。波浪滑翔機(jī)相對(duì)于深水的垂直運(yùn)動(dòng)可以讓它的翼板將這個(gè)向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)向前的推動(dòng)力。當(dāng)波浪經(jīng)過其表面，水下滑翔機(jī)可以拖動(dòng)水上浮體沿著預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)。水上浮體與水下牽引機(jī)的分離是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。
工程樣機(jī)和第一代波浪動(dòng)力滑翔機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)完成了超過42000海里的運(yùn)動(dòng)和從2009年8月21號(hào)開始最長(zhǎng)持續(xù)247天的任務(wù)。
2.推進(jìn)性能和持續(xù)性
在海洋波浪中有易獲得的持續(xù)的能量，水下滑翔機(jī)利用這種能量可以在典型海域一到三英尺浪高的條件下保持1.5kts的平均速度。波浪滑翔機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的速度取決于水面波浪的振幅，浮體提供的浮力和水下滑翔機(jī)的重量。波浪滑翔機(jī)的浮力和重力，纜繩的長(zhǎng)度調(diào)整保證了它無論是在平靜海域還是波浪較大的海域都可以獲得充足的波浪驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)能力。
A.高海況
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到了承受極端海況的能力。最終，波浪滑翔機(jī)的承受能力只受它的翼板的限制，正如它的驅(qū)動(dòng)力是充分的不受限制的。在2007年的Flossie颶風(fēng)中，波浪滑翔機(jī)已經(jīng)證明了其可以承受10英尺的海浪和40+的風(fēng)速。當(dāng)時(shí)“Red Flash”號(hào)波浪滑翔機(jī)正在加利福尼亞海岸進(jìn)行調(diào)查。除了它的工程組件，波浪滑翔機(jī)同樣展現(xiàn)了它海錨的自然特性，這可以幫助它度過極端天氣。當(dāng)海面變得極度波蕩時(shí)，波浪滑翔機(jī)似乎在挖波浪一樣。浮體的浮力可以被水下滑翔機(jī)的垂直拖動(dòng)克服，并且?guī)?dòng)水上浮體穿過中間的大波浪。這種表現(xiàn)就像一個(gè)自然的統(tǒng)治者一樣把施加在機(jī)構(gòu)上的最大力限制住了。未來的設(shè)計(jì)可以通過加強(qiáng)翼板和提供一個(gè)可以限制水翼擺動(dòng)角度的機(jī)構(gòu)來突出這種特點(diǎn)?？偠灾禄铏C(jī)已經(jīng)展示了其可以在極端海況中正常運(yùn)行超過八個(gè)月的令人贊嘆的強(qiáng)度。
B.低海況
相反的非常平靜的海況也給波浪滑翔機(jī)成功的完成任務(wù)制造了挑戰(zhàn)。沒有了可以利用的波浪能，波浪滑翔機(jī)可能將不會(huì)維持制定航線，并且不可以保持它的位置。萬幸的是，海洋極少情況下是平靜的，并且沒有多少時(shí)間可以保持這種平靜。正如在圖4里描述的一樣，波浪滑翔機(jī)已經(jīng)被設(shè)計(jì)成可以實(shí)現(xiàn)充分的前行速度，即使是在非常溫和的海況中（例如波高僅有幾英尺或更少）。即使在這些極端平靜的狀況下，波浪滑翔機(jī)也能夠維持0.25到0.5kts左右的前行速度。這個(gè)速度已經(jīng)充分允許裝置面對(duì)典型海綿狀況時(shí)保持自己的位置。
3.平臺(tái)功能
A．電池板和太陽能
波浪滑翔機(jī)裝有665wh的可充電鋰電池用來提供勘察、控制、信息傳輸和負(fù)載等所需的能量。這個(gè)供電系統(tǒng)由七個(gè)互相隔離的智能電池組組成。只有兩個(gè)電池在任何時(shí)候都在使用，每個(gè)電池都有獨(dú)立的交換和控制模塊。波浪滑翔機(jī)的勘察、控制和信息傳輸系統(tǒng)僅需要平均約0.7w的持續(xù)的能量。波浪滑翔機(jī)在沒有電量供應(yīng)的最長(zhǎng)的任務(wù)持續(xù)時(shí)間是大約23天。如果搭載了更多負(fù)載的話，這個(gè)持續(xù)能力將會(huì)下降。
為了實(shí)現(xiàn)波浪滑翔機(jī)長(zhǎng)時(shí)序工作的設(shè)計(jì)要求，被導(dǎo)航、控制、信息傳輸所消耗的能量必須得到補(bǔ)充。為了滿足這個(gè)需求，波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝載有兩塊光伏太陽能電池板，每塊估計(jì)可以輸出最高43w電能。但在實(shí)際中，太陽能電池板所能輸出的電量遠(yuǎn)不足兩塊理想狀況下的86w的輸出之和。工作緯度和一年之中所處的季節(jié)對(duì)裝置中太陽能電池板收集和轉(zhuǎn)化太陽能的效率有明顯的影響。這些因素決定了一天之中太陽光的時(shí)間和對(duì)電池板的入射角度。其他因素比如云層也會(huì)影響太陽能電池板的轉(zhuǎn)化功率。圖5描述了一年之中和不同位置下總?cè)肷涮柲芮邥r(shí)/平方米/每天的可變的函數(shù)。（在每個(gè)位置都使用了平均氣候參考）。在低緯度地區(qū)，比如在Liquid Robotic海岸的公司中心夏威夷—整年都會(huì)保持極高的太陽能入射總量。在高緯度地區(qū)，比如Nome, AK and Punta Arenas, Chile，一年之中會(huì)經(jīng)歷夏天的高峰值和冬天的低谷期。這里同樣也有一些其他的因素影響著太陽能電池板的持續(xù)收集的平均能量，包括光級(jí)、溫度、著色、污垢和轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)效率等。當(dāng)把這些因素考慮在一起的時(shí)候，就顯著減少了負(fù)載可獲得的持續(xù)的能量供應(yīng)，下降了大約10瓦特。
但對(duì)于某些設(shè)備，雖然只有幾瓦特也足夠使用了—比如相機(jī)和接收器，其余的能量可以用來實(shí)現(xiàn)波浪滑翔機(jī)平臺(tái)上搭載的負(fù)載的全部潛力和功能，尤其是當(dāng)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)在更高的緯度運(yùn)行的時(shí)候。Liquid Robotics公司正在開發(fā)一種機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)利用波浪能收集小規(guī)模能量（2—20W）的概念，用來滿足這些裝置的能量需求。正如在圖6中展示的那樣，這些平均的能量在海面波浪中是持續(xù)且易獲得的，即使是小的長(zhǎng)的波浪。另外，更大型號(hào)的光伏電池板也可以安裝在波浪動(dòng)力滑翔機(jī)上，通過增加波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的表面積來實(shí)現(xiàn)。
B.航向和位置保持。
波浪滑翔機(jī)主要依賴擁有12個(gè)頻道的GPS接收器作為主要的導(dǎo)航傳感器，同時(shí)也帶有陀螺儀和三軸加速度計(jì)。一些新興的機(jī)構(gòu)也帶有水速度傳感器用來短期的航跡推算。波浪滑翔機(jī)典型的航行精度是高于3米。
波浪滑翔機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)航跡和位置保持。它已經(jīng)展示了可以在開放海域保持位置或者在沿海誤差只有25米的能力。如圖6所示。這與在深海狀況下系泊工具保持能力形成了鮮明的對(duì)比。
C.信息傳輸、操作和控制。
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的信息傳輸和控制系統(tǒng)在圖7中展示了出來。波浪動(dòng)力滑翔機(jī)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的基于web的控制和指揮接口來實(shí)現(xiàn)操控。每一個(gè)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)通過銥調(diào)制解調(diào)器通訊會(huì)話來實(shí)現(xiàn)與海岸上基站的聯(lián)系，這些可以通過衛(wèi)星接收信息并且把數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)上去。這些傳輸發(fā)生在可配置的間隔時(shí)間段內(nèi)，通常是每隔五到十五分鐘左右。通過使用基于web的網(wǎng)絡(luò)控制和指揮接口，每一個(gè)操作者（被授權(quán)）可以從任何的可以網(wǎng)絡(luò)連接的電腦上、PDA、個(gè)人電話上控制任何波浪動(dòng)力滑翔機(jī)。類似的，用戶可以監(jiān)控裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和在需要的基礎(chǔ)上查看數(shù)據(jù)。
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)同樣攜帶者短范圍、高帶寬廣播的調(diào)制調(diào)解器，主要用來岸邊基站和裝置運(yùn)行之間的信息交流。射頻調(diào)制調(diào)解器給裝置指揮和控制提供了更快的更新速率，并且允許大量的裝置狀態(tài)和負(fù)載的數(shù)據(jù)從機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)化出來。最終，每周通訊調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)由波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝載著并進(jìn)行著試驗(yàn)應(yīng)用。
圖9展示了波浪滑翔機(jī)指揮和控制的交互界面。這個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的工具允許操作者利用單個(gè)程序?qū)讉€(gè)裝置實(shí)現(xiàn)命令和監(jiān)控。一個(gè)基于賬戶登錄的方案允許操作者利用各種方式進(jìn)行操作活動(dòng)，從任何可以連接的電腦，包括支持網(wǎng)頁瀏覽的手機(jī)。
D負(fù)載
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)已經(jīng)模塊化各種機(jī)械、電器和軟件來允許接受各種各樣的接口和有效負(fù)載模塊。圖10.所有的指揮、控制、信息傳輸和航行電器包含在一個(gè)核心的電力模塊之中，這個(gè)模塊也同樣安裝著電池和他們的傳輸設(shè)備。船頭和船尾安裝著大多數(shù)負(fù)載模塊，支持電子負(fù)載傳感器系統(tǒng)。
幾個(gè)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)上的負(fù)載模塊已經(jīng)被展示出來，包括被動(dòng)聲吶系統(tǒng)、拖水聽器陣列，海洋氣象站、相機(jī)、攝像機(jī)和聲學(xué)多普勒流速剖面儀。最近一代的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)拖一個(gè)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，其本身的聲學(xué)調(diào)制調(diào)解器拖曳著很長(zhǎng)的電纜。最近，支持電子已經(jīng)集成到波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的浮體上，未來計(jì)劃有效載荷包括水文傳感器,如電導(dǎo)率、溫度、和深度(供)傳感器和單波束基底分析聲波等。
