摘要
随着海洋牧场建设向纵深发展,对海洋生态环境、渔业资源进行动态监测和评估变得尤为重要,移动式自主监测是可行方案之一。针对现有监测方式效率低、灵活性差、成本高、运输投放困难等问题,提出了可搭载多类型监测设备的组合式无人监测船。进行了船体结构设计和监测仪器安装机构设计,考虑船体吃水载重及平稳性进行了配重机构设计;基于计算流体力学方法对船体阻力性能进行仿真计算并完成了水下推进器选型,对无人船连接桥结构受到浪高海况的影响,进行了静力学强度有限元分析,船体结构强度能够抵抗4级海浪。对样机开展了试验验证,试验结果表明:无人监测船各机构工作运行稳定无干涉,设计吃水深度0.25 m,航速达2.5 m/s,能够胜任海洋牧场工作海况;监测设备搭载后工作稳定,可实时监控水下渔业资源、勘探水底地形、监测水体pH、温度和溶解氧等数据。该研究为海洋动态、实时监测及数字化提供了技术支撑,为海洋牧场组合式无人监测船的设计研究提供了一种低成本高可靠的实施方案。
随着海洋牧场建设向纵深发展,对海洋生态环境和渔业资源进行动态监测和评估、对特定海洋灾害进行预警,变得尤为重要;海洋环境要素的监测和渔业资源的统计与监控可以让管理者对海洋过去和当前的状况有较好的认识和把握,构建海洋监测平台是必然的发展趋
由于具有动态性、复杂性和不确定性等特点,海洋渔业资源和环境监测一直是技术难点之
美国、英国及意大利等国家均研发过用于水环境监测领域的无人船装备。美国UOV公司研发了利用太阳能、风能等新能源型的无人监测船,可实现长时间续
海洋牧场多选址于海湾近海区域,水深范围为0~20 m,只在常规天气进行监测工作,最大风力3级,平均风速3.8 m/s,最大风速5.4 m/s,最高流速0.8 m/
本文针对海洋牧场环境监测需求,以实现多种监测功能、提高监测效率、增强无人监测船机动性为目标,结合无人船技术与监测技术,设计了一种船体可拆分组装,便于运输投放,便于安装多种监测设备的海洋牧场组合式无人监测船,并进行了性能测试与应用试验。
结合无人船技术与监测技术,设计一种船体及监测设备可拆分组合的海洋牧场组合式无人监测船。组合式设计既指船体组合式设计,又指监测船各机构模块化设计,除方便监测船运输、投放和增强其机动性外,还可以加速研究进程,降低研究经费,增加监测船的使用功
(1)船体结构设计。综合海洋牧场工作环境及设备运输投放等问题,采用双体船结构形式,船体浮体分段式设计,配置浮体安装框架及连接桥结构。采用有限元分析软件对船体结构强度进行校核。
(2)推进装置设计。基于计算流体力学方法对船体阻力性能进行仿真计算,并以此为重要参考依据进行水下推进器选型。根据推进器外形尺寸设计安装结构,并进行船体动力性能测试。
(3)监测机构设计。根据不同监测设备的外形尺寸及应用需求设计搭载范围可调节的升降机构;为工作方式不同的特殊监测设备设计旋转机构。无人船搭载监测设备进行监测机构适用性测试。
(4)配重机构设计。设计配重机构用于调节搭载不同设备时可能会产生的重心偏移及航行姿态不稳等问题。
基于以上设计方案,组合式无人监测船总体结构设计如
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图1 组合式无人监测船结构图
Fig.1 Combined unmanned monitoring vessel
1.控制箱; 2. 监测装置; 3. 船体浮体; 4. 连接框架; 5. 配重机构; 6. 推进器装置。
1. Control box; 2. Monitoring device; 3. Hull float; 4. Connection frame; 5. Counterweight mechanism; 6. Propulsion device.
