题目系泊系统的设计.PDF

题 目 系泊系统的设计 摘 要 本题讨论了近海观测网络的传输节点的设计问题。本文通过对传输节点在近 海风速、海水流速、自身设计不同等多种情况下的状态的研究，试图寻找到合适 的设计方案，以满足近海观测对于节点固定性和通讯性的要求。 针对第一问，首先在不考虑锚链浮力的条件下，对锚链离散化处理，通过对 系泊系统整体和210 个分单元的受力分析，建立每一单元的力矩方程，得水平方 向和竖直方向分力都只与游标吃水深度有关，对每一单元右端倾斜高度运用牛顿 迭代，得到此游标吃水深度，其他量的求解都与此深度有关，运用C++编程解决， 最后又在考虑浮力的情况下对计算结果进行了优化，并发现风速为12m/s 时存在 拖链的现象。 针对第二问，在第一问想法和程序的基础上，代入风速为36m/s ，可得两 个角度的约束条件都不满足，锚已被拖行。重物球质量的下限应为满足约束条 件的临界值，由程序得到为2237kg ，浮标刚好浸没水面时重物球的质量为上 限，由竖直方向受力分析可得此数值为6112kg 。 针对第三问，在考虑水流力的影响下进行受力分析，改进前两问的程序得 到输入各参数就可计算吃水深度等目标量的程序。接下来分析外界条件的影 响，并选取极端情况进行后续内部条件的分析。借鉴穷举法的思想使链长与重 物球质量在合理范围内均匀取若干值，依次算出对应的角度，并保留符合条件 的情况，将这些情况画成散点图，图像覆盖区域代表的就是可行方案的范围。 最后，分析风向与水流方向不同的情况，并得出结论：方向的不同并不会影响 之前得到的结果。 关键词：受力分析 牛顿迭代法 离散处理 1 1.问题重述 近浅海观测网的传输节点由浮标系统，泊松系统和水声通讯系统组成。将某 传输节点的浮标系统简化为圆柱体，播送系统由钢管，钢桶，重物球，电焊锚链 和抗拖移锚组成，给出圆柱体，锚，钢管的各项数据。特别指出一旦锚链与锚连 接处的切线方向与海床夹角超过 16 度锚就会被拖行。钢桶内为水声通讯系统， 钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳，当倾斜角度超过五度时，设备工作 效果较差，重物球可控制钢球的倾斜角度。 第一问：当电焊锚链型号，重物球质量，传输节点放置的海域水深密度确定 时，海水静止，求海面风速为12m/ s 和24m/s 时钢桶和各节钢管的倾斜角度，锚 链形状，浮标的吃水深度和游动区域。 第二问：同上问的条件下计算36m / s 时的各项指标。为了使钢桶的倾斜角度 不超过五度，锚链在锚点的海床的夹角不超过16 度，如何调节重物球的质量。 第三问：给出考虑风力，水流力和水深情况下的系泊系统设计，分析不同情 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。 2.模型的基本假设 总体假设： 1.假定游标在游动的过程中不产生倾斜，即吃水部分也为圆柱体。 2.不考虑锚链连接部分的长度。 3.不考虑海水密度随海水深度的变化。 4.不考虑锚链的弹性形变。 5.钢管密封良好，不会进水。 6.不同单元之间靠光滑铰链连接。 7.不同型号锚链的材料相同。 第一问假设： 假设钢桶和锚链的密度为圆钢密度，即近似取 3 3 。 7.85 10 kg/m 第三问假设： 假设钢桶，钢管在同一平面上。 2 3.符号说明 F 锚受到的水平方向力 mp 10kg 钢管质量 x Fy 锚受到的竖直方向力 d p  50mm 钢管直径 l 锚链长度 ld 1m