投棄式波流測量傳感器浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

投棄式波流測量傳感器浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

波浪和海洋流量的觀察技術(shù)是海洋科學(xué)研究的兩個重要領(lǐng)域。這兩種方法在海洋物理研究、海洋工程和海洋資源開發(fā)方面提供了重要的海拔高度數(shù)據(jù)。利用波浪浮標(biāo)對海浪進(jìn)行表面測量是獲取海浪數(shù)據(jù)的重要手段,波浪浮標(biāo)是目前對海洋波浪進(jìn)行觀測的主要設(shè)備。從1946年英國海軍部研究實驗室提出用波浪浮標(biāo)觀測波浪的設(shè)想,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前波浪浮標(biāo)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各地。國內(nèi)也有許多科研機(jī)構(gòu)對波浪浮標(biāo)進(jìn)行了研究。目前國內(nèi)外常見的波浪浮標(biāo)具備較強(qiáng)的生存能力與較長的維護(hù)周期,但因體積大,重量大,浮標(biāo)的運輸布放難度較大,成本較高,使用的靈活性受限。雖然也有部分科研機(jī)構(gòu)設(shè)計出了直徑較小的波浪浮標(biāo),但這類浮標(biāo)依然受到錨泊系統(tǒng)等因素的影響,不便于大面積布放,使用的靈活性依然受限。海洋觀測中使用的測流儀器主要有機(jī)械旋槳式海流計、電磁海流計、聲學(xué)多普勒海流計、光學(xué)海流計、電阻式海流計和遮阻渦流海流計等。漂流法是最古老的測流方法,該方法以漂浮物體的位移確定表面流的流速和流向。經(jīng)過技術(shù)上的重大變革,漂流法以其方便快捷等優(yōu)勢,依然是海流觀測的重要手段。本文所研究的投棄式波流測量傳感器將波浪浮標(biāo)和漂流式海流計的功能融合在了一起,能夠測量波浪和海流兩個參數(shù)。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單緊湊,可以從飛機(jī)或船舶上投棄布放,具有較好的隨波性和隨流性。1浮標(biāo)體的組成和作用投棄式波流測量傳感器的浮標(biāo)體主要有以下幾個結(jié)構(gòu)設(shè)計要求:(1)結(jié)構(gòu)簡單緊湊,便于投棄布放;(2)滿足通信要求,便于測量信號的輸出;(3)要求浮標(biāo)體具有較好的隨波浪和海流運動的特點?；谝陨蠋追矫嬉?本文設(shè)計了投棄式波流測量傳感器的浮標(biāo)體結(jié)構(gòu),如圖1所示。浮標(biāo)體由圓柱形儀器艙、浮力葉片、通信單元、配重盤等4部分組成。浮標(biāo)體的主體采用圓柱形PVC筒作為儀器艙,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,直徑約75mm,便于手持投放和空投布放。為了使投棄式波流測量傳感器能夠長時間的工作,需要在儀器艙內(nèi)放置盡可能多的電池,這就大幅度增加了傳感器的重量,因此需通過浮力葉片來增加浮標(biāo)體浮力。如圖1所示,當(dāng)浮標(biāo)體處于工作狀態(tài)時,4片浮力葉片呈圓周均布狀對稱分布在圓柱形儀器艙周圍,通信單元位于浮力葉片上方,這種結(jié)構(gòu)便于測量信號的輸出,滿足投棄式波流測量傳感器的通信要求。配重盤用軟繩連接到儀器艙底部,主要起到兩個作用:第一,可以降低浮標(biāo)體的重心位置,增加重心和穩(wěn)心之間的距離,有利于浮標(biāo)體在水中姿態(tài)的穩(wěn)定;第二,在不同方向海流的作用下,配重盤可以向相應(yīng)方向傾斜(如圖2所示),增加承受海流作用力的受力面積,有利于浮標(biāo)體隨海流運動。本文設(shè)計了3種浮標(biāo)體結(jié)構(gòu),它們結(jié)構(gòu)組成基本相同,三者的主要區(qū)別在于浮力葉片的結(jié)構(gòu)形式不同,如圖3所示。其中A型結(jié)構(gòu)葉片采用剛性硬質(zhì)塑料材料作為內(nèi)骨,外面包裹著浮力泡沫和防水帆布;B型結(jié)構(gòu)葉片采用柔性塑料作為內(nèi)骨,外面包裹著浮力泡沫和防水帆布;C型結(jié)構(gòu)葉片沒有內(nèi)骨,直接用帆布包裹浮力泡沫連接于圓柱形儀器艙上。A型浮標(biāo)體的各部件之間不存在柔性變形,浮力泡沫自身在波浪和海流的作用下引起的變形對浮標(biāo)體的運動影響很小,所以A型浮標(biāo)體可以用剛性浮標(biāo)體的相關(guān)理論進(jìn)行研究分析。而B、C兩種浮標(biāo)體的儀器艙和浮力葉片之間為柔性連接,因此浮體在海水中的運動特性需要用柔性機(jī)構(gòu)學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行研究。2偽剛體模型分析偽剛體模型的概念是用具有等效的力與變形關(guān)系的剛體構(gòu)件來模擬柔性部件的變形。建立了柔性結(jié)構(gòu)的偽剛體模型后,就可以將剛性機(jī)構(gòu)的研究理論用于分析柔性機(jī)構(gòu)。