基于可靠性的深海剖面浮标的多学科设计优化研究

发布时间：2020-05-23 04:43

【摘要】：随着我国经济快速地发展,我国提出“一带一路”的倡议构想,“海上丝绸之路”建设成为“一带一路”倡议的重要组成部分,合理开发、利用海洋资源在21世纪变得尤为重要,而了解海洋是合理开发、利用海洋资源的前提条件。随着全球气温升高,温室效应加剧,海洋气候、环境不断恶化,极端天气频发,人类对海洋的开发和利用存在着诸多不确定因素。对海洋环境的监测,不仅可以用于海洋气候模型、海洋灾害预报、天气预报,还可以用于渔业生产。对海洋环境参数的监测,可以帮助渔业研究者分析预测海洋渔场的形成、迁移、运动等规律,从而指导人类进行渔业生产活动。海洋剖面浮标作为一种海洋观测平台被应用到海洋观测中,有体积小、布放方便、自主观测、价格便宜等优点。而深海剖面浮标的研发和使用可以更加准确、有效地构建与海洋相关的分析统计模型,更深层次地了解大洋环流、海水能量交换,帮助人们了解更深层次的规律,从而服务于人类社会。目前,我国的剖面浮标主要以国家海洋技术中心的COPEX和中船重工710所的HM2000为代表,这两款剖面浮标均为常规剖面浮标,测量深度为2000m左右。国外的深海剖面浮标已经投放市场,而国内科学研究机构对深海剖面浮标的需求热度不断在增高。在此背景下,本文选择了“基于可靠性的深海剖面浮标的多学科设计优化”,作为研究方向。围绕着深海剖面浮标的设计问题,本文主要开展了以下几个方面的研究:本文首先回顾了剖面浮标的发展历程,对国内外现有的常规剖面浮标和深海剖面浮标进行了比较研究。剖面浮标浮力调节系统的设计很大程度上决定了剖面浮标的总体设计。现有的常规剖面浮标都采用圆柱形外壳设计,而深海剖面浮标大部分则采用圆球形耐压设计,为深海剖面浮标耐压结构的设计提供了借鉴。为选取合适的多学科设计优化方法,对几种常用的多学科设计优化(MDO)方法进行了比较研究,并通过齿轮减速器算例进行了比较分析。针对齿轮减速器CO算法不收敛的问题,进行了多种构造和改进,结果表明构造形式和松弛因子均对优化结果有影响,改进后的CO构造能够较好地求解出满意的优化结果,并给出了各种多学科设计优化方法的适用范围,方便研究者们在面对多学科优化计算问题时对算法进行选择。深海剖面浮标的浮力调节系统是实现其上浮下潜运动的前提。对现有的常规剖面浮标及深海剖面浮标进行了深度剖析,并对其浮力调节系统进行了深入研究。为满足我国南海需求,将深海剖面浮标的设计深度定位在4500m,根据该设计目标制定了设计方案,提出液压系统设计方案,并对相关部件进行选型。为了测试液压部件的性能参数,通过液压测试台,模拟海水压力,测试关键液压部件的压力流量特性曲线、泄漏情况及能耗,为后续多学科模型的建立提供数据基础。对深海剖面浮标的液压系统进行测试,发现电机的能耗成为深海剖面浮标设计的一个主要矛盾。为节约能耗,提出了一种间歇启动电机的控制模式,驱动液压泵将内油囊液压油排向外油囊。根据关键部件的压力流量特性曲线、功耗以及海水密度变化情况,分别对深海剖面浮标在深海环境下是否产生压缩进行了运动模拟研究,模拟结果表明该间歇式控制策略节能50.69%,同时可获得深海剖面浮标单周期运动所需能耗。深海剖面浮标的设计需要满足结构、重量与浮力平衡要求。然而,在选取大量满足结构要求和平衡要求的设计点进行运动模拟研究发现,不是所有满足结构要求和平衡要求的设计点都是合理设计点。合理设计点除了满足结构和平衡要求外,还需要能稳定下潜到最大设计深度,发现深海剖面浮标敏感设计区域。该敏感设计区域的设计点可能使得设计的深海剖面浮标失效或不能到达指定的最大工作深度。因此,建议深海剖面浮标在设计过程中避开该区域。