在于PMEL實(shí)驗(yàn)室合作的過程中，我們正努力將二氧化碳分壓和海水PH傳感器裝置搭載到平臺(tái)上，這種裝置的發(fā)展和集成到波浪滑翔機(jī)平臺(tái)上的有效負(fù)載的描述、對(duì)于二氧化碳學(xué)科的發(fā)展將會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)控制這個(gè)機(jī)構(gòu)，并且在公司的文件中提供出來。
4.工程試驗(yàn)和測(cè)試能力。
在過去的兩年半的時(shí)間內(nèi)，Liquid Robotics公司在追求一個(gè)更好的海上速度性能,耐力和適航性作為主要驅(qū)動(dòng)力的樣機(jī)原型和裝置結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)劃。表3. 當(dāng)前一代的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)受益于超過五年的聯(lián)合海上時(shí)間和累計(jì)超過42000海里的任務(wù)。LRI已經(jīng)獲得許可，由美國海岸警衛(wèi)隊(duì)保持波浪滑行測(cè)試，范圍在中斷區(qū)域離岸從Puako到夏威夷島。這個(gè)測(cè)試范圍是毗鄰LRI附近的海洋作戰(zhàn)中心Kawaihae港口。所有最初的工程試驗(yàn)和操作都在 Puako內(nèi)部通過了驗(yàn)收測(cè)試。
一旦最初的試驗(yàn)已經(jīng)圓滿完成,額外的測(cè)試暴露出波滑翔機(jī)更廣泛的海洋條件進(jìn)行離岸更遠(yuǎn)的地方。例如,圖11(左)顯示的軌跡滑翔機(jī)車輛“紅色閃光”的浪潮，環(huán)顧夏威夷的大島在國際水域,2009年1月這9到18,2009年,敝中斷任務(wù)的車輛 在9天完成,2小時(shí)平均速度超過地面的1.57節(jié)。在此任務(wù)估計(jì)海洋條件10英尺海洋和15 kt風(fēng)(Ses狀態(tài)5),圖11(中)。類似的工程試驗(yàn)和示范是同時(shí)進(jìn)行的加州海岸,從莫斯蘭丁(蒙特雷灣)圣地亞哥17-28 4月,2009年,圖11(右)。這個(gè)任務(wù)持續(xù)了11天,2小時(shí),覆蓋403敝中斷,平均速度超過地面的1.53節(jié)。額外的長(zhǎng)期任務(wù)正在進(jìn)行中,包括數(shù)月,盆地規(guī)模的海洋運(yùn)輸。最后,作為一個(gè)工程持久試驗(yàn),一個(gè)波滑翔機(jī)進(jìn)行位置保持任務(wù)在我們的Puako測(cè)試范圍、使用頻繁的公海。到目前為止,這波滑翔機(jī)積累了6200多個(gè)敝中斷和八個(gè)月的連續(xù)操作。我們的目標(biāo)是證明波浪動(dòng)力滑翔機(jī)可以完成超過一整年的連續(xù)操作任務(wù)。
結(jié)論
通過廣泛的工程實(shí)驗(yàn)和示范，波浪動(dòng)力滑翔機(jī)可以在開放的海洋和沿岸海洋上進(jìn)行長(zhǎng)期獨(dú)立運(yùn)作的能力已經(jīng)牢固確立。我們堅(jiān)信波浪動(dòng)力滑翔機(jī)在經(jīng)濟(jì)、對(duì)于開放海域和沿海地帶的科學(xué)研究、商業(yè)、軍事工作等領(lǐng)域代表著一個(gè)重大的進(jìn)步。幾個(gè)能夠進(jìn)行科學(xué)研究和適用于軍事領(lǐng)域的負(fù)載裝置正處于集成到波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的過程之中。
參考文獻(xiàn)
[1] S. Willcox, C. Meinig, C. Sabine, N. Lawrence-Slavas, T. Richardson, R. Hine, and J. Manley, “An Autonomous Mobile Platform for Underway Surface Carbon Measurements in Open-Ocean and Coastal Waters,” to appear in Proceedings of MTS/IEEE Oceans 2009 Conference, Biloxi, MS, Oct 26-29, 2009
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）
題目
基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)和分析 唐道龍
院（系、中心）
工程學(xué)院機(jī)電工程系
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
年 級(jí)
2011級(jí)
選題來源
科研
課題
縱向課題（P ）
選題類型
理論研究（P）
橫向課題（ ）
教師自擬課題（ ）
應(yīng)用基礎(chǔ)研究（ ）
學(xué)生自擬課題（ ）
技術(shù)或工程開發(fā)（ ）
論文（設(shè)計(jì)）的基本構(gòu)思和基本任務(wù)：
1．設(shè)計(jì)一種基于波浪能進(jìn)行轉(zhuǎn)換為推動(dòng)海洋載運(yùn)工具前行的裝置。
2．機(jī)構(gòu)分析
3．機(jī)械設(shè)計(jì)
4．嘗試樣機(jī)制作。
目前的基礎(chǔ)（包括資料收集情況、前期工作情況等）
以國外已經(jīng)存在的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)為基礎(chǔ)，查閱了大量外文文獻(xiàn)和國內(nèi)研究情況，分析其基本的運(yùn)動(dòng)原理，提出機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件確定母船的尺寸、形狀、搭載儀器等，并設(shè)計(jì)水下驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排
2015年3月8號(hào)—4月：搜集資料，查閱文獻(xiàn)，確定設(shè)計(jì)方案；
2015年4月—5月：在確定方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的確定，并對(duì)關(guān)鍵受力部位進(jìn)行校核計(jì)算，驗(yàn)證其可行性；尺寸、各零件材料、裝配方式確定之后進(jìn)行三維建模，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真；
2015年5月—6月：繪制二維零件圖和裝配圖，整理設(shè)計(jì)過程，進(jìn)行畢業(yè)論文的撰寫，制作PPT準(zhǔn)備結(jié)題答辯。
論文起止時(shí)間：自 年 月 日起 年 月 日止
學(xué)生（簽名）：
指導(dǎo)教師（簽名）： 院（系、中心）負(fù)責(zé)人（簽名）：
注：表格不夠可另附頁
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)分析
1
摘要
基于波浪能的海洋載運(yùn)裝置是在國外現(xiàn)有的波浪滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上，由水面上的浮體材料和水下的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置組成的一種新型海洋移動(dòng)式的觀測(cè)平臺(tái)，在此平臺(tái)上可搭載各種儀器和設(shè)備，供海洋監(jiān)測(cè)使用。這種新型的海洋載運(yùn)裝置可以直接將波浪的上下運(yùn)動(dòng)通過水下動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，無需中間能量的轉(zhuǎn)化，更為直接和清潔，可以完成復(fù)雜海洋水面和水下環(huán)境中的長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的監(jiān)測(cè)任務(wù)。
本文在已有的技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先分析了載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的工作原理，提出了水上浮體材料和水下動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)要求，對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)確定、選材、裝配并對(duì)關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)的計(jì)算，已驗(yàn)證其合理性；利用FLUENT軟件對(duì)水下動(dòng)力裝置的NACA翼板形狀參數(shù)進(jìn)行了仿真分析；建立雙體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型并利用MATLAB軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，以驗(yàn)證整套機(jī)構(gòu)的合理性和可行性。
關(guān)鍵詞：海洋載運(yùn)裝置；波浪滑翔機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；NACA翼板；運(yùn)動(dòng)仿真；
Abstract
Marine transport device which is using the wave energy as the energy is based on the wave glider which is existing in the foreign country, this device is composed by the floating body on the surface of sea and the underwater glider. It’s a new type of marine mobile observation platform. It can carry all kinds of instruments and equipment to take service to the marine monitoring. This new type of marine transport device can make the wave’s movement of up and down into the device’s propulsive forward movement directly, with out the intermediate energy transformation, which is more direct and clean, this technology can complete the monitoring tasks on the complex ocean surface for a long time, long distance.
First of all, this paper is on the basis of the existing technology, analyzing the wave glider’s structure and working principle. Design the whole structure, choose the material and the key connection structure mechanics calculation, to validate its rationality. This paper has analyzed the NACA wing structure parameters of the underwater power device by using fluent software. By using the MATLAB software to create a dynamic model of twin hull structure and motion simulation analysis, to verify the rationality and feasibility of a complete set of institutions.
