系泊系统设计.pdf

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1、系泊系统的设计摘要本文主要针对多因素情况下系泊系统设计的问题，建立了集中质量动力学模型，解决了，分析并讨论了不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。针对问题一，首先对浮标、钢管、钢桶和锚链进行受力分析，得到不同的受力平衡方程及计算力方程。赋予吃水深度初值，通过逐步搜索和迭代算法，得到海面风速为12m/s时，钢桶和各钢管的倾斜角度分别为0.9991度、0.9757度、0.9815度、0.9873度、0.9914度，浮标的吃水深度为0.7320m至0.7362m，游动范围为以13.7369m和15.2650m为半径的环形区域；以

2、及海面风速为24m/s时，钢桶和各钢管的倾斜角度分别为3.81755度、3.7312度、3.7525度、3.7739度、3.7956度，浮标的吃水深度为0.7458m至0.7504m，游动范围为以17.0518m至18.0859m为半径的环形区域。并以锚为原点，建立坐标系，得到210个链环节点坐标，画出锚链形状。针对问题二，在问题一的基础上，得到海面风速为36m/s时，钢桶和各钢管的倾斜角度分别为8.0078度、7.8367度、7.8788度、7.9213度、7.9643度，浮标的游动范围是以18.2157m至19.3727m为半径的环形区域，及锚链的

3、形状图。同时，考虑到钢桶的倾斜角不超过5度，锚链在锚点与海床的夹角不超过16度，再次采用逐步搜索、穷举法，调节最小重物球质量为1768kg时，钢桶的倾斜角度为4.9997度，锚链在锚点与海床的夹角为15.8191度。针对问题三，考虑到水流力、风力、水深共同影响下的动力学系泊系统，以海水最大速度1.5m/s、风速最大36m/s、钢桶的倾斜角不超过5度、锚链在锚点与海床的夹角不超过16度、水深介于16m-20m为约束条件，建立钢桶倾斜角、浮标吃水深度和游动区域为最小的多目标规划模型，利用蒙特卡洛法设计出五种不同锚链型号下，锚链的长度、重物球的质量分别为19

4、.64m，2900kg、23.55m，3100kg、29.74m，4000kg、35.88m，4000kg、38.84m，4000kg，及各种型号下对应的钢桶、钢管的倾斜角度、浮标吃水深度和游动区域及锚链形状。最后，根据对上述几个问题的分析，对模型的优缺点进行评价，以及对模型进行了改进和推广，分析了模型的应用前景。关键词：系泊系统；吃水深度；迭代法；蒙特卡洛法；受力分析1一.问题重述1.1问题背景我国不仅仅是一个陆地大国，更是一个海洋大国，近浅海观测网的传输节点由系泊系统、浮标系统和水声通讯系统组成。某型传输节点的浮标系统可简化为圆柱体。系泊系统由钢管

5、、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。为确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。1.2相关数据浮标系统简化为底面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。锚链选用无档普通链环，近浅海观测网的常用型号及其参数在附表中列出。锚的质量为600kg，钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。水声通讯系统安装在一个长1m、外径30cm的密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为100kg。要求锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，致使节点移位

6、丢失。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度（钢桶与竖直线的夹角）超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。表1锚链型号和参数表型号长度(mm)单位长度的质量(kg/m)I783.2II1057III12012.5IV15019.5V18028.121.3待求解的问题问题一：选用II型锚链22.05m，质量为1200kg重物球。将锚布放在水深3318m、海床平坦、海水密度为1.025×10kg/m的海域。当海水静止时，计算

7、海面风速为12m/s和24m/s时钢桶和钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标吃水深度和游动区域。2问题二：在问题1的假设下，将风速改为36m/s，重新计算钢桶和钢管的倾斜角度、锚链形状和浮标的游动区域。并调节重物球的质量，使得钢桶的倾斜角度不超过5度，锚链在锚点与海床的夹角不超过16度。问题三：考虑潮汐等因素的影响，假设水深介于16m至20m之间。布放点的海水速度最大为1.5m/s、风速最大为36m/s。分析风力、水流力和水深影响下的系泊系统，设计并算出不同型号锚链所对应的重物球重量和锚链长度，以及钢桶、钢管的倾斜角度、锚链的形状、浮标的吃水深度和游动区域。

8、二.问题分析2.1问题一的分析问题一，对于复杂的单点系泊系统，我们将其简化为物理模型。建立直角