基于海洋平台的海流观测系统设计与关键部件研究

论文摘要

作为重要的海洋环境参数,海流数据的实时获取对渔业、港建和国防领域影响重大。海流观测方法包括浮标测流法、走航测流法以及定点测流法。其中,定点测流法是工程中最常见的测流方法,它是以海洋平台、测流固定架或锚定的浮标等作为承载工具,定点安装或悬挂海流测量设备以达到在较长时间内获取海流数据的目的。对于海洋平台周围的海流数据观测,目前有定点浮球式和平台电缆下放式两种方法。前者受环境影响较大,且属于“自容式”观测,无法做到海流数据的实时在线传输;后者安装过程简单,但海流观测设备与平台距离很近,测量结果准确性欠佳。针对这些缺点,本文以中国南部海域某平台为研究对象,设计了一种双重力基础式海流观测系统,并对系统中关键部件进行设计、试验和有限元分析。本系统可以保证海流数据实时在线传输,并提高数据观测准确性。首先,设计了双重力基础式海流观测系统布置形式与安装过程;针对系统中两种关键复合缆——竖向抗拉复合缆和水下连接复合缆,进行性能分析、截面形式设计和材料选型;为了保护海流计接线处不受海流冲击,防止接头处剧烈摆动,设计了一种特种接头作为海流计末端接线罩,以延长海流计使用寿命;在安装过程的最后一步,需要在海底将钢丝绳与重力基础脱离,基于土建中强夯机脱钩器原理,设计了一款液压脱钩器模型,通过ANSYS对释放钩强度进行校核,并设计试验验证模型可以顺利使用。此款脱钩器可以实现在岸上打油压实现钢丝绳与重力基础分离,避免了人工潜水操作的不安全性和水下机器人的高昂费用。其次,通过OrcaFlex海洋工程软件建立竖向抗拉复合缆模型,选取南海百年一遇的风浪流载荷作为环境参数,计算其在无限位状态下不同预紧力大小时的侧偏移量,并提取关键位置的计算结果进行分析,发现无限位状态下的复合缆侧偏移量不能满足安全要求;结合工程实际,对竖向抗拉复合缆进行刚性限位设计,在OrcaFlex软件中通过“钟形嘴”结构模拟限位效果,并设置静态和动态分析参数,计算不同限位位置下的复合缆侧偏移量,分析限位位置和预紧力大小对侧偏移效果的影响,为实际工程中的限位选择提供指导意见。最后,对海底连接复合缆进行碰撞损伤分析。通过理论计算,得出55Kg重块的极限碰撞速度为2.88m/s,撞击能量为276.87J;通过ANSYS建立海底连接复合缆、重块和土体的有限元模型,并进行模型间接触、载荷和约束设置,再导入非线性分析软件LSDYNA中进行重块与海底连接复合缆碰撞仿真,得到极限碰撞速度下55Kg重块对海底连接复合缆的损伤结果,分析铠装层应力、应变情况和信号芯线应变情况;改变重块碰撞速度进行计算,得到碰撞速度越大损伤效果越明显的一般性规律;改变铠装层材料进行计算,分析铠装层材料为高强度钢丝和低碳钢丝时的损伤效果,发现前者的铠装层能抵抗更大的冲击应力,故保护效果更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 海流观测基础知识介绍
•     1.2.1 海流观测方法分类
•     1.2.2 海流计介绍
•   1.3 基于海洋平台的海流观测系统研究现状
•   1.4 本文结构安排
• 2 海流观测系统布置形式及关键部件结构设计
•   2.1 海流观测系统总体设计
•     2.1.1 布置形式
•     2.1.2 安装过程与回收
•   2.2 复合缆设计
•     2.2.1 电缆性能分析
•     2.2.2 竖向抗拉复合缆设计
•     2.2.3 水下连接复合缆设计
•   2.3 海流计末端特种接头设计
•   2.4 液压脱钩器设计
•     2.4.1 液压脱钩器结构形式
•     2.4.2 液压脱钩器强度计算
•     2.4.3 液压脱钩器试验验证
•   2.5 本章小结
• 3 竖向抗拉复合缆整体分析与限位设计
•   3.1 环境载荷
•     3.1.1 风载荷
•     3.1.2 波浪载荷
•     3.1.3 流载荷
•   3.2 有效张力与真实张力
•   3.3 无限位分析
•     3.3.1 Orca Flex 介绍
•     3.3.2 竖向复合缆环境参数
•     3.3.3 竖向复合缆尺寸与性能参数
•     3.3.4 模型建立与载荷施加
•     3.3.5 无限位模拟结果
•   3.4 限位设计与计算
•     3.4.1 限位设置
•     3.4.2 结果分析
•   3.5 本章小结
• 4 海底连接复合缆碰撞损伤分析
•   4.1 撞击能量计算
•     4.1.1 下落重物受力分析
•     4.1.2 撞击能量计算
•     4.1.3 实例计算
•   4.2 冲击模型有限元建模
•     4.2.1 LS-DYNA简介
•     4.2.2 几何建模
•     4.2.3 网格划分
•     4.2.4 接触设置
•     4.2.5 载荷与约束
•   4.3 仿真结果与分析
•     4.3.1 不同撞击速度分析
•     4.3.2 不同铠装层材料分析
•   4.4 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 本文结论
•   5.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冯硕

导师: 李红霞

关键词: 海流观测,液压脱钩器,复合缆,限位,碰撞仿真

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连理工大学

分类号: P715

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002755

总页数: 79

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