Keywords: sea transport device; wave glider; structure design; NACA wing; motion simulation
目 錄
1緒論 1
1.1研究背景 1
1.2波浪滑翔機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 1
1.2.1國外研究現(xiàn)狀 1
1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.3實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀 3
1.3主要研究?jī)?nèi)容 4
1.4課題來源及研究意義 5
2載運(yùn)裝置的雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1波浪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì) 7
2.2雙體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理解析 7
2.3載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的定性分析 9
2.4 載運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.4.1 水面母船設(shè)計(jì) 11
2.4.2 水下動(dòng)力裝置的整體設(shè)計(jì)： 12
2.4.3 母船與水下牽引機(jī)的連接 13
2.5 載運(yùn)裝置的整體穩(wěn)定性要求 13
2.6 本章小結(jié) 14
3關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核及裝配工藝 15
3.1 母船支架的受力分析以及強(qiáng)度校核 15
3.2 連接結(jié)構(gòu)的校核 16
3.2.1 波浪載荷的簡(jiǎn)化處理 16
3.2.2 母船雙頭螺柱的強(qiáng)度校核 17
3.2.3 水翼連接軸的校核 18
3.3 其他部件的分析及校核 20
3.4 主要結(jié)構(gòu)的加工工藝及裝配方式 22
3.5 本章小結(jié) 22
4水下動(dòng)力裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力學(xué)仿真分析 23
4.1 FLUENT軟件介紹 23
4.2平板翼型與NACA翼型的仿真分析 24
4.2.1 NACA翼型介紹 25
4.2.2仿真結(jié)果對(duì)比與分析 25
4.3本章小結(jié) 29
5總結(jié)與展望 30
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
III
第一章 緒論
1緒論
1.1研究背景
2015年，人類社會(huì)已經(jīng)步入了二十一世紀(jì)的第二個(gè)十年，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題已經(jīng)日益成為每個(gè)國家都十分重視的問題，由于煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的不斷減少和環(huán)境污染問題的逐漸加重，人們開始逐漸的把目光轉(zhuǎn)向清潔能源的開發(fā)研究與利用。這些年來，由風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芤约捌渌稍偕茉吹拈_發(fā)利用已經(jīng)成為了當(dāng)今的重大課題。海洋能是海洋之中所含能量的總稱，目前主要包括潮汐能、海流能、溫差能、波浪能等。波浪能指的是海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能，是海洋中最為豐富的同時(shí)也是現(xiàn)在研究的較多的能源之一[1]。
正是因?yàn)楹Ｑ笾兴膶氋F的財(cái)富，各個(gè)國家也逐漸把維護(hù)海洋權(quán)益作為一項(xiàng)重要事宜，其中海洋監(jiān)測(cè)就是維護(hù)海洋權(quán)益的一條重要途徑，監(jiān)測(cè)為我們認(rèn)識(shí)海洋和開發(fā)海洋提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，目前的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括調(diào)查船、浮標(biāo)、海床基、航空遙感等，這些雖然是如今的主要監(jiān)測(cè)手段，但都存在著各種各樣的缺點(diǎn)和劣勢(shì)，比如需要耗費(fèi)大量人力、自主性能比較差等；另一方面如今的海洋監(jiān)測(cè)面臨著作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣、面積大、時(shí)間長(zhǎng)、投入花費(fèi)高等各種各樣的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。為了能有效的解決好這些問題，我們希望能夠開發(fā)設(shè)計(jì)一種不再受能源供給的限制而且能大范圍作業(yè)、制作成本低的移動(dòng)式的海洋載運(yùn)平臺(tái)裝置。
現(xiàn)在國際上出現(xiàn)的一種波浪動(dòng)力滑翔機(jī)為我們的海洋監(jiān)測(cè)和載運(yùn)平臺(tái)提供了新的思路。該平臺(tái)巧妙地利用海洋中的波浪能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)作業(yè)，通過衛(wèi)星與基站之間進(jìn)行指令和信息交換，同時(shí)其制造成本不高，具有廣闊的前景[3]。在當(dāng)前形勢(shì)下，我國的對(duì)于海洋監(jiān)測(cè)方面的投入和技術(shù)亟需提高，為此，我們可以參考國外已有的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主的優(yōu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)，形成具有我們完全自主創(chuàng)新的基于波浪能直接驅(qū)動(dòng)的更加優(yōu)化海洋載運(yùn)裝置[4]。
1.2波浪滑翔機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
1.2.1國外研究現(xiàn)狀
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的海洋載運(yùn)裝置是目前一種新型的基于波浪能的監(jiān)測(cè)平臺(tái)裝置，可在復(fù)雜的海洋上進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和定向追蹤，通過衛(wèi)星遙感通信與地面基站進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換處理等[5]。美國對(duì)于這種載運(yùn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究已經(jīng)比較成熟，并通過大量的實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和使用價(jià)值。美國有一家公司叫做Liquid Robotics，他們很早就開發(fā)出了波浪動(dòng)力的滑翔機(jī)裝置，如圖1-1所示；它們的基本數(shù)據(jù)參數(shù)如表1-1所示。兩種平臺(tái)相比而言，SV3更加優(yōu)化，搭載儀器更多，動(dòng)力更大。
圖1-1 SV2（左）和SV3（右）系列波浪滑翔機(jī)
表1-1 SV系列主要參數(shù)的對(duì)比
2005年，美國科學(xué)家Roger Hine為考察駝背鯨而發(fā)明了在海上可以自主長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)且無需維護(hù)的波浪滑翔裝置。
2006年，美國的Liquid Robotics 公司成立，這家公司專門研究設(shè)計(jì)與開發(fā)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)，目前已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果，在世界上處于比較領(lǐng)先的水平。
2007年，颶風(fēng) Flossie驗(yàn)證了波動(dòng)滑翔機(jī)的海上生存能力，它可以可抵御3 m浪高海況和 20 m/s 風(fēng)速的惡劣海況的能力。
2008年12月布放的名叫Stripes的波動(dòng)滑翔機(jī)，已經(jīng)累計(jì)海洋作業(yè)600天，航行的距離超過了25000km。
2011年9月，Savannah Ocean Exchange 宣布將灣流航空公司的價(jià)值 10萬美金的年度灣流領(lǐng)航獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給Liquid Robotics 公司的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)。
2011年11月，4個(gè)自主動(dòng)力滑翔裝置經(jīng)過4個(gè)月6000km的航行，從圣弗朗西斯科出發(fā)到達(dá)夏威夷。此后，有兩個(gè)裝置穿越赤道向澳大利亞前進(jìn)，另外兩個(gè)則前往日本途中，跨過世界上最深的瑪麗亞娜海溝。在持續(xù) 12個(gè)月的航行后，4 個(gè)波浪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的滑翔機(jī)均在2012年底到達(dá)目的地，一共完成了超過16000km的航行[6]。
1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
目前，一種波浪動(dòng)力滑翔系統(tǒng)已經(jīng)由國家海洋技術(shù)中心設(shè)計(jì)出了，并且通過實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證了該載運(yùn)系統(tǒng)的可行性；他們還開發(fā)了一套基于波浪能驅(qū)動(dòng)力的模擬測(cè)試裝置，在實(shí)驗(yàn)室的水池中模擬該載運(yùn)裝置在海洋波浪力下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和各種參數(shù)，測(cè)試其運(yùn)動(dòng)效率。
除了國家海洋技術(shù)中心，中國船舶重工集團(tuán)710研究所、哈爾濱工程大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研單位和高等院校也在進(jìn)行這種載運(yùn)監(jiān)測(cè)裝置的研究，但都處于一個(gè)起步階段?？偟膩碚f，國內(nèi)對(duì)于波浪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的的移動(dòng)式海洋載運(yùn)平臺(tái)的研究不是十分充分，關(guān)于這種裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者動(dòng)力學(xué)分析的參考資料不是很多[7]。
1.2.3實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀
研究這種載運(yùn)平臺(tái)的目的是為了更好的運(yùn)用到實(shí)際的海洋監(jiān)測(cè)中來，這樣才能實(shí)現(xiàn)其科研價(jià)值。所以，基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析只有將其開發(fā)出來進(jìn)行實(shí)際海試才具有實(shí)際意義。
