投弃式波流测量传感器浮标体的结构设计

投弃式波流测量传感器浮标体的结构设计

波浪和海洋流量的观察技术是海洋科学研究的两个重要领域。这两种方法在海洋物理研究、海洋工程和海洋资源开发方面提供了重要的海拔高度数据。利用波浪浮标对海浪进行表面测量是获取海浪数据的重要手段,波浪浮标是目前对海洋波浪进行观测的主要设备。从1946年英国海军部研究实验室提出用波浪浮标观测波浪的设想,经过几十年的发展,目前波浪浮标已经广泛应用于世界各地。国内也有许多科研机构对波浪浮标进行了研究。目前国内外常见的波浪浮标具备较强的生存能力与较长的维护周期,但因体积大,重量大,浮标的运输布放难度较大,成本较高,使用的灵活性受限。虽然也有部分科研机构设计出了直径较小的波浪浮标,但这类浮标依然受到锚泊系统等因素的影响,不便于大面积布放,使用的灵活性依然受限。海洋观测中使用的测流仪器主要有机械旋桨式海流计、电磁海流计、声学多普勒海流计、光学海流计、电阻式海流计和遮阻涡流海流计等。漂流法是最古老的测流方法,该方法以漂浮物体的位移确定表面流的流速和流向。经过技术上的重大变革,漂流法以其方便快捷等优势,依然是海流观测的重要手段。本文所研究的投弃式波流测量传感器将波浪浮标和漂流式海流计的功能融合在了一起,能够测量波浪和海流两个参数。该传感器结构简单紧凑,可以从飞机或船舶上投弃布放,具有较好的随波性和随流性。1浮标体的组成和作用投弃式波流测量传感器的浮标体主要有以下几个结构设计要求:(1)结构简单紧凑,便于投弃布放;(2)满足通信要求,便于测量信号的输出;(3)要求浮标体具有较好的随波浪和海流运动的特点。基于以上几方面要求,本文设计了投弃式波流测量传感器的浮标体结构,如图1所示。浮标体由圆柱形仪器舱、浮力叶片、通信单元、配重盘等4部分组成。浮标体的主体采用圆柱形PVC筒作为仪器舱,结构简单紧凑,直径约75mm,便于手持投放和空投布放。为了使投弃式波流测量传感器能够长时间的工作,需要在仪器舱内放置尽可能多的电池,这就大幅度增加了传感器的重量,因此需通过浮力叶片来增加浮标体浮力。如图1所示,当浮标体处于工作状态时,4片浮力叶片呈圆周均布状对称分布在圆柱形仪器舱周围,通信单元位于浮力叶片上方,这种结构便于测量信号的输出,满足投弃式波流测量传感器的通信要求。配重盘用软绳连接到仪器舱底部,主要起到两个作用:第一,可以降低浮标体的重心位置,增加重心和稳心之间的距离,有利于浮标体在水中姿态的稳定;第二,在不同方向海流的作用下,配重盘可以向相应方向倾斜(如图2所示),增加承受海流作用力的受力面积,有利于浮标体随海流运动。本文设计了3种浮标体结构,它们结构组成基本相同,三者的主要区别在于浮力叶片的结构形式不同,如图3所示。其中A型结构叶片采用刚性硬质塑料材料作为内骨,外面包裹着浮力泡沫和防水帆布;B型结构叶片采用柔性塑料作为内骨,外面包裹着浮力泡沫和防水帆布;C型结构叶片没有内骨,直接用帆布包裹浮力泡沫连接于圆柱形仪器舱上。A型浮标体的各部件之间不存在柔性变形,浮力泡沫自身在波浪和海流的作用下引起的变形对浮标体的运动影响很小,所以A型浮标体可以用刚性浮标体的相关理论进行研究分析。而B、C两种浮标体的仪器舱和浮力叶片之间为柔性连接,因此浮体在海水中的运动特性需要用柔性机构学的相关理论进行研究。2伪刚体模型分析伪刚体模型的概念是用具有等效的力与变形关系的刚体构件来模拟柔性部件的变形。建立了柔性结构的伪刚体模型后,就可以将刚性机构的研究理论用于分析柔性机构。