基于可再生能源的海洋載運裝置的設(shè)計分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）

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It’s a new type of marine mobile observation platform. It can carry all kinds of instruments and equipment to take service to the marine monitoring. This new type of marine transport device can make the wave’s movement of up and down into the device’s propulsive forward movement directly, with out the intermediate energy transformation, which is more direct and clean, this technology can complete the monitoring tasks on the complex ocean surface for a long time, long distance. First of all, this paper is on the basis of the existing technology, analyzing the wave glider’s structure and working principle. Design the whole structure, choose the material and the key connection structure mechanics calculation, to validate its rationality. This paper has analyzed the NACA wing structure parameters of the underwater power device by using fluent software. By using the MATLAB software to create a dynamic model of twin hull structure and motion simulation analysis, to verify the rationality and feasibility of a complete set of institutions. Keywords: sea transport device; wave glider; structure design; NACA wing; motion simulation 目 錄 1緒論 1 1.1研究背景 1 1.2波浪滑翔機的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 1 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.2.3實際應(yīng)用現(xiàn)狀 3 1.3主要研究內(nèi)容 4 1.4課題來源及研究意義 5 2載運裝置的雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 2.1波浪的運動規(guī)律與水質(zhì)點的運動實質(zhì) 7 2.2雙體結(jié)構(gòu)的運動原理解析 7 2.3載運裝置雙體結(jié)構(gòu)的定性分析 9 2.4 載運裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 2.4.1 水面母船設(shè)計 11 2.4.2 水下動力裝置的整體設(shè)計： 12 2.4.3 母船與水下牽引機的連接 13 2.5 載運裝置的整體穩(wěn)定性要求 13 2.6 本章小結(jié) 14 3關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核及裝配工藝 15 3.1 母船支架的受力分析以及強度校核 15 3.2 連接結(jié)構(gòu)的校核 16 3.2.1 波浪載荷的簡化處理 16 3.2.2 母船雙頭螺柱的強度校核 17 3.2.3 水翼連接軸的校核 18 3.3 其他部件的分析及校核 20 3.4 主要結(jié)構(gòu)的加工工藝及裝配方式 22 3.5 本章小結(jié) 22 4水下動力裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的水動力學(xué)仿真分析 23 4.1 FLUENT軟件介紹 23 4.2平板翼型與NACA翼型的仿真分析 24 4.2.1 NACA翼型介紹 25 4.2.2仿真結(jié)果對比與分析 25 4.3本章小結(jié) 29 5總結(jié)與展望 30 參考文獻(xiàn) 32 致謝 33  III 第一章 緒論 1緒論 1.1研究背景 2015年，人類社會已經(jīng)步入了二十一世紀(jì)的第二個十年，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題已經(jīng)日益成為每個國家都十分重視的問題，由于煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的不斷減少和環(huán)境污染問題的逐漸加重，人們開始逐漸的把目光轉(zhuǎn)向清潔能源的開發(fā)研究與利用。