海洋載運(yùn)裝置系統(tǒng)由柔性纜繩相連的水面母船和水下牽引機(jī)的雙體結(jié)構(gòu)組成，可以在母船和水下牽引機(jī)的不同位置搭載各式各樣的監(jiān)測(cè)儀器和傳感器以完成相應(yīng)的海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)。如圖1-2所示，在雙體結(jié)構(gòu)中，母船上面搭載氣象站、衛(wèi)星通訊、無線通訊設(shè)備、攝像頭等；下面安裝聲學(xué)儀器、熒光儀、傳感器等；在纜繩上可以掛接溫度鏈測(cè)量海水溫度；水下動(dòng)力裝置可安裝水聽器、鹽度計(jì)等設(shè)備[8]。
圖1-2 波浪滑翔機(jī)整體結(jié)構(gòu)
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的隱蔽性和具有的靜音效果，使得美國海軍將其用于偵察任務(wù)。Liquid Robotics 公司在海洋中布置著60多個(gè)動(dòng)力滑翔機(jī)，試圖建立全球海洋環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[9]。波浪滑翔機(jī)被美國情報(bào)機(jī)構(gòu)用來進(jìn)行情報(bào)搜集，通過衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)。
Liquid Robotics 公司將監(jiān)測(cè)設(shè)備連接在水下動(dòng)力裝置尾端，以勘探地形地貌，實(shí)驗(yàn)效果良好。這種載運(yùn)裝置已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)海岸污染、勘探海底地形、維護(hù)海洋權(quán)益、改善漁業(yè)生產(chǎn)等。
到目前為止，我國對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的研究和開發(fā)還處在一個(gè)起步階段。但正是由于這樣，我們更應(yīng)該加大力度去研究和發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)它廣闊的應(yīng)用前景和為我們的國家海洋發(fā)展帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。
本文在進(jìn)行波浪動(dòng)力的載運(yùn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析時(shí)，需考慮學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，并在已有的工作成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。需考慮實(shí)驗(yàn)室中各種檢測(cè)設(shè)備和動(dòng)力裝置的安裝方式、預(yù)留尺寸和重量等等，因此嚴(yán)格上來講對(duì)母船和水下動(dòng)力裝置的外形和尺寸都有特殊要求。本論文是在已有的產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行的一次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析，為研制出我們具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋載運(yùn)裝置樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。
1.3主要研究?jī)?nèi)容
本文所設(shè)計(jì)的基于波浪能的載運(yùn)裝置是由漂浮在海面上的浮體和水下的動(dòng)力牽引裝置兩部分組成。水下動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)了6對(duì)擺動(dòng)翼板，它們通過階梯軸連接，形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)并隨波浪上下運(yùn)動(dòng)。波浪向上時(shí)柔性纜繩對(duì)水下牽引機(jī)提供拉力，在其上升的時(shí)候翼板向下擺動(dòng)，水翼在水動(dòng)力的作用下推動(dòng)水下牽引機(jī)向前滑翔；波浪向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，纜繩松弛，水下動(dòng)力裝置隨之向下運(yùn)動(dòng)，而翼板向上擺動(dòng)，同樣是在水動(dòng)力的作用下向前運(yùn)動(dòng)。水下牽引機(jī)所產(chǎn)成的前向力可驅(qū)動(dòng)水面浮體的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙體結(jié)構(gòu)的同步運(yùn)動(dòng)。所以，該載運(yùn)裝置就可在波浪不斷的起伏下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的前進(jìn)。本文在現(xiàn)有的波浪滑翔機(jī)裝置的基礎(chǔ)上，主要論述和研究了以下幾個(gè)內(nèi)容：
（1） 海洋載運(yùn)裝置的雙體結(jié)構(gòu)的工作原理分析。分析和論述了國外已有的波浪驅(qū)動(dòng)裝置能夠僅在波浪作用下持續(xù)向前行進(jìn)而無需其他額外能源的原理。
（2） 雙體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，對(duì)水面浮體、連接纜繩和水下動(dòng)力裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、尺寸的確定、材料的選擇、裝配的方式、穩(wěn)定性的計(jì)算，并對(duì)關(guān)鍵的受力部位和連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核和安全性分析，從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的合理性和可靠性。
（3） 對(duì)水下動(dòng)力裝置的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)—擺動(dòng)翼板進(jìn)行了形狀和尺寸的設(shè)計(jì)、材料的選擇，驗(yàn)證其在水下復(fù)雜的受力條件下的強(qiáng)度要求。利用FLUENT軟件對(duì)擺動(dòng)水翼的形狀這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析，總結(jié)其在不同海水速度下自身前進(jìn)速度的變化規(guī)律，確定最優(yōu)的尺寸參數(shù)。
（4） 建立雙體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將復(fù)雜的受力狀況簡(jiǎn)化模型，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，顯示該載運(yùn)裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到模擬結(jié)果。
1.4課題來源及研究意義
本文的研究?jī)?nèi)容是自然科學(xué)基金與部、省、市以上科研課題大項(xiàng)目中的前期準(zhǔn)備工作。在現(xiàn)有的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)其雙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)原理的分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過軟件分析得出該載運(yùn)平臺(tái)裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，為之后的優(yōu)化工作打下良好的基礎(chǔ)。
本文所提出的設(shè)計(jì)內(nèi)容具有很好的實(shí)際意義，為我國在移動(dòng)式的海洋載運(yùn)平臺(tái)的研發(fā)上提供新的思路和基礎(chǔ)。
我國是一個(gè)海洋大國，海岸線遼闊，資源豐富。國家領(lǐng)導(dǎo)人也越來越重視對(duì)海洋權(quán)益的維護(hù)和對(duì)海洋資源的開發(fā)利用，建設(shè)海洋強(qiáng)國離不開海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)。該載運(yùn)裝置為海洋監(jiān)測(cè)提供了巨大的便利，具有廣闊的市場(chǎng)前景[10]。隨著波浪動(dòng)力滑翔機(jī)技術(shù)的不斷完善和日漸成熟，基于該裝置的海洋監(jiān)測(cè)手段可以取代部分的考察船、浮標(biāo)等傳統(tǒng)調(diào)查裝置，并且能夠廣泛應(yīng)用于漁業(yè)生產(chǎn)、海洋天氣數(shù)據(jù)收集等。該裝置所提出的直接利用波浪能提供動(dòng)力為以后的海洋開發(fā)和利用提供了新的思路和途徑，若技術(shù)成熟，可在一定程度上緩解我國能源資源緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列棘手的問題，可為各相關(guān)部門加以更好的利用。
因此，基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置對(duì)提高我國的海洋監(jiān)測(cè)能力具有深遠(yuǎn)的意義。其中，對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)的確定是必不可少的環(huán)節(jié)。尺寸、材料、關(guān)鍵動(dòng)力結(jié)構(gòu)的參數(shù)是首先要確定的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力學(xué)分析則是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，從而驗(yàn)證其科學(xué)性和可行性，最終為以后的研發(fā)提供較為充分的數(shù)據(jù)和理論支撐。
33
第二章 載運(yùn)裝置的雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2載運(yùn)裝置的雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1波浪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)
波浪是海水在外力的作用下，水質(zhì)點(diǎn)作周期運(yùn)動(dòng)，水面升落起伏并定向傳播的一種自然現(xiàn)象。波浪的運(yùn)動(dòng)只是波形的傳播，水質(zhì)點(diǎn)保持不變，這就是其運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況。如下圖所示。
圖2-1 波浪運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)
波浪在海表面振幅較大，隨著深度的增加呈遞減狀態(tài)。根據(jù)查閱得到的理論公式計(jì)算，6m水深的振幅約為0.3倍。本次設(shè)計(jì)的水下動(dòng)力裝置位于水深6m的位置，那里的波浪振幅也是比較大的，滿足動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的條件。
