深海剖面浮标的结构力学研究及多目标优化

发布时间：2020-08-22 07:07

【摘要】：随着科学技术的发展,人类的探索活动范围逐渐由陆地延伸到海洋。由于海洋幅员广阔,各大洋的地质运动、气候变化以及大洋环流等活动对陆地环境和人类生活影响深刻;同时,海洋中蕴藏着丰富的资源,对海洋资源的开发利用可以极大地缓解对传统资源严重依赖的现状。近年来水下探测以及深海探测,海洋资源开发利用逐渐成为了热门话题和研究热点,包括载人探测器、水下机器人、水下滑翔机、海洋探测浮标等多种多样的水下探测器被研发并参与水下探测作业。本文的研究对象是山东大学自主研制的4000 m深海剖面探测浮标。其结构主要包括浮力调节系统,多参数传感器系统,铱星透传系统,中央控制的嵌入式系统,以及耐压圆柱壳体。由于大深度探测器在承受深海高压的同时还需提供足够的有效搭载浮力,本文重点对高压圆柱壳壳体进行研究,建立高压圆柱壳力学模型,进而进行有限元仿真分析,采用基于遗传算法的多目标算法优化壳体参数,通过压力试验验证壳体可靠性,最终进行海上试验。首先,介绍深海剖面浮标的工作原理及主要结构组成,其结构主要包括超高压小型液压驱动的浮力调节系统,由温盐深、溶解氧传感器组成的多参数传感器系统,将铱星模块和GPS集成的实时定位和信息透传系统,控制浮力调节系统、收集传感器采集的数据、控制定位和透传的嵌入式系统,可以承受深海高压并且提供正浮力的耐压圆柱壳体。其次,通过圆柱壳体的平衡方程,本构方程,挠度方程以及变形协调方程,结合Donnell化简,推导出基于Donnell化简的圆柱壳平衡方程和圆柱壳协调方程,并将初始缺陷系数引入其中。用双三角级数进行坐标代换,采用能量法的哈密顿原理求解平衡方程和协调方程,得到圆柱壳体关于内径、长度、波数等参数的最大不失稳解析函数。然后,采用有限元分析软件Abaqus对不同约束下的圆柱壳体进行静力学分析,得到不同尺寸壳体的应力应变情况。同时对不同约束条件下的圆柱壳体进行特征值屈曲分析,得到线性屈曲情况下的壳体临界压力,在特征值屈曲的基础上在inp文件内添加初始缺陷系数,模拟分析圆柱壳体的非线性屈曲。基于强度分析和非线性屈曲分析结果,采用加强筋的方法对壳体进行优化加强处理,并采用有限元分析比较。基于壳体结构力学分析和有限元模拟,采用基于NSGA-II的遗传算法对深海耐压壳体的尺寸参数和材料参数进行多目标优化。建立初始种群,通过交叉、变异、选择算子进行多代遗传,引入精英策略和非支配排序,求解不同材料圆柱壳体的Pareto最优解。并得到不同材料适用的深度范围。最终对基于理论,仿真和算法优化得到壳体的优化尺寸参数范围,依据实际需要搭载的有效质量选择最优壳体尺寸,并进行压力试验验证。将组装好的浮标进行湖上试验以测试浮力调节系统,随后搭载科考船进行海试测试实际效果。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O342;TP18
【图文】：

框图,探测方法,海洋,浮标

一个全球性的大洋探测探测计划，目前己经在全球各大洋布放３８００台以上的剖逡逑面浮标以测量海洋的温度、盐度、深度等剖面数据。其中，主要的海洋科考探测逡逑方法如框图１－１所示。逡逑￣？海洋考察橍逡逑—悬浮系泊－１逡逑逦？逦Ａｒｇｏ邋浮标逡逑＇探＿逡逑测邋—逦逦逡逑工邋一？自主式水下航行器ＡＵＶ邋（无缆）逡逑具逡逑—？！遥控无人潜水器Ｒ０Ｖ邋（有缆）逡逑—？逦￥￡人潜水器逡逑图１－１海洋科考探测方法逡逑１逡逑

位置分布,浮标,海冰区,季节性

山东大学硕士学位论文逡逑目前，Ａｒｇｏ浮标系统有约３８００多台剖面浮标组成，成本低，覆盖面积大，逡逑采集信息数据灵活，成为海洋科考的重要组成部分。目前Ａｒｇｏ浮标的生产商主逡逑要集中在美国、法国、加拿大、日本，中国积极参与Ａｒｇｏ项目的信息采集，但逡逑自主研制的浮标在Ａｒｇｏ系统内的比例甚少，并且，根据目前情况如需维持Ａｒｇｏ逡逑系统每年需要投放８００台新的浮标作为补充，因此研发拥有自主知识产权的浮标逡逑具有重大意义逡逑最初的全球Ａｒｇｏ阵列是专为开放海域设计的，不包括季节性海冰区和边缘逡逑海域。由于浮标上的双向通信和冰感测算法的使用，Ａｒｇｏ浮标的使用范围得到逡逑了扩大。Ａｒｇｏ的概念一直是完整的全球阵列。因此，在包括季节性海冰区和边逡逑缘海域，将Ａｒｇｏ浮标的目标数量从３０００台增加到３８００台［６－１Ｇ］。截至２０１８年４逡逑月２５日正在工作的３８５０个Ａｒｇｏ浮标的位置分布如图１－２所示。逡逑

过箱,浮标

图１－３邋ＡＰＥＸ浮标【ｕ］逡逑目前Ａｒｇｏ浮标携带的传感器由早先的温盐深传感器增加到溶解氧传感器，逡逑传感器，叶绿素传感器等形成多参数采集系统浮标与外界的通讯方Ａｒｇｏ卫星通讯系统，扩展到铱星通讯系统，北斗通讯系统等多种通讯方最初的核心观测区域为太平洋、大西洋和印度洋的无冰覆盖海区进行观观测深度在２０００邋ｍ左右。随着探冰传感器的研制以及自主控制的进步，Ａｒｇ开始向北冰洋等冰盖下的海域进行探索，同时最大工作深度可以达到４００至６０００邋ｍ。浮标的布放及作业如图１－４所示。逡逑

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