這些年來，由風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芤约捌渌稍偕茉吹拈_發(fā)利用已經(jīng)成為了當(dāng)今的重大課題。海洋能是海洋之中所含能量的總稱，目前主要包括潮汐能、海流能、溫差能、波浪能等。波浪能指的是海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是海洋中最為豐富的同時也是現(xiàn)在研究的較多的能源之一[1]。 正是因為海洋中所包含的寶貴的財富，各個國家也逐漸把維護(hù)海洋權(quán)益作為一項重要事宜，其中海洋監(jiān)測就是維護(hù)海洋權(quán)益的一條重要途徑，監(jiān)測為我們認(rèn)識海洋和開發(fā)海洋提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，目前的監(jiān)測設(shè)備主要包括調(diào)查船、浮標(biāo)、海床基、航空遙感等，這些雖然是如今的主要監(jiān)測手段，但都存在著各種各樣的缺點和劣勢，比如需要耗費大量人力、自主性能比較差等；另一方面如今的海洋監(jiān)測面臨著作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣、面積大、時間長、投入花費高等各種各樣的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。為了能有效的解決好這些問題，我們希望能夠開發(fā)設(shè)計一種不再受能源供給的限制而且能大范圍作業(yè)、制作成本低的移動式的海洋載運平臺裝置。 現(xiàn)在國際上出現(xiàn)的一種波浪動力滑翔機為我們的海洋監(jiān)測和載運平臺提供了新的思路。該平臺巧妙地利用海洋中的波浪能實現(xiàn)較長時間的監(jiān)測作業(yè)，通過衛(wèi)星與基站之間進(jìn)行指令和信息交換，同時其制造成本不高，具有廣闊的前景[3]。在當(dāng)前形勢下，我國的對于海洋監(jiān)測方面的投入和技術(shù)亟需提高，為此，我們可以參考國外已有的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主的優(yōu)化設(shè)計與開發(fā)，形成具有我們完全自主創(chuàng)新的基于波浪能直接驅(qū)動的更加優(yōu)化海洋載運裝置[4]。 1.2波浪滑翔機的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 波浪動力滑翔機的海洋載運裝置是目前一種新型的基于波浪能的監(jiān)測平臺裝置，可在復(fù)雜的海洋上進(jìn)行長期監(jiān)測和定向追蹤，通過衛(wèi)星遙感通信與地面基站進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換處理等[5]。美國對于這種載運監(jiān)測平臺的研究已經(jīng)比較成熟，并通過大量的實地試驗驗證了其可行性和使用價值。美國有一家公司叫做Liquid Robotics，他們很早就開發(fā)出了波浪動力的滑翔機裝置，如圖1-1所示；它們的基本數(shù)據(jù)參數(shù)如表1-1所示。兩種平臺相比而言，SV3更加優(yōu)化，搭載儀器更多，動力更大。 圖1-1 SV2（左）和SV3（右）系列波浪滑翔機 表1-1 SV系列主要參數(shù)的對比 2005年，美國科學(xué)家Roger Hine為考察駝背鯨而發(fā)明了在海上可以自主長時間運動且無需維護(hù)的波浪滑翔裝置。 2006年，美國的Liquid Robotics 公司成立，這家公司專門研究設(shè)計與開發(fā)波浪動力滑翔機，目前已經(jīng)取得了不錯的成果，在世界上處于比較領(lǐng)先的水平。 2007年，颶風(fēng) Flossie驗證了波動滑翔機的海上生存能力，它可以可抵御3 m浪高海況和 20 m/s 風(fēng)速的惡劣海況的能力。 2008年12月布放的名叫Stripes的波動滑翔機，已經(jīng)累計海洋作業(yè)600天，航行的距離超過了25000km。 2011年9月，Savannah Ocean Exchange 宣布將灣流航空公司的價值 10萬美金的年度灣流領(lǐng)航獎頒發(fā)給Liquid Robotics 公司的波浪動力滑翔機。 2011年11月，4個自主動力滑翔裝置經(jīng)過4個月6000km的航行，從圣弗朗西斯科出發(fā)到達(dá)夏威夷。此后，有兩個裝置穿越赤道向澳大利亞前進(jìn)，另外兩個則前往日本途中，跨過世界上最深的瑪麗亞娜海溝。在持續(xù) 12個月的航行后，4 個波浪動力驅(qū)動的滑翔機均在2012年底到達(dá)目的地，一共完成了超過16000km的航行[6]。 1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 目前，一種波浪動力滑翔系統(tǒng)已經(jīng)由國家海洋技術(shù)中心設(shè)計出了，并且通過實地測試驗證了該載運系統(tǒng)的可行性；他們還開發(fā)了一套基于波浪能驅(qū)動力的模擬測試裝置，在實驗室的水池中模擬該載運裝置在海洋波浪力下的運動姿態(tài)和各種參數(shù)，測試其運動效率。 除了國家海洋技術(shù)中心，中國船舶重工集團(tuán)710研究所、哈爾濱工程大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研單位和高等院校也在進(jìn)行這種載運監(jiān)測裝置的研究，但都處于一個起步階段?？