下圖是在文獻(xiàn)中查閱到的相關(guān)水文數(shù)據(jù)，可供后續(xù)的計(jì)算設(shè)計(jì)參考。
圖2-2 相關(guān)水文數(shù)據(jù)
2.2雙體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理解析
載運(yùn)裝置的水面浮體密度較小，形成正浮力，漂浮在水面之上，隨波起伏; 水下動(dòng)力裝置密度大成負(fù)浮力，由伸縮性很小的柔性纜繩與誰上的浮體連接；載運(yùn)裝置整體成正浮力。由于水下裝置是負(fù)浮力，因此當(dāng)浮體隨波浪下沿下落時(shí)，水下裝置隨之下潛，此時(shí)翼板受到重力和垂直于水下動(dòng)力裝置翼板的水作用力，這兩個(gè)力產(chǎn)生一個(gè)前向分力，該分力即驅(qū)使水下裝置向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)浮體隨波浪上升沿上升時(shí)，柔性纜繩張緊拉動(dòng)滑翔體隨之上升，此時(shí)翼板主要受到柔性纜繩的拉力和垂直于水下動(dòng)力裝置翼板的水作用力，此兩個(gè)力同樣可以產(chǎn)生一個(gè)前向的分力，該分力驅(qū)使滑翔體向前運(yùn)動(dòng)[11]。
圖2-3 上升時(shí)的受力
圖2-4 下降時(shí)的受力
因此，只要有波浪帶動(dòng)浮體上升和下降，水下的滑翔體就會(huì)因產(chǎn)生的分力向前運(yùn)動(dòng)，從而反過來帶動(dòng)浮體也向前運(yùn)動(dòng)。另外，牽引機(jī)上帶有舵板，可以控制載運(yùn)裝置前進(jìn)的方向，并且該方向和波浪的方向無關(guān)。
Airy波理論較為科學(xué)的描述了波動(dòng)特性，且使用起來比較方便。為了研究方便，我們將問題簡(jiǎn)化，取二維小振幅波作為載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)。其特點(diǎn): 水面呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧形式的起伏，波形以一定的速度向前傳播，波浪中線與靜水面重合。如圖2-4所示
圖2-5 波浪基本參數(shù)
單個(gè)波長(zhǎng)余弦波的勢(shì)能可以表示為，則水下某深度水質(zhì)點(diǎn)作圓周軌跡運(yùn)動(dòng)的方程為，其位置處的勢(shì)能為 。所以兩處位置的勢(shì)能差為
兩位置處的勢(shì)能差與波面振幅的平方成正比，與波數(shù) K 成反比，與水深 z 數(shù)值上成正比。因此，只要水上和水下存在振幅的不同就會(huì)產(chǎn)生能量差異，載運(yùn)裝置就能利用該勢(shì)能差，并將其轉(zhuǎn)化為前進(jìn)動(dòng)力。
2.3載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的定性分析
載運(yùn)裝置在海水表面受到波浪的起伏的推力而實(shí)現(xiàn)前向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程中與載運(yùn)裝置水面材料相連接的繩纜處于一個(gè)變化的力的狀態(tài)，時(shí)而受到雙體結(jié)構(gòu)張緊的拉力，時(shí)而處于松弛狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化模型，可將載運(yùn)裝置看作是由柔性繩纜連接兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成。柔性纜繩具有張緊和松弛兩種狀態(tài)，所以可將雙體結(jié)構(gòu)的受力簡(jiǎn)化為兩個(gè)過程：張緊過程和松弛過程。受力分析如圖所示。
圖2-6 雙體結(jié)構(gòu)的受力分析
將纜繩處于張緊狀態(tài)下的受力向水平方向分解，據(jù)動(dòng)量守恒定理，質(zhì)量大的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的位移小于質(zhì)量小的質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生的反向位移。因?yàn)槲覀兿ＭＷC雙體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大的前向合位移，所以，水面母船應(yīng)該具有較小的質(zhì)量，水下牽引機(jī)具有較大的質(zhì)量。
對(duì)水下牽引機(jī)來說，其阻礙后退運(yùn)動(dòng)的阻力越大越好，水下牽引機(jī)的前向阻力是通過擺板的擺動(dòng)位置產(chǎn)生的，所以擺板的上下運(yùn)動(dòng)的極限角度需要提供水下動(dòng)力裝置較大的向后運(yùn)動(dòng)的阻力。
將纜繩處于張緊狀態(tài)下的受力分解到垂直方向，為保證水面母船對(duì)波浪的響應(yīng)時(shí)間短，水上浮體材料質(zhì)量應(yīng)該較小，浮力應(yīng)該較大；對(duì)于水下動(dòng)力裝置則應(yīng)相反。為保證水下動(dòng)力裝置能夠在此上升過程產(chǎn)生較大的前向位移，水下裝置的擺動(dòng)翼板應(yīng)該具有合適的擺動(dòng)角度推動(dòng)水下裝置向前行進(jìn)，處于擺動(dòng)位置的對(duì)稱擺板同時(shí)增加了水下動(dòng)力裝置的上升液動(dòng)阻力。
松弛狀態(tài)下的雙體結(jié)構(gòu)可以看作兩個(gè)互相獨(dú)立的質(zhì)點(diǎn)，對(duì)水下動(dòng)力裝置來說，其在自身重力作用下下潛，同時(shí)由于擺板的作用而產(chǎn)生前向滑翔的效果，為保證水下動(dòng)力裝置與水面母船同波浪起伏具有相同的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍，水下牽引機(jī)的質(zhì)量應(yīng)該不能過大也不能過小[12]。
通過上述分解過程分析，根據(jù)極限理論假設(shè)，有如下的推斷：
（1）水面浮體材料的盡量輕，水下動(dòng)力裝置的適度重一點(diǎn)；
（2）水面浮體材料的排水量盡量大，水下動(dòng)力裝置也應(yīng)該具有較大的排水量，更好的提供豎直方向的推力；
（3）水面浮體材料向前運(yùn)動(dòng)的水阻力盡量小，水下動(dòng)力裝置向后運(yùn)動(dòng)的水阻力應(yīng)該盡量大，從而保證雙體結(jié)構(gòu)之間共同向前運(yùn)動(dòng)的位移較大。
然而，實(shí)際問題不是理想模型，總是受到各種約束條件的限制，即：
（1）水上浮體材料的密度不可能無限小，因?yàn)榇嬖诓牧厦芏?、受到的載荷強(qiáng)度和剛度強(qiáng)度穩(wěn)定性的限制；
（2）水上浮體材料的剩余浮力不可無限大，應(yīng)該使浮體上表面與海水表面的距離保證在 5-8cm 范圍內(nèi)以避免儀器受到波浪的影響而失去工作能力；
（3）水上浮體材料后退的水阻力不能無限小，同時(shí)水下動(dòng)力裝置由于沒有電機(jī)結(jié)構(gòu)，僅受波浪驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)力不可能無限大且不穩(wěn)定。
2.4 載運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的主要參考參數(shù)：6m水深的水壓=0.06MPa； 水平面的波高為1.43m，6m水深的波高為1.38m，海水流速為0.5m/s。
為了更加有效的利用波浪能，同時(shí)為了避免發(fā)生跨浪現(xiàn)象而影響能量的利用率，水面浮體長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)應(yīng)該小于1/4波長(zhǎng)。根據(jù)文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)表明，一級(jí)海浪的波長(zhǎng)大約為10m左右，載運(yùn)裝置以該波浪為設(shè)計(jì)目標(biāo)環(huán)境，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況。
水面浮體的總排水量為180千克，寬度為 0.6 米，長(zhǎng)度為 1.5 米，高度為 0.3 米。水下動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1.4米，寬度為 1.1 米，高度0.4米，其中，擺板有 12 支，對(duì)稱分布在主體的兩側(cè)。水下動(dòng)力裝置的尾部裝有轉(zhuǎn)向尾舵，用來控制前進(jìn)的方向。選擇6 米繩纜，保證連接強(qiáng)度和轉(zhuǎn)向控制，且柔性繩纜不可以由剛性連桿代替，避免發(fā)生危險(xiǎn)情況。
載運(yùn)裝置工作時(shí)，作為其主體結(jié)構(gòu)之一的水面母船漂浮在海面上，會(huì)隨著波浪的起伏和繩纜的拉拽作用而運(yùn)動(dòng)。水面浮體是整個(gè)載運(yùn)裝置平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)的必不可少的結(jié)構(gòu)，它需要有足夠的排水量來承載繩纜的拉拽力以及搭載各種需要的傳感器等，并使整體重心在浮心以下以保證其在海洋中運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定。
總而言之，水上浮體的設(shè)計(jì)要求如下：
（1）阻力?。?
（2）浮力要大，保證波浪突起時(shí)的快速響應(yīng)；
（3）重心要低于浮心，保證較高的船體搖動(dòng)穩(wěn)定性；
（4）具有較大的平整上表面，保證太陽能電池板和各種的安裝。
2.4.1 水面母船設(shè)計(jì)
圖2-8 母船結(jié)構(gòu)示意圖
圖2-7 雙體結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇，考慮到現(xiàn)有的儀器設(shè)備、加工條件來進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、尺寸的確定、材料的選擇以及裝配的方式等等。載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的三維示意圖如圖
浮體材料：為保證整體結(jié)構(gòu)具有較大的浮力并能搭載盡可能多的設(shè)備儀器，浮體選用密度較小質(zhì)量較輕的工業(yè)硬質(zhì)泡沫；初期考慮到的主要搭載儀器為：太陽能電池板，GPS定位箱，蓄電池和電動(dòng)機(jī)尾舵等儀器。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行連接固定結(jié)構(gòu)的選材與設(shè)計(jì)。
支架設(shè)計(jì)：由于浮體材料質(zhì)地較軟，無法采用螺釘打孔固定，故采用型鋼進(jìn)行包覆，以達(dá)到母船設(shè)備固定和連接等功能。型鋼材料和尺寸在滿足強(qiáng)度的前提下盡量選用手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，然后根據(jù)圖紙?jiān)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工和打孔等工序。考慮各部分的固定和連接，型鋼主要選用角鋼、槽鋼等。
尾舵：根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)和理論知識(shí)，浮體尾部設(shè)置固定尾舵，形狀選用NACA標(biāo)準(zhǔn)翼型，以起到減輕水阻，提升前進(jìn)速度的作用。
太陽能電池板采用玻璃鋼和槽鋼固定，可同時(shí)起到密封和固定的效果。
浮體底部固定槽鋼，安裝雙頭螺柱以連接纜繩和水下牽引機(jī)。