对于柔性机构来说,伪刚体模型可以预测其变形轨迹和力———变形关系,其运动是用具有铰链的刚性杆来模拟的,柔性机构的力——变形关系是用附加的弹簧来准确描述的。建立伪刚体模型的关键是确定在什么地方放置铰链以及设置多大的弹簧常数。现有伪刚体模型理论的研究对象主要有:短臂柔铰、各种载荷情况下的等截面直梁和初始弯曲悬臂梁。上文所提的B型和C型浮标体可以用短臂柔铰模型进行分析。2.1伪刚体模型的建立从图3可以看出,B型浮力叶片的柔性内骨很大一部分被浮力泡沫紧紧包裹着,外露的一小截柔性内骨固定在仪器舱上。当浮力叶片承受海水的作用力时,由于柔性内骨远比浮力泡沫易变形,可以认为变形仅发生在外露的那一小截柔性内骨上。这种力—变形关系与伪刚体模型理论中的短臂柔铰模型相同。因此建立B型浮力叶片的伪刚体模型如图4所示。从图4可知,伪刚体模型将柔性杆件等效成了由弹性关节铰链连接的两个刚性杆件。接下来只需要确定弹性关节铰链的位置及弹簧常数就建立了一个完整的伪刚体模型。由短臂柔铰模型可知,弹性关节铰链的位置为l/2处,弹簧常数K为:式中:l为外露的那一部分内骨的长度;E为柔性内骨的弹性模量;I为柔性内骨的横截面惯性矩。2.2绕连接部位上下转动C型浮力叶片不包含柔性内骨,直接用防水布包裹浮力泡沫连接到仪器舱上。当浮力叶片承受海水的作用力时,叶片绕连接部位上下转动。这种情况类似于伪刚体模型理论中的活动铰链模型。活动铰链是短臂柔铰的一个特例,是指特别短而细的短臂柔铰。活动铰链模型中的弹簧的刚度可以忽略,应用在C型浮力叶片上就是指其伪刚体模型为两个用铰链连接的刚性杆件,与短臂柔铰模型不同的是该模型只需确定铰链的位置。该铰链位于l/2处,如图5所示。3浮标体结构对浮标姿态的影响波流测量浮标在海洋波浪和海流的作用下运动,其浮标体对波浪和海流的响应情况直接影响测量的效果。文献给出了不同直径的浮标体的理论波浪响应曲线。得出结论,浮标体的直径越小,对于波浪的响应越好。本文所研究的波流测量浮标直径只有75mm,远小于现有的其他波浪浮标,可以认为该浮标体在波浪响应上具备显著的优势。波流测量浮标在测量海流方面应用拉格朗日法测流,属于表层漂流浮标,它的基本出发点是让浮标自由漂流并随被测海流同步飘移。本浮标采用圆周对称设计,可以承受各个方向的海流作用,配重盘可以实现与海流方向垂直的万向转动,是非常实用的表层水帆,因此,本浮标具有很好的随海流运动的性能。下面讨论3种浮力叶片结构对浮标体姿态的影响。浮标体在海水中的姿态及稳定性对波流测量浮标的测量精度和通信质量有着很重要的影响。图6给出了3种浮标的伪刚体模型在倾斜运动时的总体姿态。从图中可以看出,B,C型浮标体由于活动铰链的存在,在浮标体承受波浪的倾斜作用力时,仪器舱和通信单元倾斜角度比A型浮标体要小(θA>θB>θC),倾斜角度被铰链的旋转动作化解。而且C型浮力叶片在旋转时,由于没有扭簧的作用,旋转更加自如,仪器舱和通信单元的倾斜角度更小,姿态更稳定。图7给出了3种浮标的伪刚体模型在升沉运动时的总体姿态。由于活动铰链的存在,B,C型浮标体的浮力叶片可以更好保持和水面的接触,降低浮标体与水面的相对震荡。同样,C型浮力叶片由于没有扭簧的作用,随波浪起伏的性能更好。由于活动铰链的存在,叶片在波峰和波谷处均能很好地与水面接触,使得测量单元与水面的相对距离始终保持一致(H-HA>H-HB>H-HC),有利于测量精度的提高。在浮标体处于波峰时,配重盘可以起到一定的阻尼作用,降低了浮标体被抛出水面的可能。从以上得知,C型浮标体结构在波浪中具备更好的姿态条件和提高测量精度的结构基础。4浮标体结构模型的建立本文概括了投弃式波流测量传感器浮标体的结构特点;并基