海面通信浮标的结构优化与性能分析*

□ 郑 鹏 □ 吴俊飞 □ 熊学军

1.青岛科技大学 机电工程学院 山东青岛 266061 2.自然资源部第一海洋研究所 山东青岛 266061

1 研究背景

随着科技的发展和时代的进步,深海油气资源的开发逐渐被重视,内波的准确观测是确保深海油气工程设施安全运作和施工人员安全的重要因素。实时传输潜标系统具有实时性能和无人值守性能,被应用于内波的预警预报中,还可以对水文环境进行长期、连续、定点、多参数观测,从而揭示内波的生成、传播、裂变及转变过程。在整个内波观测潜标系统中,海面通信浮标是信号传输的中继站,也是最容易受到破坏的设备[1]。通信浮标在海面上保持良好的工作性能,是保证信号稳定传输的关键。因此,设计一个性能稳定、运动姿态良好的海面通信浮标,对内波的预警而言具有重要意义。

试验和数值计算是当前对浮标进行研究的两种方法。曹文熙等[2]对圆柱形浮标进行了海上试验,通过提高初稳性高度来增强圆柱形浮标在海面上的自我恢复能力。Cozijn等[3]对浮标进行了数值计算分析,以欧拉参数为大角度,推导了浮标的动力学和运动学方程。朱玲等[4]采用AQWA水动力学计算模型,在规则波下对双轴对称结构的浮标进行了频域分析。Monroy 等[5]采用非线性作用的光谱波显式纳维-斯托克斯方程,模拟了浮标在规则波和不规则波下的幅值响应算子。以上研究没有考虑浮标系泊的影响,也没有考虑屈曲稳定性能。

针对应用于实时传输潜标的海面通信浮标,笔者对通信浮标外形结构进行优化,提高通信浮标的初稳性,进而使通信浮标在恶劣的海况下具有足够的自我恢复稳定的能力。通过AQWA水动力学计算模型对通信浮标进行一阶波浪力横摇分析,得到横摇曲线,参考《海船稳性规范》的要求,使横摇幅值达到小于15(°)/m的要求[6]。因为浮标系泊的影响,当海流变化或海浪生产作用时,通信浮标会发生垂荡运动。通过ANSYS软件对通信浮标进行屈曲分析,观察沉入海水时的屈曲稳定性。同时进行一阶升沉分析,确定升沉力是否能够拖动海底潜标,以及是否会对传输线缆造成破坏。

2 结构分析

海面通信浮标主要由天线、筒体、电池,以及底部配重重块四部分构成。浮标整体由304不锈钢材料加工制作,筒体厚度为4 mm。底部选用铅板配重,电池固定安装在浮标底部,中间空隙由泡沫材料填充,确保浮标在海面摇晃的过程中电池不会发生脱落等现象。浮标底部通信线缆外皮包裹凯芙拉绳缆,确保通信浮标在海面上发生升沉现象时不会拽断通信线缆。

在实际使用中发现如下问题:原通信浮标质量过大,搬运和安装困难;质心位置过高,导致通信浮标在海面的姿态不良;原通信浮标质量大,净浮力小,使用时间过长之后,生物附着表面的现象严重,会导致通信浮标沉没;原通信浮标结构为圆柱形,当在海面上发生倾斜时,浮心与质心之间横向距离变化小,导致通信浮标的回复力臂过小,通信浮标不能够快速回正;原通信浮标的摇摆固有周期偏大,处在南海波浪的主要能量周期内,易发生共振,因而原通信浮标会发生大角度摇摆,对信号传输造成影响。

3 结构优化

针对原通信浮标海试中存在的问题,对原圆柱形通信浮标进行结构优化。将通信浮标的高度由原来2.13 m降低至1.76 m,直径由0.36 m减小至0.28 m,筒体壁厚减小至3 mm,结构优化后通信浮标的整体质量减轻了29 kg。为增大通信浮标净浮力,通信浮标筒体外层采用包裹泡沫浮体的方法,使原圆柱形改为葫芦形,在增大水面横截面积,提高浮心位置的同时,增大浮心的位置变化范围。在通信浮标的底部进一步增大配重,在降低通信浮标质心位置的同时提高初稳性[7],从而能够使通信浮标在海面上保持良好的姿态,不会发生倾斜角度过大甚至倾覆等现象。海面通信浮标结构优化前后对比如图1所示。