无人船采取的结构形式对其耐波性、行驶阻力、运动稳定性等性能有很大影响,一般有单体船、双体船两种形式。双体船作为一种高性能船舶,相比常规单体船具有优良的横稳性、耐波性以及阻力性
项目 Project | 总长 Overall length | 总宽 Overall width | 型深 Type depth | 片体中心距 The center distance of the sheet | 片体宽 Sheet body width | 设计吃水 Design draft |
---|---|---|---|---|---|---|
尺寸 Size | 4.2 | 1.9 | 0.45 | 1.5 | 0.4 | 0.25 |
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图2 组合式无人船示意图
Fig.2 Schematic diagram of a combined unmanned ship
1.船首浮体; 2. 增浮浮体; 3. 船尾浮体; 4. 推进器装置; 5. 船底连接龙骨; 6. 飞边增强框; 7. 螺栓连接组件; 8. 船体连接架; 9. 连接桥框架; 10. 系泊羊角。
1.Bow float; 2. Increased floating float; 3. Stern float; 4. Propulsion device;5. Bottom connecting keel;6. Flash enhancement box; 7. Bolted connection assembly;8. Hull connecting frame;9. Connecting bridge frame; 10. Mooring horn.
船体框架均采用6061-T6铝合金材料,质量轻、韧性高且抗腐蚀性能好,此外铝合金材料没有磁性,能够减少船体对电子罗盘和探测仪等设备的磁场干扰。船体框架装配细节如
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图3 框架装配细节图
Fig. 3 Frame assembly detail
监测海洋牧场环境和生物资源是海洋牧场的重要工作,是维持海洋牧场可持续发展的基本前提,对于深入研究海洋牧场环境变化和生产力评估具有重要意
声学多普勒流速剖面仪和自容式温盐深剖面仪等传感器设备用于测量指定深度分层水流的剖面信息。通过升降机构吊装监测设备,定长控制设备上升与下降的方式,能够满足此类型设备的工作需求。
升降机构(
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图4 升降机构
Fig.4 Lifting mechanism
1. 滑轨支撑杆; 2. 支撑座; 3. 电机; 4. 支撑杆; 5. 延长杆; 6. 惰轮; 7. 传感器连接架; 8. 监测设备。
1. Slide rail support rod; 2. Support base; 3. Motor; 4. Support rod; 5. Extension rod; 6. Idler; 7. Sensor connection frame; 8. Monitoring equipment.
深度H计算公式为
(1) |
式中: 为驱动电机转动圈数;R为驱动轮半径,m。
电机扭矩与监测设备质量关系计算公式为
(2) |
式中:T为电机扭矩,kg·cm;R为驱动轮半径,cm;m为监测设备质量,kg。
取监测设备质量m为30 kg,驱动轮半径设计为5 cm,代入
升降机构设有不同挡位满足不同搭载设备的质量和体积。其中:支撑座、支撑杆及延长杆均设有多个销钉孔位,调节支撑座与支撑杆孔位配合可改变支撑杆俯仰角度;调节支撑杆与延长杆孔位配合可改变支撑杆吊装长度。两者配合最大可吊装高度为1.5 m的监测仪器。支撑座通过螺栓组安装在滑轨支撑杆上,安装位置可以前后移动,用于解决设备下降时与连接桥横梁产生干涉的问题。
CHIRP声呐探测仪工作时探测仪工作面须没于水面之下,工作面垂直水面竖直向下探扫,本文设计了旋转机构配合CHIRP声呐探测仪工作。
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图5 旋转机构
Fig.5 Rotating mechanism
1. CHIRP声呐探测仪; 2. 连接杆; 3. 旋转架; 4. 无人船连接桥; 5. 销钉。
1. CHIRP Sonar detector; 2. Connecting rod; 3. Rotating frame; 4. Unmanned ship connection bridge; 5. Pin.
当无人船搭载不同监测设备时,可能产生重心偏移,将导致无人船航行姿态不良或推进器吃水不足,设置配重机构可以有效避免这些问题。
如
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图6 配重机构
Fig.6 Counterweight mechanism
1.限位连接架; 2. 蝶形螺母组件; 3. 端部连接件;4. 压载铅块; 5. 铅块安装横杆; 6. 环形螺母组件。
1. Limit connection frame; 2. Butterfly nut assembly; 3. End connection; 4. Ballast lead block; 5. Lead block mounting crossbar; 6. Ring nut assembly.