對于柔性機(jī)構(gòu)來說,偽剛體模型可以預(yù)測其變形軌跡和力———變形關(guān)系,其運動是用具有鉸鏈的剛性桿來模擬的,柔性機(jī)構(gòu)的力——變形關(guān)系是用附加的彈簧來準(zhǔn)確描述的。建立偽剛體模型的關(guān)鍵是確定在什么地方放置鉸鏈以及設(shè)置多大的彈簧常數(shù)?，F(xiàn)有偽剛體模型理論的研究對象主要有:短臂柔鉸、各種載荷情況下的等截面直梁和初始彎曲懸臂梁。上文所提的B型和C型浮標(biāo)體可以用短臂柔鉸模型進(jìn)行分析。2.1偽剛體模型的建立從圖3可以看出,B型浮力葉片的柔性內(nèi)骨很大一部分被浮力泡沫緊緊包裹著,外露的一小截柔性內(nèi)骨固定在儀器艙上。當(dāng)浮力葉片承受海水的作用力時,由于柔性內(nèi)骨遠(yuǎn)比浮力泡沫易變形,可以認(rèn)為變形僅發(fā)生在外露的那一小截柔性內(nèi)骨上。這種力—變形關(guān)系與偽剛體模型理論中的短臂柔鉸模型相同。因此建立B型浮力葉片的偽剛體模型如圖4所示。從圖4可知,偽剛體模型將柔性桿件等效成了由彈性關(guān)節(jié)鉸鏈連接的兩個剛性桿件。接下來只需要確定彈性關(guān)節(jié)鉸鏈的位置及彈簧常數(shù)就建立了一個完整的偽剛體模型。由短臂柔鉸模型可知,彈性關(guān)節(jié)鉸鏈的位置為l/2處,彈簧常數(shù)K為:式中:l為外露的那一部分內(nèi)骨的長度;E為柔性內(nèi)骨的彈性模量;I為柔性內(nèi)骨的橫截面慣性矩。2.2繞連接部位上下轉(zhuǎn)動C型浮力葉片不包含柔性內(nèi)骨,直接用防水布包裹浮力泡沫連接到儀器艙上。當(dāng)浮力葉片承受海水的作用力時,葉片繞連接部位上下轉(zhuǎn)動。這種情況類似于偽剛體模型理論中的活動鉸鏈模型。活動鉸鏈?zhǔn)嵌瘫廴徙q的一個特例,是指特別短而細(xì)的短臂柔鉸。活動鉸鏈模型中的彈簧的剛度可以忽略,應(yīng)用在C型浮力葉片上就是指其偽剛體模型為兩個用鉸鏈連接的剛性桿件,與短臂柔鉸模型不同的是該模型只需確定鉸鏈的位置。該鉸鏈位于l/2處,如圖5所示。3浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)對浮標(biāo)姿態(tài)的影響波流測量浮標(biāo)在海洋波浪和海流的作用下運動,其浮標(biāo)體對波浪和海流的響應(yīng)情況直接影響測量的效果。文獻(xiàn)給出了不同直徑的浮標(biāo)體的理論波浪響應(yīng)曲線。得出結(jié)論,浮標(biāo)體的直徑越小,對于波浪的響應(yīng)越好。本文所研究的波流測量浮標(biāo)直徑只有75mm,遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的其他波浪浮標(biāo),可以認(rèn)為該浮標(biāo)體在波浪響應(yīng)上具備顯著的優(yōu)勢。波流測量浮標(biāo)在測量海流方面應(yīng)用拉格朗日法測流,屬于表層漂流浮標(biāo),它的基本出發(fā)點是讓浮標(biāo)自由漂流并隨被測海流同步飄移。本浮標(biāo)采用圓周對稱設(shè)計,可以承受各個方向的海流作用,配重盤可以實現(xiàn)與海流方向垂直的萬向轉(zhuǎn)動,是非常實用的表層水帆,因此,本浮標(biāo)具有很好的隨海流運動的性能。下面討論3種浮力葉片結(jié)構(gòu)對浮標(biāo)體姿態(tài)的影響。浮標(biāo)體在海水中的姿態(tài)及穩(wěn)定性對波流測量浮標(biāo)的測量精度和通信質(zhì)量有著很重要的影響。圖6給出了3種浮標(biāo)的偽剛體模型在傾斜運動時的總體姿態(tài)。從圖中可以看出,B,C型浮標(biāo)體由于活動鉸鏈的存在,在浮標(biāo)體承受波浪的傾斜作用力時,儀器艙和通信單元傾斜角度比A型浮標(biāo)體要小(θA>θB>θC),傾斜角度被鉸鏈的旋轉(zhuǎn)動作化解。而且C型浮力葉片在旋轉(zhuǎn)時,由于沒有扭簧的作用,旋轉(zhuǎn)更加自如,儀器艙和通信單元的傾斜角度更小,姿態(tài)更穩(wěn)定。圖7給出了3種浮標(biāo)的偽剛體模型在升沉運動時的總體姿態(tài)。由于活動鉸鏈的存在,B,C型浮標(biāo)體的浮力葉片可以更好保持和水面的接觸,降低浮標(biāo)體與水面的相對震蕩。同樣,C型浮力葉片由于沒有扭簧的作用,隨波浪起伏的性能更好。由于活動鉸鏈的存在,葉片在波峰和波谷處均能很好地與水面接觸,使得測量單元與水面的相對距離始終保持一致(H-HA>H-HB>H-HC),有利于測量精度的提高。在浮標(biāo)體處于波峰時,配重盤可以起到一定的阻尼作用,降低了浮標(biāo)體被拋出水面的可能。從以上得知,C型浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)在波浪中具備更好的姿態(tài)條件和提高測量精度的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。4浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)模型的建立本文概括了投棄式波流測量傳感器浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)特點;并基