通信浮标整体沿中心轴对称分布,所以质量对称,质心和浮心都位于Z轴上。浮心指通信浮标水下部分体积的几何形心,应用SolidWorks软件建模,并对通信浮标进行质量分析,可以得到质心和浮心的坐标。

▲图1 海面通信浮标结构

原圆柱形通信浮标和优化后葫芦形通信浮标基本参数对比见表1,其中水平面为Z轴坐标原点所在平面,水平面的选取原则为水下部分的浮力等于浮标的重力。

表1 海面通信浮标参数对比

4 初稳性校核

通信浮标在海面上的倾斜角度可以通过计算通信浮标的回复力矩与波浪对通信浮标产生的倾覆力矩来确定。在一定的海况条件下,波浪对通信浮标产生的倾覆力矩是确定的,所以稳定性分析的关键是计算通信浮标的回复力矩随倾斜角度的变化。通信浮标的回复力矩由通信浮标的重力与浮力产生,当通信浮标在海面上保持静止时,重力和浮力是一对大小相等、方向相反的力。当通信浮标发生倾斜时,重力与浮力不在一条垂线上,这样就产生了一个使通信浮标恢复至平衡位置的回复力矩,这一回复力矩M为:

M=Flsinθ

(1)

式中:F为通信浮标的重力;l为质心与浮心之间的距离;θ为浮标的倾斜角度。

通信浮标在海面上的运动姿态主要取决于质心与浮心的位置,若浮心在质心之上,则产生正回复力矩,可以扶正通信浮标;若浮心在质心之下,则通信浮标会发生倾覆。当通信浮标在仅有重力和浮力作用时,通信浮标竖直浮动,此时质心与浮心之间的距离l为初稳性高度,计算可简化为:

l=zb-z

(2)

式中:zb为浮心在Z轴上的坐标;z为质心在Z轴上的坐标。

根据式(2),得到圆柱形通信浮标初稳性高度为0.12 m,葫芦形通信浮标初稳性高度为0.15 m。由于国内并无针对浮标初稳性高度的规范,因此笔者参考《海船稳性规范》的要求,确定海面通信浮标的初稳性高度不小于0.15 m[8],由此可见结构优化后的葫芦形通信浮标满足要求。

5 外载荷分析

通信浮标在实际使用中发现,当海流突然增大或内波来袭时,通信浮标会被拖拽沉入海面。此时,通信浮标筒体受到海水的压力,将发生强度破坏和壳体屈曲失稳[9]。可见,需要对通信浮标进行强度和屈曲失稳分析。其中,强度分析是对通信浮标外壳受压后抵抗断裂、破损等能力进行的分析,屈曲失稳分析用于确定通信浮标在海水下的稳定性,以及通信浮标结构失稳的临界载荷。通常而言,屈曲破坏会先于强度破坏发生,但出于科研严谨,应进行强度分析。

由以往自容式潜标数据可知,潜标主浮体最大下沉距离为60 m,按照1.5倍余量进行设计,理论承受压强应为1 MPa。对通信浮标底面施加固定约束,对通信浮标侧面和顶面施加压力。以一阶模态为例,应用ANSYS软件对葫芦形通信浮标进行分析,得到葫芦形通信浮标外载荷一阶模态分析云图,如图2所示。

葫芦形通信浮标强度破坏一般主要发生在直径过渡处。由图2可知,结构优化后葫芦形通信浮标的最大等效应力为65.879 MPa,小于304不锈钢的屈服极限(310 MPa),由此可知结构优化后葫芦形通信浮标不会发生强度破坏。葫芦形通信浮标的最大变形量为1.088 8 mm,为最大外形尺寸的3‰,因此可忽略不计。一般条件下,当结构的屈曲安全因数大于1.5时,结构即被认为能够满足稳定性要求。葫芦形通信浮标的屈曲安全因数为6.9,远大于屈曲安全因数1.5,确认结构优化后葫芦形通信浮标不会发生失稳。