推进器推力是水下推进器选型时的重要参考条件,在无人船匀速行驶时,推进器推力与无人船阻力数值相等。本文基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法对船体阻力进行仿真计算,并以此为重要参考依据进行水下推进器选型。
水是不可压缩的黏性流体,雷诺平均(Reynold-averaged Navier-Stkoes,RANS)方程是黏性流体运动学的普适性控制方程,采用雷诺平均方程作为船体阻力仿真的控制方程,其运动表达式如
(3) |
(4) |
式中:ρ为流体密度,kg/
湍流模型选择重整化群两方程模型(Re-normalization group -,RNG -),其湍流动能和耗散率的控制方
(5) |
(6) |
式中:k为湍流动能,J;ε为湍流耗散率;Gk为由层流速度梯度引起的湍流动能,J;μ为动力黏性系数;μt为湍流黏性系数;
在保留原有特征主尺寸的情况下,对组合式无人船进行适当简化,建立无人船及其外流场模型,计算域及边界条件如
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图7 计算域和边界条件
Fig.7 Computational domain and boundary conditions
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图8 计算域网格剖面图
Fig.8 Profile of computational damain meshes
网格类型 Type of meshes | 网格数量 Number of meshes | 阻力计算结果 Resistance calculation results/N |
---|---|---|
粗网格Coarse mesh | 3 095 071 | 308.47 |
中网格Mid mesh | 5 919 013 | 306.15 |
细网格Fine mesh | 11 041 266 | 306.03 |
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图9 船体阻力收敛图
Fig.9 Resistance convergence chart
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图10 船底阻力后处理压力云图
Fig.10 Bottom resistance post-processing pressure cloud diagram
船体在匀速行驶时,其阻力f与推进器推力F数值相等,功率计算公式为
(7) |
式中: P为推进器功率,W;f为船体阻力,N;V为船体最大设计速度,m/s;0.6为推进器效率系数。
取阻力f为306 N,船速V为2.5 m/s,代入
综合考虑水下推进器外形尺寸、功率、电压、推力和控制方式等因素,选择AQ1020水下推进器;其额定功率为960 W,额定电压为48 V,最大转速3 000 r/min,最大向前推力200 N,最大向后推力160 N。一对推进器总功率为1 920 W,最大推力为400 N,满足本无人船使用需求。
本文采用双体船形式作为监测船船体结构,与单体船相比拥有更好的耐波性与稳定性,但其特殊的结构形式导致船体受到的波浪载荷更为复杂,由于左右两片体之间的跨度较大,且片体又窄又长,在横浪和斜浪中会产生较大横向弯矩和扭矩,而这些载荷主要由连接桥结构承担,因此双体船连接桥结构的强度问题特别突
连接桥是双体船结构中最薄弱部分,决定着船体的整体强度,而无人船连接桥结构主要由连接桥框架和螺栓组件构成。其中连接桥框架为6061-T6铝合金材料,屈服应力为280 MPa;螺栓选型为内六角圆柱头高强度螺钉M10×90(GB/T 70.1—2008),性能等级8.8级,屈服应力为640 MPa。参照中国船级社(China classification society, CCS)规范,铝合金结构作为船舶杆、梁时许用应力为0.73倍屈服应力,钢结构作为杆、梁时许用应力为0.67倍屈服应
采用ANSYS静态结构模块对无人船进行静态结构分析。由于组合式无人船形状较为复杂,在保留原有特征主尺寸的情况下,对其进行适当简化:①设定框架材料与船体材料为各向同性,其密度分布均匀。②除连接桥外,框架各梁上的装配孔均忽略不计。采用ANSYS软件进行网格划分后无人船有限元模型如
