近海海洋仪器试验场测试装备设计与分析

发布时间：2020-10-31 15:40

　　 目前,我国90%以上的高端海洋监测装备仍需进口,重要的原因之一是国内海洋仪器样机研发成功后,不具备相关的产品化测试流程和环境,无法进行良好的现场试验,大量的功能样机没有定型,国产仪器设备所占市场份额极其有限。基于此,研发近海海洋仪器试验场测试装备,为在产品研发设计阶段对海洋仪器设备的可操控性、可靠性和环境适应能力测试提供海洋现场试验平台具有重要价值。本课题主要的研究工作内容及取得的成果如下:(1)对上海市近海环境监测站网各站点水质、气象、水深、浪流等历史数据进行研究,根据海洋仪器设备测试试验场建设基本原则,遴选了8个测试站点作为研究对象。对这些入选站点进行现场考察、研判。结合当地海域咸淡水变化规律、泥沙、浪流等特点,进一步开发了大戢山、九段沙、南槽东、小洋山和芦潮港5个测试站点,建立无人值守式海洋仪器设备测试网。在选点的基础上,进行海洋仪器测试装备架构总体设计方案的制定,对不同海域测试站点进行现场专用仪器测试装备的开发,包括岸站式测试装备设计方案、浮动式测试装备设计方案、工作模式以及互联互通方案的实现。(2)针对岸站式测试站点,设计了固定式立管海洋仪器自动化测试装备,由不同直径的低压聚乙烯立管以相互内嵌的机理组成主体,传感器挂载装置在最外层长度7m,内径268mm立管内部进行卷缆式升降,同时搭载最多5个直径最大50mm的不同类型传感器,实现对海洋仪器的工况监测、性能指标检测。固定式测试装备能够对海上潮位变化进行自动调节,上升/下降时间约为68s/62s;传感器监测摄像装置位于透明玻璃钢层;螺旋桨通过一定频率的旋转形成的变速涡流能有效防止生物在传感器上附着。考虑到海洋仪器测试装备在浪流环境下的冲击,为提升系统的健壮性,通过Ansys流固耦合仿真及应力分析,4m/s的流速下,立管末端最大变形量为0.0797mm,优化固定式海洋仪器测试装备结构,引入消波设计后,形变量减少了43%,有效提高了海洋仪器工作的可靠性。(3)对于非岸站式测试站点,设计了浮动式海洋仪器自动化测试装备,以直径1200mm,高度620mm的新型聚脲浮体为载体,内嵌海洋仪器升降装置、摄像监测装置、控制模块及12V能源系统等,可搭载多达3种不同类型传感器,并可进行扩展。对浮动式海洋仪器测试装备及锚系的受力、稳性、储备浮力等水动力特性进行分析计算、升降系统测试(上升/下降时间为63s/58s)、水槽试验(吃水深度220mm),验证了浮式海洋仪器测试装备工作的稳定性、可靠性。通过海洋仪器升降工作模式的设定、海洋仪器的升降误差校准及防生物附着设计,提升海洋仪器水质检测工作的能力,实现不同/同类型海洋仪器的性能指标测试。双摄像系统能够分别检测海洋仪器及周边海况,通过海洋仪器的定期升降消除传感器探头气泡和生物附着对测量值的影响,对被测仪器进行多方位拍摄,观测其实际工作状态。(4)根据近海海洋试验场测试需求,共研发设计制造5台海洋仪器测试装备,结合不同海域的实际海况,通过不同的海洋仪器升降方式实现对各类传感器的性能比测和监控。为更好的实现对海洋仪器的检测,利用不同海域的环境特点,在九段沙海域、南槽东海洋测试站点、大戢山海洋测试站点、小洋山海洋测试站点和芦潮港测试站点分别投放、安装海洋仪器测试装备,搭建了互联互通的近海海洋仪器试验场。其中,大戢山和南槽东站点为通讯中继站点。(5)海上试验与数据分析。针对课题的要求,在九段沙、南槽东、大戢山、小洋山和芦潮港、对研发装备进行现场试验,对采集到的水质数据进行收集、分析。观测分析浮式海洋仪器测试装备的吃水深度、浮心情况、升降可靠性以及固定式海洋仪器的涡激振动情况、失稳现象等。经过冬季、夏季海上试验,海洋仪器自动化测试装备在海上运行可靠,装备整体结构强度、稳性、形变和抗风浪性符合设计要求并且经受住了9级温比亚台风的侵袭,上位机端能够正常采集到水压、水温、PH等水质参数,实现海洋仪器间的性能测试和对比。
【学位单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH766
【部分图文】：

图 1-1 加速研究系统[5-6]1-2 蒙特雷湾综合海洋试验场[5-6]Fig.1-1 MARS System diagram[5-6]Fig.1-2 Monterey Bay Sea Test Site[5-6]浮标检测装备及装备管柱作为海上测试装备的关键子部件，国内外对装备管柱和浮标的设计也层出不穷。装备管柱通过等安全系数法、德国BEB法等设计方法，综合考虑管柱强度的可靠性对测试装备进行设计[9-12]。套管设计方法也在不断完善和补充，如Maes设计法，大大提升了立管装备的可靠性，Hajime设计法，提供了管柱挤毁、爆裂和拉伸的设计[13]。国外对于管柱力学的分析，主要通过受力分析软件进行管柱力学分析，这些软件大部分由各大石油公司开发设计，如美国斯伦贝谢公司开发的Frac CADE[14]。然而，这些设计方法并不具有广泛的适用性，即对管柱的破坏因素还没有进行全面的分析。现在，国内外专家正在将各类立管设计模型结合到一起，如管柱磨损，防腐蚀，FTA失效分析等，形成了更加完善的套管设计方案[15-16]。浮标检测装备是无人值守式自动化海洋测站，浮标的水动力特性及系泊设计直接影响到测试装备的稳定性。浮标装备的设计研究起源于国外，主要通过对浮标的水动力特性参数进行分析与设计，具体包括浮标的摇摆周期及方向运动响应预

上海海洋大学硕士学位论文域海洋仪器检测的试验场较少，导致海洋监测仪器工上试验平台建于威海，于 2017 年初步建成[21]。通测试平台和方法，包括软硬件的优化升级，为试验仪器设备比测研究等[22]。2013 年年底，我国成功建图 1-3。该海洋仪器测试实验室能实现海洋仪器设变化，进一步对海洋仪器试验进行分析[23]。

为形成较为完善的试验场，从微波通讯要求、地形地貌、距离、海况、营分布、盐度、浊度等方面对长江口海域相关岛礁和测站进行了综合性调研，这些站点的调研，结合通讯基础条件，构建五站点试验场基本架构，具体测点情况如下。1.1 绿华礁海域与芦潮港码头海域测试站点绿华礁海域距离中继点大戢山约 42km，简称绿华岛，如图 2-1 所示。绿华东面和西边各有一座岛屿，通过百米跨海大桥，东西两岛连接在一起[36]。绿周边海况调研情况 2-2 所示，岛上已具备测站设备，该测试设备通过设置给工作模式，定时自动采集水质数据并有线回传至机房。水质数据是通过传感测站内置管道进行测量，测站采用混凝土钢架结构架高，距离潮水位 10m。周边盐度、潮位及浊度变化小，测站东向有 2 做岛礁，高约 20 米，有可能会波通讯信号造成阻挡。
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本文编号：2864145