6 一阶波浪力仿真分析

6.1 波浪谱选择

根据以往资料[10],南海北部海域与其它海域的波况相比具有周期短、波高较小等特点,因此选取有义波高为5 m,谱峰周期为7.1 s,谱峰因子为1.0,考虑波浪方向为横摇90°,设置起始周期为模型最小值,终止周期为20 s。

▲图2 葫芦形通信浮标外载荷一阶模态分析云图

6.2 固有频率计算

通信浮标的摇摆固有周期是衡量通信浮标在海面上受到波浪力之后摇摆的关键因素,摇摆固有周期越接近南海波浪能量周期,通信浮标的摇摆幅度越大。因此,通信浮标设计时应使摇摆固有周期尽量避开南海的主要波浪能量周期。当通信浮标在海水中受到简谐波浪作用时,根据浮体运动的理论公式,通信浮标横摇固有频率Tx可近似表达为:

(3)

式中:Ir为通信浮标转动惯量;Ir为通信浮标附加转动惯量;D为通信浮标排水量。

通信浮标的转动惯量可以通过建立三维模型,测定质量属性求得。初稳性高度可由式(2)求得。根据阿基米德定律,通信浮标排水量可以由浮力大小得到。

通信浮标在海水中的运动往往是非定常的,在随波浪运动时,不仅需要克服自身的惯性力,而且需要克服周围海水的惯性力。这个惯性力就是附加惯性力,附加惯性力只与海平面以下的通信浮标有关,因此采用边界元法对通信浮标进行计算[11]。笔者应用AQWA水动力学计算模型计算附加转动惯量,通信浮标附加转动惯量随波浪周期的变化曲线如图3所示。

▲图3 通信浮标附加转动惯量变化曲线

根据南海北部的实际海况,南海波浪的主要能量周期为4～12 s。由图3可知,在4～12 s内,圆柱形通信浮标的附加转动惯量为0.471 kg·m2/(°),葫芦形通信浮标的附加转动惯量为0.225 kg·m2/(°)。由式(3)计算可得,圆柱形通信浮标的摇摆固有周期为3.37 s,葫芦形通信浮标的摇摆固有周期为2.53 s。

6.3 一阶波浪力分析

通信浮标一阶波浪力分析曲线如图4所示。由图4(a)可见,两条横摇曲线都有明显峰值,说明通信浮标的横摇固有频率和波浪频率产生共振时对整个通信浮标的横摇影响明显。结构优化后葫芦形通信浮标的横摇角度在4 s之后相比圆柱形通信浮标,能够更快地趋于稳定。结构优化后葫芦形通信浮标横摇角度极值对应的波浪周期小于圆柱形通信浮标,且结构优化后葫芦形通信浮标的横摇角度极大值6.492 (°)/m远小于圆柱形通信浮标的横摇角度极大值。

▲图4 通信浮标一阶波浪力分析曲线

参考《海船稳性规范》的要求,一般浮标的横摇角度应小于15 (°)/m,因此结构优化后葫芦形通信浮标满足一般浮标横摇角度的设计要求。

由图4(b)可知,在波浪主要能量周期4～12 s内,结构优化前后通信浮标的升沉力变化都较为平缓,均没有出现明显跃变,但结构优化后葫芦形通信浮标的升沉力明显小于圆柱形通信浮标。通信浮标受到的升沉力越小,对传输线缆造成的损害越小,可以有效延长线缆的使用寿命,进一步确保潜标数据顺利传输。

7 结束语

笔者针对海面通信浮标实际使用中发现的问题,对通信浮标结构进行优化。针对结构优化后的葫芦形通信浮标,进行了初稳性和仿真模拟分析。分析结果显示,葫芦形通信浮标相比圆柱形通信浮标,初稳性高度提高了0.03 m,增大了回复力矩,使通信浮标能够更快速恢复至竖直位置。葫芦形通信浮标屈曲安全因数为6.9,远大于结构屈曲安全因数1.5,有效避免了结构屈曲失稳破坏。在发生低频共振时,结构优化后葫芦形通信浮标横摇角度减小了85.3%,且达到小于15 (°)/m的一般浮标设计要求。结构伏化后,葫芦形通信浮标在海面上的稳定性和运动姿态相比圆柱形通信浮标有明显改善,为海面通信浮标的结构设计和优化提供了可靠方案。