“白龙”浮标标体设计及动力学分析

【摘要】小型深海资料浮标作为一种海洋观测平台，是人们认识海洋、探究海洋和开发海洋的必备工具，在海洋经济建设中发挥着巨大作用。由于浮标在深海环境下受到风、浪、流作用的情况复杂，对其标体及系泊系统的设计不仅要考虑所搭载设备的质量、结构等因素，而且需要通过计算、仿真等手段分析其动力学性能。本文以孟加拉湾安达曼海3000m水深的小型深海资料浮标‐“白龙”为研究对象，通过浮标设计、仿真分析及实验测试等手段，完成一款性能较为理想的深海浮标的研制工作。作者在查阅大量文献资料的基础上确定了“白龙”浮标实际工作海况，从而设计了以数据采集系统、数据通讯系统、电源系统及控制系统为代表的标体各有效载荷方案。根据类半球形、类圆锥形、圆柱形标体的水动性能差异，确定标体为类半球形结构，进而完成标体上其他各部件的设计工作。通过有限元静力学计算表明，标体在稳距、大倾角稳性、和静稳性角等方面均表现良好；而动力学分析结果显示：浮标垂荡频率为3.15rad/s，横摇频率为2.99rad/s，很好地避开了海洋谱主能频率范围。依据浮标布放及回收中的特殊要求，设计了单点定锚的绷紧式系泊方案。文中选用ANSYS的AQWA模块对浮标结构进行水动力学分析。仿真分析结果表明：（1）浮标受到的一阶波浪力幅值较小，处于锚系许用应力范围内；（2）横摇和垂荡方向的附加质量系数与阻尼系数曲线在合理范围内；（3）200s运动仿真下，浮标由二阶波浪力引起的慢漂位移较小；（4）浮标在JONSWAP海浪谱下RAO响应较小，据此推得浮标固有频率为3.2rad/s，且浮标在JONSWAP海浪谱下位移响应较小。最后，作者对所研制的“白龙”浮标样机进行了装调及近海测试，并成功布放到3000m水深站位。处理分析浮标测得的大量数据后发现，“白龙”各系统和标体结构总体满足实际工作需求，但仍有部分细节需要改善，为此，提出了进一步研究浮标结构力学性能的改进方法。本文对“白龙”浮标所做的设计计算、仿真分析及实验验证成果对研究小型深海资料浮标具有参考价值，也为在实际工程中研发其他浮标积累了经验。
【作者】孙辰；
【导师】陈志平；宁春林；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】“白龙”浮标；标体；系泊系统；静稳性；水动力学；仿真分析；

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