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图11 船体有限元模型
Fig.11 Hull finite element model
根据本船尺度,参照CCS《水上无人艇检验指南》《小型海船入级规范》及《海上高速船入级与建造规范》相关规范,该船体强度需满足最大横向弯矩及纵摇扭
双体船在航行中遇到横浪时,两片体间易产生浮力差,为了达到平衡状态,船体产生横摇运动,此时连接桥上将产生横向弯
(8) |
(9) |
式中:acg为双体船重心处的垂向加速度,m/
横向弯矩对船体的作用可以通过横向对开力来模拟,横向对开力的计算公式如下:
(10) |
式中:Fy为横向对开力,kN;Mt为横向弯矩,kN·m;y为连接桥中和轴至水线的距离,m;d为吃水,m。
近海无人船设计最小有义波高为2
双体船在航行中遇到斜浪时,由于重力和浮力的不均匀分布,两片体易产生相对纵摇运动,此时连接桥将产生扭
(11) |
式中:Mp为扭矩,kN·m;Δ、acg的含义与
承受横向弯矩时,连接桥框架受力总体呈现中垂状态,应力主要集中在横梁及螺栓连接处(
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图12 框架承受弯矩应力云图
Fig.12 Diagram of the bending moment stress of the frame
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图13 螺栓承受弯矩应力云图
Fig.13 Diagram of bending moment stress of bolts conditions
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图14 无人船承受扭矩变形云图
Fig.14 Torque deformation diagram of unmanned ships
工况 Working conditions | 波高 Wave height/m | 载荷 Load/(kN·m) | 框架应力 Frame stress/MPa | 螺栓应力 Bolt stress/MPa | 总变形 Total deformation/mm | 结果 Outcome |
---|---|---|---|---|---|---|
横向弯矩 Transverse bending moment | 2 | 1.26 | 64.34 | 291.35 | 13.72 | 合格 |
2.5 | 1.59 | 80.59 | 363.20 | 17.32 | 合格 | |
3 | 1.92 | 99.64 | 456.80 | 21.64 | 危险 | |
3.5 | 2.24 | 112.06 | 515.89 | 24.52 | 危险 | |
4 | 2.55 | 127.31 | 590.71 | 28.11 | 不合格 | |
纵摇扭矩 Scribble torque | 2.5 | 4.75 | 68.96 | 190.49 | 8.90 | 合格 |
此时再验证2.5 m波高时扭矩强度满足条件即可,2.5 m波高时连接桥所承受的扭矩情况结果显示,框架应力、螺栓应力均小于许用屈服应力,满足强度要求。海洋牧场监测船工作时最大波高为1.0 m,而2.5 m为4级海浪时最大波高,因此,连接桥结构强度能够胜任海洋牧场工作,且最高能够抵抗4级海浪。
为了检验组合式无人监测船实际应用效果,制作组装试验样机(
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图15 组合式无人监测船
Fig.15 Combined unmanned monitoring vessel
船体不同负载下,船体吃水、航行速度及推进器的工作参数是重要的考量对
为了验证本装备的船体工作性能,对无人船在负载0~280 kg,共7种载重情况进行了测试,主要对不同负载下,船体的吃水线与船速,船体航姿稳定性,水下推进器电压及功率等情况进行了试验,测试结果如
负载 Load/kg | 吃水线Waterline/cm | 电压 Voltage/V | 功率 Power/W | 航速 Speed/m/s | 阻力 Drag/N |
---|---|---|---|---|---|
0 | 13.25 | 50.12 | 913.0 | 1.93 | 241.3 |
