系泊系統的研究設計

彭新清 趙聰聰

摘要：隨著近淺海觀測網技術的發展，如何突破其傳輸節點中系泊系統的設計越來越重要。本文重點研究了懸鏈單線式系泊系統，通過設計錨鏈的長度、型號和重物球的質量，來確定浮標的吃水深度、游動區域及水聲通訊系統中鋼桶的傾斜角度使近淺海觀測網的傳輸節點達到最佳工作狀態。

關鍵詞：懸鏈線；matlab；有限微元法；運動方程

中圖分類號：G648 文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2018）12-0001-01

近淺海觀測網的傳輸節點由浮標系統、系泊系統和水聲通訊系統組成。浮標系統簡化為圓柱體。系泊系統由鋼管、鋼桶、重物球、電焊錨鏈和特制的抗拖移錨組成，錨鏈選用無檔普通鏈環。水聲通訊系統安裝在一個密封圓柱形鋼桶內。整個系統要求鋼桶的傾斜角度（鋼桶與豎直線的夾角）不超過5度，錨鏈末端與錨的鏈接處的切線方向與海床的夾角不超過16度。

1.系泊系統的運動狀態

把系泊系統的運動狀態劃分為三個階段。第一階段是海面風速為零時，鋼管、鋼桶、重物球、錨鏈（多余部分落在海床上）處于豎直狀態，依靠系統的浮力克服重力的階段；第二階段是在海面風速產生推動載荷的情況下，錨鏈多余的部分開始釋放并不產生反向拉力，鋼桶及四節鋼管仍處在豎直狀態，整個系泊系統以一定加速度沿著風向運動；第三階段是錨鏈多余的部分釋放完畢，錨鏈、鋼管、鋼桶在風力的推動下開始傾斜，當風的推力與系泊系統的拉力達到靜態平衡時，可以根據我們建立的各個部件動態受力模型可以得各個部件的傾斜角度，浮標的吃水深度以及根據浮標移動的距離確定以錨在海面的投影點為圓心的游動區域。在分析析不同情況下鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標的吃水深度和游動區域時，將水深、海水速度、風速三個變量同時考慮，分別建立與鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標的吃水深度和游動區域的函數關系，并利用matlab 選取有代表性的水深，畫出以鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標的吃水深度和游動區域為目標的三維圖像進行表示。

2.建立模型與求解

整個運動平衡模型如下：

將已知條件帶入系泊系統動態運動平衡模型中，計算出浮標的吃水深度χ和傾斜角度β，鋼桶的傾斜角度 ，刻畫錨鏈的形狀，錨鏈末端與錨的鏈接處的切線方向與海床的夾角α值。

3.結果分析

分析海風風速分別為12m/s和24m/s，選用II型電焊錨鏈，重物球的質量為1200kg，水深18m，且海水靜止時系泊系統的各項參數可知，這兩個風速一定程度上可以成為較小風速，使得浮標系統中浮標吃水深度X較小，系泊系統中錨鏈末端與錨的鏈接處的切線方向與海床的夾角符合技術要求，水聲通訊系統的鋼桶與豎直方向的夾角較小滿足技術要求。并且通過查閱相關海洋平臺以及懸鏈系統的實際應力實驗數據，認為本模型得到的結果具有較好的實際意義。當海風風速v=36m/s時，相同條件下系泊系統的各項參數中浮標吃水深度X較大，系泊系統中錨鏈末端與錨的鏈接處的切線方向與海床的夾角α不符合技術要求，水聲通訊系統的鋼桶與豎直方向的夾角β不滿足技術要求。而且此時位于海床上的錨已經被拖行，系泊系統有節點丟失損壞的風險。在考慮部分海域的實測水深介于16m～20m之間，海水速度最大可達1.5m/s、風速最大可達到36m/s這些實際情況時，設三個已知定義域的自變量為h海水深度 、F海浪的推力 和v海風風速 ，通過選擇錨鏈的型號、長度L和重物球的質量重物球m，計算鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈形狀、浮標的吃水深度和游動區域等符合技術要求的值。修改系統運動動態模型，并且增加海浪推力這個變量，得到新的系統運動動態模型。

憑借MATLAB工具強大的循環能力把海水深度h、海浪的推力F和海風風速v，通過選擇錨鏈的型號、長度L和重物球的質量m當做循環變量，計算出鋼桶、鋼管的傾斜角度、錨鏈末端與錨的鏈接處的切線方向與海床的夾角、浮標的吃水深度較小等參數符合技術要求時的錨鏈型號、長度L和重物球的質量m，這些可行的結果即可用來設計系泊系統的組成。

參考文獻：

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