该敏感设计区域的发现,在一定程度上可能有助于解释目前国产常规剖面浮标不能到达预定设计深度这一现象。本论文的核心工作是基于可靠性的深海剖面浮标多学科设计优化模型(RBMDO)的建立。将深海剖面浮标分解为水动力、结构、重量及平衡、体积、能量五个模块。在水动力学科的优化过程中,提出了平均等效速度的概念用于模型优化。深海剖面浮标的设计依存于玻璃浮球,玻璃浮球不仅为非耐压结构提供了安全可靠的环境,同时为深海剖面浮标提供浮力,玻璃浮球的结构性能是深海剖面浮标设计中的重点。因此,深海剖面浮标的结构模块主要考虑玻璃浮球的耐压和变形。运用ANSYS对不同尺寸、不同厚度的玻璃浮球进行静力学分析,取深海压力为最大设计测量深度的1.2倍,工作环境下得到了不同尺寸、不同厚度的玻璃浮球在设计压力下的应力公式,并用于耐压结构的可靠性设计优化,确保玻璃浮球的可靠性。将重量模块作为系统级的优化目标,该模块对深海剖面浮标的重量和浮力进行平衡计算。由于地球引力导致重力、加速度在不同的经纬度之间会产生微小偏差,而不同海区之间的海水密度也存在着一定的偏差。因此,在该模块中,同时考虑了自由配重。自由配重的作用是为了方便不同海区密度变化或环境等因素的影响,对深海剖面浮标的重量进行微调,适当增大或减轻重量使得深海剖面浮标能满足测量要求。通过能耗、舱内固定设备的体积即可优化计算所需总体积。本文对可靠度方法进行了比较,并通过载人球极限耐压公式进行了算例分析;对主流的可靠性设计优化算法进行了比较,并选用单循环算法对齿轮减速器模型进行了分析,发现单循环算法可以较好地运用到可靠性设计优化中。为了实现测量周期的最大化,提出了基于CO方法的双循环算法。对深海剖面浮标进行RBMDO计算后,其总重量为47.808kg,总重量相对于MDO而言增大了42g。玻璃浮球的可靠度却达到了99.87%,这很大程度上保证了浮标在深海及复杂海况下能满足设计要求,从结构上保证了浮标的可靠性,是提高浮标生存能力的一种重要途径。在合理的设计范围内,使深海剖面浮标的测量剖面数达到了124个,比最初提出的100个剖面的设计增加了24个。
【图文】：

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图 1-1Argo 浮标的测量过程[169]Fig.1-1 Measurement process of Argo Floats[169]心观测区域同时也从低纬度大洋扩展到高纬度海区[6]。随着传纬度浮标装备有探冰传感器，可以等到在无冰海区浮出水面

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高纬度浮标装备有探冰传感器，可以等到在无冰海区浮出水面时再发送测量数据，或将测量数据先储存起来，等冰盖融化后再把测量数据发回地面，，与铱卫星通讯相结合的高纬度浮标的失效率与无冰海区相近。图1-2为高纬度浮标的测量过程。图 1-2 装备有探冰传感器的浮标测量过程[170]Fig.1-2 Measurement process of float Equipped with a ice probe sensor[170]截止2016年4月份，大约有18种类型的剖面浮标处于正常运行状态，其中早期使用的PALACE型剖面浮标已被淘汰，其中美国生产的APEX型剖面浮标最多，占4月份总数的50%左右，其次为法国产APVOR型剖面浮标，约占12%。在18种浮标中，超过100个以上的有8种
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P715.2

【参考文献】