80 | 15.75 | 49.40 | 1 253.2 | 2.56 | 249.6 |
120 | 17.65 | 48.95 | 1 397.2 | 2.52 | 282.7 |
160 | 19.75 | 48.43 | 1 636.2 | 2.61 | 319.7 |
200 | 21.10 | 47.65 | 1 654.8 | 2.54 | 332.2 |
240 | 23.20 | 47.34 | 1 687.8 | 2.56 | 336.2 |
280 | 24.50 | 47.24 | 1 665.2 | 2.53 | 335.6 |
分析试验结果可知,该型水下推进器提供动力达到设计标准,船速达到2.5 m/s,验证了通过船体阻力进行推进器选型的可行性。当吃水线接近仿真吃水线0.25 m时,测得航速为2.53 m/s,仿真设置航速为2.5 m/s,误差率为1.2%。当吃水线接近设计满载吃水线0.25 m,航速接近2.5 m/s时,试验阻力为335.6 N,仿真阻力为306 N,误差率为8.8%。由于样机试验受测试环境及仪器设备等因素的影响,产生误差无法避免,但误差率在10%以下,仿真计算结果可信。
综合海洋牧场工作海况与试验情况,船体载重余量充足,最低负载80 kg,最高负载280 kg,航行姿态稳定,动力充沛,航速稳定在2.5~2.6 m/s,船体性能满足海洋牧场无人监测船现场使用需求。
旋转机构搭载CHIRP声呐探测仪进行应用性能试验。
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图16 CHIRP声呐探测仪成像图
Fig.16 CHIRP Sonar detector imaging
升降机构搭载AP-2000多参数水质传感器进行应用性能试验。首先对升降机构升降速度进行测试,实际升降速度约5.8 m/min。选取上海海洋大学镜湖3个点位不同深度进行水质监测,监测结果如
监测点Monitoring points | 深度 Depth/m | 温度 Temperature/℃ | PH | DO/(mg/L) | ECμs/cm | TDS/(mg/L) |
---|---|---|---|---|---|---|
湖边 Lakeside | 0.5 | 26.5 | 7.45 | 6.99 | 1 191 | 773 |
1.0 | 26.5 | 7.41 | 6.87 | 1 192 | 776 | |
桥下 Under the bridge | 1.0 | 26.3 | 7.44 | 6.70 | 1 198 | 779 |
1.5 | 26.2 | 7.40 | 6.33 | 1 195 | 778 | |
湖心 Centre of the lake | 1.5 | 26.4 | 7.30 | 6.79 | 1 191 | 773 |
2.0 | 26.3 | 7.30 | 6.18 | 1 199 | 780 |
综合试验表明,船体航行姿态稳定,监测机构与监测设备适配,各模块工作正常,各部件无明显信号干涉,满足实际应用需求。
针对海洋牧场环境监测需要,设计了船体可拆分组合,可搭载多类型监测设备的组合式无人监测船。基于计算流体力学方法对船体阻力性能进行了仿真计算,并依据计算结果完成水下推进器选型。对无人船连接桥结构受到浪高海况,进行了静力学强度有限元分析,分析结果表明连接桥结构强度能够胜任海洋牧场工作环境,且最高能够抵抗4级海浪。船体性能试验表明,船体载重余量充足,最低负载80 kg,最高负载280 kg,航速稳定在2.5~2.6 m/s。监测机构应用性试验表明,船体航行姿态稳定,监测机构结构设计适配性强,各部件无明显信号干涉,可实时探测水下渔业资源、水底环境信息、检测水体pH、温度和溶解氧等数据。
浮体分段设计,便于运输,同时可减小模具体积,大大降低生产成本。每一段浮体均为单独密闭体,不会因为某一段浮体破裂而失去整体浮力导致沉船,具有很高的抗沉性能。组合式设计,使船体有很强的可扩展性,可依据实际应用场景增加增浮浮体数量,从而增长船体片体长度,配备对应框架,构建更大尺寸的无人船船体;去除增浮浮体,也可以构建小型无人船船体,适用于岛礁区及浅水区等水域。
该组合式无人监测船,运输投放较容易,可按需搭载多种类型传感器,适应监测场景多,灵活性较高,为海洋牧场监测提供了一套低成本的解决方案,具有较好的实际应用价值。
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