整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要的連接方式為螺紋連接，會(huì)在下文中進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。
2.4.2 水下動(dòng)力裝置的整體設(shè)計(jì)：
圖2-9 水下動(dòng)力裝置三維建模
主體支架長(zhǎng)約1000mm，高450mm，厚度25mm，由于水下牽引機(jī)在水深約6m的海況中工作，為防止腐蝕和盡肯能大的增加牽引機(jī)質(zhì)量以達(dá)到負(fù)浮力的效果，材料選擇不銹鋼板，前面設(shè)置為圓弧狀以減小水阻，根據(jù)圖紙加工通孔，從而固定水翼連接軸。
翼板：翼板采用對(duì)稱陣列共12支，形狀為NACA標(biāo)準(zhǔn)翼型，水下牽引機(jī)的水翼是產(chǎn)生前向推動(dòng)力的關(guān)鍵零件，它要抵抗海上各種各樣的環(huán)境條件，尤其是不斷變化的波浪載荷會(huì)對(duì)水翼產(chǎn)生影響，所以選擇適應(yīng)高沖擊的材料，并在表面包覆碳纖維材料以提高其強(qiáng)度和耐腐蝕性。
圖2-10 擺板三維圖
翼板確定后通過階梯軸固定和連接，采用焊接方式進(jìn)行連接。由于不存在電機(jī)和傳動(dòng)部件，所以在進(jìn)行手受力分析和校核時(shí)可盡量簡(jiǎn)化模型，考慮主要受力即可。
軸承和密封墊圈選用標(biāo)準(zhǔn)件，由于水動(dòng)力尤其是波浪載荷的不確定性，軸承選用圓柱滾子軸承，可適應(yīng)轉(zhuǎn)速低，載荷大或有沖擊載荷的條件。鑒于軸承長(zhǎng)期在海水中浸泡，選取怎樣的密封方式都不可避免與海水接觸，所以可選擇市場(chǎng)上存在的塑料或者陶瓷軸承
主體尾部裝有擺動(dòng)尾舵，通過電機(jī)和遠(yuǎn)程控制，可改變牽引機(jī)的前進(jìn)方向。
2.4.3 母船與水下牽引機(jī)的連接
水面浮體的運(yùn)動(dòng)存在六個(gè)自由度，浮體和水下動(dòng)力裝置之間除必要的拉動(dòng)之外，應(yīng)盡可能減小二者之間的其他方向的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，以防止傾覆等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。為此選用柔性纜繩進(jìn)行連接，要求是大剛度、高強(qiáng)度、高抗扭、低水阻、耐腐蝕并能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其材料和尺寸選擇通過船用纜繩規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，纜繩兩端需安裝吊鉤和螺柱連接。吊鉤的位置選擇十分重要，應(yīng)保證其懸吊點(diǎn)、水下裝置的垂向水動(dòng)力學(xué)中心和重心在同一條豎直線上。
2.5 載運(yùn)裝置的整體穩(wěn)定性要求
在確定好材料選擇和總體技術(shù)尺寸之后，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，在賦予各零件材料選擇之后，軟件可自動(dòng)精確計(jì)算出各部件的重量，體積和表面積，為接下來的受力分析和校核計(jì)算提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。
由建模軟件可知，母船重量約為80Kg，安裝好各種儀器之后約為95Kg，總排水量180Kg，漂浮于水面之上形成正浮力；水下牽引機(jī)重為40Kg，排水量10～20Kg，形成負(fù)浮力，二者經(jīng)柔性纜繩連接成為整體之后形成正浮力，所以水下牽引機(jī)可懸吊于海水之中，利用海浪驅(qū)動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)整體前進(jìn)。
根據(jù)穩(wěn)心高公式H=Zc-Zg,公式中Zc為浮心坐標(biāo)，Zg為重心坐標(biāo)，在連接了水下牽引機(jī)之后，整體的重心位置會(huì)遠(yuǎn)低于浮心坐標(biāo)，在這種條件下，當(dāng)滑翔機(jī)受到波浪的擾動(dòng)產(chǎn)生側(cè)翻的趨勢(shì)時(shí)，自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩來防止這種干擾的發(fā)生。所以，本文中所設(shè)計(jì)的水面母船具有良好的穩(wěn)定性，不會(huì)有側(cè)翻的危險(xiǎn)情況發(fā)生。
2.6 本章小結(jié)
本章通過查閱的資料，對(duì)波浪的原理進(jìn)行了描述，分析了雙體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)雙體結(jié)構(gòu)的整體尺寸進(jìn)行了確定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況選擇了材料，通過三維建模分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的重量、表面積、體積等參數(shù)，通過受力情況即重力與浮力的比較驗(yàn)證了其可行性。在此基礎(chǔ)上通過三維軟件確定整體結(jié)構(gòu)的重心和浮心，從而得出了該雙體結(jié)構(gòu)可以在海洋環(huán)境中穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生傾覆、側(cè)翻等危險(xiǎn)狀況。
第三章 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核及裝配工藝
3關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核及裝配工藝
3.1 母船支架的受力分析以及強(qiáng)度校核
本次設(shè)計(jì)中的主要規(guī)格參數(shù)如表3-1所示，在進(jìn)行計(jì)算和校核時(shí)盡量將波浪復(fù)雜的受力簡(jiǎn)化為常規(guī)的動(dòng)載荷，利用機(jī)械設(shè)計(jì)中的部件的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證整體結(jié)構(gòu)的合理性。表中數(shù)據(jù)可直接由SolidWorks軟件得到，在給定了各個(gè)結(jié)構(gòu)的材料之后，便可得出精確的結(jié)果，數(shù)據(jù)獲取方便準(zhǔn)確。
結(jié)構(gòu)
水上浮體
水下動(dòng)力裝置
尺寸(mm)
1300*600*200
1100*1000*400
表面積(m2)
7
2
體積(m3)
0.2
0.017
質(zhì)量(kg)
95
30
主要材料組成
45鋼、硬質(zhì)泡沫
不銹鋼
表3-1 雙體結(jié)構(gòu)的主要規(guī)格參數(shù)
對(duì)于水面的浮體材料，四周包覆的支架只起到固定作用，并無明顯的受力和載荷，只有上方搭載儀器設(shè)備和太陽能電池板的型鋼結(jié)構(gòu)承受了固定的壓力，根據(jù)浮體材料的尺寸和儀器箱的長(zhǎng)度，首先確定梁的長(zhǎng)度，選擇梁的截面尺寸或選擇型鋼的型號(hào)時(shí)，先按正應(yīng)力強(qiáng)度條件選擇截面尺寸或型鋼型號(hào)，然后按切應(yīng)力強(qiáng)度條件以及剛度條件進(jìn)行校核。梁的三維建模和受力如圖3-1和圖3-2所示。
圖3-1 梁的三維建模
圖3-2 支架梁的彎矩圖
由于水上浮體材料的支架只收到儀器設(shè)備的重力所產(chǎn)生的壓力，壓力是一個(gè)均布載荷，F(xiàn)=150N，儀器箱長(zhǎng)400mm，安裝在梁的中間位置，經(jīng)過計(jì)算，得出力矩圖。
可以看出支架梁的危險(xiǎn)截面在中間位置，型鋼選擇45號(hào)鋼，抗拉強(qiáng)度不小于600MPa，屈服強(qiáng)度不小于350MPa。厚度參考國家標(biāo)準(zhǔn)。
按正應(yīng)力強(qiáng)度條件選擇不等邊角鋼的規(guī)格。梁所需的彎曲截面系數(shù)為：
鑒于這個(gè)彎曲截面系數(shù)很小，由型鋼表查得的最小規(guī)格也能滿足其安全條件，從節(jié)省材料、減輕重量的角度出發(fā)，同時(shí)也為了能夠搭載更多的儀器設(shè)備，該不等邊角鋼的厚度選擇最小的3mm，角鋼號(hào)數(shù)為4，長(zhǎng)邊寬度為40mm，短邊寬度25mm，內(nèi)圓弧半徑為4mm。
該儀器支架是整個(gè)水面浮體材料中受力最大的部分，故只需對(duì)其進(jìn)行正應(yīng)力強(qiáng)度的校核即可驗(yàn)證其安全性能，其它支架起到固定和包覆作用，無明顯受力，在此不做校核，選擇尺寸時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和合理性，按照材料力學(xué)中的型鋼表的參數(shù)選擇尺寸即可。
3.2 連接結(jié)構(gòu)的校核
3.2.1 波浪載荷的簡(jiǎn)化處理
由于波浪是不規(guī)則波，水下的受力情況十分復(fù)雜，本文將簡(jiǎn)化模型，將波浪簡(jiǎn)化為規(guī)則波，母船和水下牽引機(jī)的受力分析如下。
假若物體受到的是規(guī)律波浪的激勵(lì),這個(gè)規(guī)則的波浪是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù). 我們可以把它描述成一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，并在分析時(shí)考慮極限情況：
當(dāng)D/L≤0.2時(shí)，即認(rèn)為該水下物體為小特征尺度結(jié)構(gòu)，水下連接軸即會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象，繞流現(xiàn)象就是流體流過圓柱但不發(fā)生流場(chǎng)的改變，此時(shí)水流會(huì)給圓柱一個(gè)作用力，可分解為阻力、橫向力和慣性力，其中阻力為前后壓差產(chǎn)生的，橫向力為水質(zhì)點(diǎn)存在的加速度產(chǎn)生的，慣性力為波浪產(chǎn)生的周期激振力，此時(shí)的受力分析可根據(jù)前人總結(jié)的莫里森公式進(jìn)行計(jì)算：
為慣性力指數(shù)，為阻力系數(shù)，為水質(zhì)點(diǎn)速度，為海水密度，為圓柱直徑。
在接下里的水下動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析中，都將參考莫里森公式，將復(fù)雜的波浪載荷簡(jiǎn)化，并考慮在參考數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的極限受力情況，以此來保證計(jì)算校核的合理。
3.2.2 母船雙頭螺柱的強(qiáng)度校核
由于水上浮體材料和水下動(dòng)力裝置需要通過吊鉤和吊耳連接，而由于浮體材料質(zhì)地較軟并且不能進(jìn)行打孔等加工操作，所以我們?cè)谒细◇w材料下面安裝一個(gè)槽鋼，然后通過SolidWorks建模軟件確定水上浮體材料的重心之后，在槽鋼的相應(yīng)位置打孔，插入雙頭螺柱，然后通過柔性纜繩與水下的動(dòng)力裝置進(jìn)行連接。
在進(jìn)行受力分析時(shí)，由于水面浮體的吃水深度不大，受到的波浪載荷和水阻力等都不是十分明顯，所以可只考慮常規(guī)的受力，并且考慮水上浮體材料和水下動(dòng)力裝置同步運(yùn)動(dòng)即纜繩垂直時(shí)的受力情況，這是螺柱受到的拉力的極限值，若通過計(jì)算驗(yàn)證了其強(qiáng)度和剛度，即可證明螺柱的尺寸選擇正確。計(jì)算過程如下：
雙頭螺柱簡(jiǎn)化為兩端固定的簡(jiǎn)支梁，受到纜繩向下的拉力F，F(xiàn)包括水下動(dòng)力裝置的重力G、、水下擺板受到的水的壓力F1水下裝置受到的浮力F2的矢量和，公式為:
水下動(dòng)力裝置的技術(shù)參數(shù)在前文已經(jīng)給出，所以得到
這個(gè)受力可以看做螺柱受到的集中載荷，繪制力矩圖如圖3-3所示
圖3-3 螺柱受力力矩圖
然后進(jìn)行強(qiáng)度校核，從力矩圖中可以看出，最大彎矩為中點(diǎn)處：
最大彎矩截面處：
，代入計(jì)算的數(shù)據(jù)值，螺柱材料選擇45鋼，調(diào)制處理，其=60MPa
得到，根據(jù)雙頭螺柱的技術(shù)規(guī)格，選擇直徑為20mm的等邊雙頭螺柱。
3.2.3 水翼連接軸的校核
本次設(shè)計(jì)中的水下動(dòng)力裝置需要通過剛性軸進(jìn)行翼板的連接，由于不存在電動(dòng)機(jī)，完全依靠波浪的上下波動(dòng)提供動(dòng)力，所以軸在受到翼板壓力的同時(shí)也存在一個(gè)扭矩，需要進(jìn)行彎扭強(qiáng)度校核，水翼連接軸只是起到連接的作用，在進(jìn)行受力分析時(shí)只需分析豎直方向上的壓力和波浪載荷等等，將受力模型簡(jiǎn)化處理，水翼連接軸如圖3-4所示。
圖3-4 水翼連接軸
水翼連接軸為階梯軸，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間直徑較大的軸段與主體連接，兩端與擺動(dòng)的翼板相連接，以此來實(shí)現(xiàn)上下的轉(zhuǎn)動(dòng)。
軸的材料選用45鋼，調(diào)制處理，首先需要確定小直徑的軸段的尺寸，然后根據(jù)軸承標(biāo)準(zhǔn)件和實(shí)際情況確定大端直徑的尺寸。因?yàn)檩S是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間固定，故可以只需要計(jì)算一半的受力情況。按照彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸徑，該軸的計(jì)算校核過程如下：
首先將外載荷分解到水平面和垂直面內(nèi)，求出垂直面的支撐反力和水平面的支撐反力。
此時(shí)的水動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力，其公式為：
水平方向：
豎直方向：
細(xì)軸上的扭矩：T=200
翼板受到的圓周力：Ft1=2T1dm1；
翼板受到的徑向力：Fr1=Ft1?tanα?cosδ1 方向指向圓心。
繪制軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖3-4和圖3-5所示：
3-4 軸的彎矩圖
圖3-5 軸的扭矩圖
根據(jù)公式Me=M2+(αT)2，其中對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的軸，把扭剪應(yīng)力視為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，取α=1，所以Me=M2+(αT)2=M2+T2
根據(jù)公式 σe=MmaxW=Mmax0.1d3≤[σ-1]MPa 可以對(duì)軸進(jìn)行最終校核，[σ-1]=60MPa，將數(shù)據(jù)代入經(jīng)過計(jì)算可得，，考慮到翼板的厚度，選取小軸直徑為14mm，然后確定中間大軸的尺寸，軸承選用國家標(biāo)準(zhǔn)尺寸代號(hào)為22，外徑47mm，內(nèi)徑20mm，厚度18mm，從而確定了中間軸的直徑和長(zhǎng)度。
3.3 其他部件的分析及校核
水下動(dòng)力裝置的翼板結(jié)構(gòu)具有較大的表面積，其受到的波浪載荷更加明顯，但由于本次設(shè)計(jì)中采用的是通過查閱資料得到的NACA的擺板形狀，是一個(gè)曲面流線型，通過傳統(tǒng)的力學(xué)校核很難首先對(duì)其的分析，SolidWorks三維建模軟件具有靜力分析的功能，在設(shè)定好翼板的夾具位置，給定翼板的所受簡(jiǎn)化壓力，然后選擇好翼板的材料，通過仿真模擬即可得到擺板的受力云圖，從中可以直觀展示出受力情況，并能判斷是否存在安全問題。翼板的受力圖如下所，根據(jù)旁邊的數(shù)據(jù)可知，在均勻載荷分布的情況下，遠(yuǎn)離連接軸的部分出現(xiàn)了較大的彎曲變形。但仍在材料的許用應(yīng)力允許的范圍之內(nèi)，故可以確定擺板的幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)是安全可靠的。
圖3-6 翼板受力結(jié)果圖
水上浮體材料需要固定支架，支架之間通過螺栓連接，此時(shí)的螺栓受到了剪切力的作用，為了確定螺栓的尺寸，需對(duì)其剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核過程如下：
按照抗剪強(qiáng)度公式：，所以：
在之前的敘述中已經(jīng)計(jì)算過支架梁受到的壓力，將其代入公式，螺栓的選材為40Cr,調(diào)制處理，其剪切疲勞極限：=200MPa，代入數(shù)據(jù)后可求得，查閱螺栓的標(biāo)準(zhǔn)，即可選用直徑為14mm的M14×50的螺柱用來固定和連接各個(gè)支架，其使用是正常安全的。
水上浮體材料和水下動(dòng)力裝置通過柔性纜繩相連接，需要在水下動(dòng)力裝置的主體上焊接吊鉤才可以保證連接的穩(wěn)定性。
吊耳應(yīng)有足夠的剛性和穩(wěn)定性，具有抗疲勞、耐沖擊的性能；使用時(shí)要充分考慮起重安全載荷的保險(xiǎn)系數(shù)，一般應(yīng)保證2倍工作載荷的狀態(tài)下不變形、4倍工作載荷能承載且不斷裂的原則；使用時(shí)應(yīng)該充分考慮使用頻率、磨損、受腐蝕、強(qiáng)酸、強(qiáng)鹽、高溫等比較惡劣的海水下工作環(huán)境的影響。
通過查閱相關(guān)工程資料，確定了吊耳的選型和尺寸：
圖3-7 A型鋼板吊耳
此類吊耳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承載10000kg以下的重物，把水下動(dòng)力裝置在水中所受到的重力、浮力、水壓以及波浪載荷均考慮在內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核和分析。
根據(jù)查閱的資料，若是工件的壁厚度比較大，安全系數(shù)較高，在這種情況下，A型鋼板吊耳可不使用墊板，直接采取焊接方式與水下動(dòng)力裝置的主體連接即可。
鋼板吊耳的強(qiáng)度校核：
焊縫的強(qiáng)度校核：
在上述的公式之中，N為安全系數(shù)，在此取5；P為承載重量，考慮到水的壓強(qiáng)等外界因素，在此；t為板的厚度；L為焊縫長(zhǎng)度；h為焊縫高度；R為吊耳的外圓半徑；D為吊耳的內(nèi)圓直徑。
吊耳選材為Q235-A,熱軋或者鍛后空冷，其抗拉強(qiáng)度極限=40MPa。
將設(shè)計(jì)的尺寸數(shù)據(jù)代入上述公式，求得鋼板吊耳和焊縫的強(qiáng)度均小于材料的抗拉強(qiáng)度極限，所以是安全可行的。
3.4 主要結(jié)構(gòu)的加工工藝及裝配方式
本次設(shè)計(jì)中除浮體材料之外，型鋼固定支架、水下動(dòng)力裝置的主體、水翼擺板都選用不銹鋼材料，同時(shí)選擇表面噴涂處理以防止海水的腐蝕。
水翼連接軸與水下動(dòng)力裝置的主體通過圓柱滾子軸承連接，軸承裝入加工好通孔的40mm厚的主體中，兩端使用軸承端蓋限位，以固定軸承的中間位置，軸承與端蓋之間安裝墊圈，一是可以更好地密封，二是為了防止軸承與端蓋之間長(zhǎng)時(shí)間的摩擦降低水下結(jié)構(gòu)的使用壽命和工作過程中的正常運(yùn)行。
水翼連接軸與軸承之間采用過渡配合，可以更好的提高軸的擺動(dòng)效率，為了水翼擺板在水下的同步運(yùn)動(dòng)，擺板與軸之間采用焊接的工藝裝配形式，通過查閱資料，焊接是比較好的方式，于過盈配合相比更加穩(wěn)定和堅(jiān)固。
水翼連接軸和螺柱等連接件進(jìn)行調(diào)制處理，提高其許用應(yīng)力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水下的變載荷的沖擊。
3.5 本章小結(jié)
本章主要講述了海洋載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，確定了各主要結(jié)構(gòu)的尺寸和材料選擇，考慮到水下復(fù)雜的受力情況，利用莫里森公式將受力模型簡(jiǎn)化，對(duì)水下動(dòng)力裝置的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核，從而保證連接結(jié)構(gòu)能夠安全使用，在水下的載荷中長(zhǎng)期的正常工作。在進(jìn)行了關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)的受力分析和強(qiáng)度校核之后，還對(duì)其主要連接部位的連接方式、裝配方式以及密封、防腐問題做了一系列的討論，進(jìn)而從整體上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性。
第四章 水下動(dòng)力裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力學(xué)仿真分析
4水下動(dòng)力裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力學(xué)仿真分析
4.1 FLUENT軟件介紹
FLUENT是目前國際上比較流行流體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，豐富的物理模型、強(qiáng)大的分析計(jì)算能力讓它可以滿足許多領(lǐng)域的流體分析。
FLUENT軟件以計(jì)算流體力學(xué)作為基礎(chǔ)，主要采用有限體積法作為分析計(jì)算方法，以此來求解流體控制方程組。它具有豐富的數(shù)據(jù)材料，與常規(guī)的列方程組求解的過程相比較可節(jié)省大量時(shí)間，并且仿真結(jié)果非常合理。
在進(jìn)行仿真計(jì)算之前，首先通過GAMBIT軟件進(jìn)行前處理。對(duì)于簡(jiǎn)單模型，可直接在該軟件中畫出，也可由其他三維建模軟件導(dǎo)入，使用十分方便。這兩個(gè)軟件的工作界面如圖4-1和圖4-2所示。
圖4-1 FLUENT軟件界面
圖4-2 GAMBIT界面
GAMBIT導(dǎo)入的圖形首先需要進(jìn)行幾何清理，從而保證后續(xù)劃分的網(wǎng)格的合理性。然后劃定流體區(qū)域，劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，最后生成“*.msh”文件。將生成文件導(dǎo)入FLUENT，設(shè)置基本參數(shù)例如求解器、材料屬性、邊界條件等，然后開始進(jìn)行迭代計(jì)算，最終可以形成收斂的水動(dòng)力參數(shù)值，并且可繪制速度云圖等等；如果結(jié)果不收斂，則參數(shù)需要重新設(shè)置，以得到較好的收斂結(jié)果。
本文中需要利用FLUENT軟件對(duì)水下動(dòng)力裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)—水翼擺板進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)分析，水翼擺板的形狀和擺動(dòng)的角度對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)效率起著非常重要的作用，是優(yōu)化載運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)的必要過程。所以本章采用FLUENT軟件對(duì)水翼擺板的翼型進(jìn)行分析，從而得出水下動(dòng)力裝置在水中所受到的阻力和推力。其分析過程如圖4-3所示.
圖4-3 FLUENT軟件分析流程
4.2平板翼型與NACA翼型的仿真分析
水下驅(qū)動(dòng)裝置的水翼擺板是為載運(yùn)裝置提供前向驅(qū)動(dòng)力的重要結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要，在復(fù)雜的水下受力的狀態(tài)下，擺板的形狀對(duì)于升阻比的大小影響很大。目前比較合理的形狀分為平板翼和曲面翼型。平板翼簡(jiǎn)單易于加工，但水動(dòng)力特性差，容易發(fā)生流動(dòng)分離而使升阻比減??；曲面翼型雖然加工困難，但具有很好的水動(dòng)力特性。目前國際上常見的曲面翼型為NACA翼型。
4.2.1 NACA翼型介紹
NACA翼型是美國國家航空咨詢委員會(huì)開發(fā)的一系列翼型，是目前國際上公認(rèn)的比較適合船舶等的水翼的形狀[13]。每個(gè)翼型的代號(hào)由“NACA”與一串?dāng)?shù)字組成，數(shù)字代表著特定的規(guī)格參數(shù)，將其代入到規(guī)定的公式方程中即可得到翼板的精確形狀，然后也有對(duì)應(yīng)的建模軟件可直接設(shè)計(jì)出三維模型。
NACA四位數(shù)翼型的幾何參數(shù)為：
首位數(shù)字代表最大彎度占弦長(zhǎng)的百分比；
第二位數(shù)字代表最大彎度與翼板的前端位置的距離占弦長(zhǎng)的十分之幾；
后兩位數(shù)字代表機(jī)翼最大厚度占弦長(zhǎng)的百分比。
舉個(gè)例子來說，NACA3224翼型的最大彎度為張長(zhǎng)的3%，位于距前緣0.2弦長(zhǎng)處，而弦長(zhǎng)的24%則代表其最大厚度，四位數(shù)的翼型默認(rèn)最大厚度位于距前端端面的0.3弦長(zhǎng)處。
NACA翼型的基本參數(shù)如圖4-4所示
圖4-4 NACA翼型基本參數(shù)
NACA四位數(shù)翼型中的00系列的翼板的形狀是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)表明厚度在12%一25%時(shí)，有最大的升力系數(shù)，綜合考慮，取水平翼翼型為:NACA0018，本文中設(shè)置水翼弦長(zhǎng)l=160mm,水翼展長(zhǎng)s=500mm。
4.2.2仿真結(jié)果對(duì)比與分析
本文選取了平板翼型和ＮＡＣＡ翼型進(jìn)行定量分析，運(yùn)用ＧＡＭＢＩＴ軟件直接建模，盡量簡(jiǎn)化其三維模型。因?yàn)樗聞?dòng)力裝置為６對(duì)對(duì)稱翼板的結(jié)構(gòu)組成，在分析時(shí)只需提取單個(gè)翼板進(jìn)行流體力學(xué)仿真，然后將所得數(shù)據(jù)乘以12即可得到大致的參數(shù)，這樣既保證了分析的正確性，也減少了仿真計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間。需要注意的是，在分析過程中需要控制其他變量，即需要保證兩種翼板除了形狀之外，平均厚度、弦長(zhǎng)、擺角等其他參數(shù)保持相同，從而提高數(shù)據(jù)的可信度。
建模仿真的過程如下：
利用GAMBIT分別建立兩種擺板的平面幾何模型，具體的參數(shù)如表4-1所示；根據(jù)查閱資料和之前的實(shí)驗(yàn)表明，水翼的擺動(dòng)角度在18?時(shí)，性能較好，所以可設(shè)置翼板的擺動(dòng)角度為18?。建模如圖4-5和4-6所示。
圖4-5 平板翼型
圖4-6 NACA翼型
創(chuàng)建流體區(qū)域。形狀為長(zhǎng)方形，兩種形狀需要?jiǎng)?chuàng)建相同的流體區(qū)域，流體區(qū)域的邊界尺寸不應(yīng)過小，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確，最少為翼板尺寸的4倍。
劃分網(wǎng)格。需要保持兩種形狀擺板的其他參數(shù)一致，如圖4-7和圖4-8所示。
Error! Main Document Only.圖4-7 平板翼型網(wǎng)格劃分
圖4-7 平板翼型網(wǎng)格劃分 圖4-8 NACA翼型網(wǎng)格劃分
設(shè)置邊界條件為固壁狀態(tài)，并設(shè)置速度入口和自由出口邊界條件，然后輸出能夠直接導(dǎo)入FLUENT軟件的文件。
設(shè)置FLUENT流體入口速度邊界條件分別為0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s，根據(jù)查閱資料得到6m水深的海水流速約為0.6m/s，在之后的仿真結(jié)果中可以形成連續(xù)曲線便于觀察其變化趨勢(shì)。
迭代計(jì)算。收斂后，計(jì)算兩種形狀擺板的受力并繪制水下動(dòng)力裝置整體所受的水阻力D和前向推力L的變化曲線。曲線如圖4-9和圖4-10所示。
形狀
弦長(zhǎng)(mm)
厚度(mm)
攻角(?)
平板
160
20
18
NACA
160
20
18
表4-1 水翼建模參數(shù)
圖4-9 推力曲線圖
圖4-10 阻力曲線圖
從圖示的曲線中可以看出，當(dāng)水速增加時(shí)，擺板受到的阻力和動(dòng)力都增大，但NACA0018翼型的擺板在水速達(dá)到0.5m/s時(shí)，其受到的動(dòng)力比平板形狀大，對(duì)應(yīng)的阻力比平板形狀的小。
升阻比是水翼受到的推力和阻力的比值，升阻比越大則表示擺板的水動(dòng)力特性好，在水下航行時(shí)，能更加有助于載運(yùn)裝置向前推進(jìn)。通過計(jì)算繪制兩種形狀的擺板的升阻比，如圖4-11所示。通過圖可以看出，NACA翼型升阻比較大，與平板形狀相比，可以更好的提供水下動(dòng)力裝置向前運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。
圖4-11 兩種翼型的升阻比比較
綜上所述，當(dāng)速度達(dá)到0.5m/s時(shí)或者更大，NACA翼型的擺板能比平板形狀的擺板表現(xiàn)出更好的水動(dòng)力特性，更加有助于提高載運(yùn)裝置的前進(jìn)速度和效率。根據(jù)資料調(diào)查，實(shí)際的海洋環(huán)境中，海水的流速通常是在0.5m/s以上的，所以NACA0018的擺板翼型是提供載運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)力的較佳的選擇，同時(shí)，為了適應(yīng)海洋中的復(fù)雜受力，避免擺板發(fā)生斷裂等情況，可根據(jù)實(shí)際情況在擺板表面提供碳纖維覆蓋，以增強(qiáng)其強(qiáng)度和使用性能。
4.3本章小結(jié)
本章通過流體力學(xué)仿真分析軟件FLUENT對(duì)水下驅(qū)動(dòng)裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)—水翼的形狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單水動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)置的參數(shù)都是在現(xiàn)有的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過設(shè)置不同的海水流速，得到其運(yùn)動(dòng)性能的變化趨勢(shì)。設(shè)置了平板形狀和NACA翼型的兩種不同的形狀的擺板，對(duì)比分析其在相同流速下的阻力圖、動(dòng)力圖和升阻比變化趨勢(shì)圖。得出了NACA翼型更適合于作為水下動(dòng)力裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)海洋載運(yùn)裝置和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供參考。
第六章 總結(jié)與展望
5總結(jié)與展望
基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置石油水面浮體材料和水下波浪驅(qū)動(dòng)裝置由6m柔性纜繩連接而成。該載運(yùn)裝置能夠?qū)⒑Ｑ笾械牟ɡ四苤苯愚D(zhuǎn)化為推動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，同時(shí)在水面浮體材料上搭載各種檢測(cè)設(shè)備和儀器，通過太陽能電池板為各種用電設(shè)備提供電力支持，因而可以在無人的條件下實(shí)現(xiàn)海洋長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的移動(dòng)?；诓ɡ四艿暮Ｑ笱b置的設(shè)計(jì)與研發(fā)為我國的海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)的發(fā)展提供了新的思路和方向。
本文的設(shè)計(jì)工作是在已有的國外的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過資料搜集與整理，進(jìn)行海洋數(shù)據(jù)的收集與分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選取并利用各種分析軟件進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)的分析和運(yùn)動(dòng)仿真，致力于設(shè)計(jì)研發(fā)一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可再生能源的海洋監(jiān)測(cè)裝置。本文針對(duì)波浪滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，重點(diǎn)在于力學(xué)性能的計(jì)算和校核，從而驗(yàn)證整套機(jī)構(gòu)的科學(xué)性和可行性。
本文已經(jīng)完成的工作主要有：通過對(duì)工作原理的分析與研究，對(duì)雙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性分析，提出了水上浮體和水下動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)水下復(fù)雜受力情況的模型簡(jiǎn)化進(jìn)行了尺寸的確定、關(guān)鍵受力部位的計(jì)算和校核以及充分考慮了其裝配、密封、防止海水腐蝕等一系列問題；對(duì)水下動(dòng)力裝置的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)—擺動(dòng)翼板進(jìn)行了流體力學(xué)的仿真分析，確定優(yōu)化參數(shù)；對(duì)整套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，利用MATLAB軟件進(jìn)行了模型的仿真分析，得出其運(yùn)動(dòng)的曲線和效率，為樣機(jī)的制作和進(jìn)一步優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。
通過對(duì)擺板翼型水動(dòng)力學(xué)仿真，得到了各個(gè)參數(shù)在不同水流速度沖擊下的阻力、推力的曲線圖，總結(jié)出了各參數(shù)變化時(shí)對(duì)水下動(dòng)力裝置運(yùn)動(dòng)效率的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)。
由于本次畢業(yè)論文重在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)于波浪載荷、非穩(wěn)態(tài)的波浪參數(shù)等外專業(yè)的復(fù)雜問題沒有進(jìn)行過多的了解，在查閱資料了解大致公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力的簡(jiǎn)化，從而為進(jìn)一步的計(jì)算和校核提供較為可靠和有效地?cái)?shù)據(jù)。
由于個(gè)人水平有限，本次設(shè)計(jì)的時(shí)間比較短，對(duì)載運(yùn)裝置雙體結(jié)構(gòu)的研究還沒有進(jìn)一步的深入。對(duì)于力學(xué)模型的仿真所設(shè)置的變量較少，數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)性還需進(jìn)一步去驗(yàn)證，只能將自己大學(xué)所學(xué)的知識(shí)和通過查閱了大量的文獻(xiàn)來彌補(bǔ)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的不足，盡可能的去完善本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容具有重要的實(shí)際意義和使用價(jià)值，為于我國海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了新的思路和數(shù)據(jù)參數(shù)，希望能夠?yàn)橐院蟮臉訖C(jī)制作或者我國的自主研發(fā)的新型海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供參考價(jià)值。
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