偟膩碚f，國內(nèi)對于波浪動力驅(qū)動的的移動式海洋載運平臺的研究不是十分充分，關(guān)于這種裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計或者動力學(xué)分析的參考資料不是很多[7]。 1.2.3實際應(yīng)用現(xiàn)狀 研究這種載運平臺的目的是為了更好的運用到實際的海洋監(jiān)測中來，這樣才能實現(xiàn)其科研價值。所以，基于可再生能源的海洋載運裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析只有將其開發(fā)出來進(jìn)行實際海試才具有實際意義。 海洋載運裝置系統(tǒng)由柔性纜繩相連的水面母船和水下牽引機的雙體結(jié)構(gòu)組成，可以在母船和水下牽引機的不同位置搭載各式各樣的監(jiān)測儀器和傳感器以完成相應(yīng)的海洋監(jiān)測任務(wù)。如圖1-2所示，在雙體結(jié)構(gòu)中，母船上面搭載氣象站、衛(wèi)星通訊、無線通訊設(shè)備、攝像頭等；下面安裝聲學(xué)儀器、熒光儀、傳感器等；在纜繩上可以掛接溫度鏈測量海水溫度；水下動力裝置可安裝水聽器、鹽度計等設(shè)備[8]。 圖1-2 波浪滑翔機整體結(jié)構(gòu) 波浪動力滑翔機的隱蔽性和具有的靜音效果，使得美國海軍將其用于偵察任務(wù)。Liquid Robotics 公司在海洋中布置著60多個動力滑翔機，試圖建立全球海洋環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)[9]。波浪滑翔機被美國情報機構(gòu)用來進(jìn)行情報搜集，通過衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)。 Liquid Robotics 公司將監(jiān)測設(shè)備連接在水下動力裝置尾端，以勘探地形地貌，實驗效果良好。這種載運裝置已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測海岸污染、勘探海底地形、維護(hù)海洋權(quán)益、改善漁業(yè)生產(chǎn)等。 到目前為止，我國對于這項技術(shù)的研究和開發(fā)還處在一個起步階段。但正是由于這樣，我們更應(yīng)該加大力度去研究和發(fā)展這項技術(shù)，以實現(xiàn)它廣闊的應(yīng)用前景和為我們的國家海洋發(fā)展帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。 本文在進(jìn)行波浪動力的載運裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析時，需考慮學(xué)校實驗室的實際情況，并在已有的工作成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。需考慮實驗室中各種檢測設(shè)備和動力裝置的安裝方式、預(yù)留尺寸和重量等等，因此嚴(yán)格上來講對母船和水下動力裝置的外形和尺寸都有特殊要求。本論文是在已有的產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況進(jìn)行的一次結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)分析，為研制出我們具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋載運裝置樣機奠定基礎(chǔ)。 1.3主要研究內(nèi)容 本文所設(shè)計的基于波浪能的載運裝置是由漂浮在海面上的浮體和水下的動力牽引裝置兩部分組成。水下動力裝置設(shè)計了6對擺動翼板，它們通過階梯軸連接，形成對稱結(jié)構(gòu)并隨波浪上下運動。波浪向上時柔性纜繩對水下牽引機提供拉力，在其上升的時候翼板向下擺動，水翼在水動力的作用下推動水下牽引機向前滑翔；波浪向下運動時，纜繩松弛，水下動力裝置隨之向下運動，而翼板向上擺動，同樣是在水動力的作用下向前運動。水下牽引機所產(chǎn)成的前向力可驅(qū)動水面浮體的前進(jìn)運動，進(jìn)而實現(xiàn)雙體結(jié)構(gòu)的同步運動。所以，該載運裝置就可在波浪不斷的起伏下實現(xiàn)長時間的前進(jìn)。本文在現(xiàn)有的波浪滑翔機裝置的基礎(chǔ)上，主要論述和研究了以下幾個內(nèi)容： （1） 海洋載運裝置的雙體結(jié)構(gòu)的工作原理分析。分析和論述了國外已有的波浪驅(qū)動裝置能夠僅在波浪作用下持續(xù)向前行進(jìn)而無需其他額外能源的原理。 （2） 雙體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在實驗室現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，對水面浮體、連接纜繩和水下動力裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計、尺寸的確定、材料的選擇、裝配的方式、穩(wěn)定性的計算，并對關(guān)鍵的受力部位和連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度校核和安全性分析，從而驗證所設(shè)計產(chǎn)品的合理性和可靠性。 （3） 對水下動力裝置的關(guān)鍵驅(qū)動結(jié)構(gòu)—擺動翼板進(jìn)行了形狀和尺寸的設(shè)計、材料的選擇，驗證其在水下復(fù)雜的受力條件下的強度要求。利用FLUENT軟件對擺動水翼的形狀這個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析，總結(jié)其在不同海水速度下自身前進(jìn)速度的變化規(guī)律，確定最優(yōu)的尺寸參數(shù)。 （4） 建立雙體結(jié)構(gòu)的運動學(xué)方程，將復(fù)雜的受力狀況簡化模型，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，顯示該載運裝置的運動狀態(tài)，得到模擬結(jié)果。 1.4課題來源及研究意義 本文的研究內(nèi)容是自然科學(xué)基金與部、省、市以上科研課題大項目中的前期準(zhǔn)備工作。在現(xiàn)有的波浪動力滑翔機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要針對其雙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動原理的分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過軟件分析得出該載運平臺裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，為之后的優(yōu)化工作打下良好的基礎(chǔ)。 本文所提出的設(shè)計內(nèi)容具有很好的實際意義，為我國在移動式的海洋載運平臺的研發(fā)上提供新的思路和基礎(chǔ)。 我國是一個海洋大國，海岸線遼闊，資源豐富。國家領(lǐng)導(dǎo)人也越來越重視對海洋權(quán)益的維護(hù)和對海洋資源的開發(fā)利用，建設(shè)海洋強國離不開海洋環(huán)境監(jiān)測。該載運裝置為海洋監(jiān)測提供了巨大的便利，具有廣闊的市場前景[10]。隨著波浪動力滑翔機技術(shù)的不斷完善和日漸成熟，基于該裝置的海洋監(jiān)測手段可以取代部分的考察船、浮標(biāo)等傳統(tǒng)調(diào)查裝置，并且能夠廣泛應(yīng)用于漁業(yè)生產(chǎn)、海洋天氣數(shù)據(jù)收集等。該裝置所提出的直接利用波浪能提供動力為以后的海洋開發(fā)和利用提供了新的思路和途徑，若技術(shù)成熟，可在一定程度上緩解我國能源資源緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列棘手的問題，可為各相關(guān)部門加以更好的利用。 因此，基于可再生能源的海洋載運裝置對提高我國的海洋監(jiān)測能力具有深遠(yuǎn)的意義。其中，對裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)參數(shù)的確定是必不可少的環(huán)節(jié)。尺寸、材料、關(guān)鍵動力結(jié)構(gòu)的參數(shù)是首先要確定的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的運動仿真和動力學(xué)分析則是對整個結(jié)構(gòu)的實驗和優(yōu)化，從而驗證其科學(xué)性和可行性，最終為以后的研發(fā)提供較為充分的數(shù)據(jù)和理論支撐。 33 第二章 載運裝置的雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2載運裝置的雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1波浪的運動規(guī)律與水質(zhì)點的運動實質(zhì) 波浪是海水在外力的作用下，水質(zhì)點作周期運動，水面升落起伏并定向傳播的一種自然現(xiàn)象。波浪的運動只是波形的傳播，水質(zhì)點保持不變，這就是其運動的實際情況。如下圖所示。 圖2-1 波浪運動的實質(zhì) 波浪在海表面振幅較大，隨著深度的增加呈遞減狀態(tài)。根據(jù)查閱得到的理論公式計算，6m水深的振幅約為0.3倍。本次設(shè)計的水下動力裝置位于水深6m的位置，那里的波浪振幅也是比較大的，滿足動力驅(qū)動的條件。 下圖是在文獻(xiàn)中查閱到的相關(guān)水文數(shù)據(jù)，可供后續(xù)的計算設(shè)計參考。 圖2-2 相關(guān)水文數(shù)據(jù) 2.2雙體結(jié)構(gòu)的運動原理解析 載運裝置的水面浮體密度較小，形成正浮力，漂浮在水面之上，隨波起伏; 水下動力裝置密度大成負(fù)浮力，由伸縮性很小的柔性纜繩與誰上的浮體連接；載運裝置整體成正浮力。由于水下裝置是負(fù)浮力，因此當(dāng)浮體隨波浪下沿下落時，水下裝置隨之下潛，此時翼板受到重力和垂直于水下動力裝置翼板的水作用力，這兩個力產(chǎn)生一個前向分力，該分力即驅(qū)使水下裝置向前運動。當(dāng)浮體隨波浪上升沿上升時，柔性纜繩張緊拉動滑翔體隨之上升，此時翼板主要受到柔性纜繩的拉力和垂直于水下動力裝置翼板的水作用力，此兩個力同樣可以產(chǎn)生一個前向的分力，該分力驅(qū)使滑翔體向前運動[11]。 圖2-3 上升時的受力 圖2-4 下降時的受力 因此，只要有波浪帶動浮體上升和下降，水下的滑翔體就會因產(chǎn)生的分力向前運動，從而反過來帶動浮體也向前運動。另外，牽引機上帶有舵板，可以控制載運裝置前進(jìn)的方向，并且該方向和波浪的方向無關(guān)。 Airy波理論較為科學(xué)的描述了波動特性，且使用起來比較方便。為了研究方便，我們將問題簡化，取二維小振幅波作為載運裝置雙體結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。其特點: 水面呈現(xiàn)簡諧形式的起伏，波形以一定的速度向前傳播，波浪中線與靜水面重合。如圖2-4所示 圖2-5 波浪基本參數(shù) 單個波長余弦波的勢能可以表示為，則水下某深度水質(zhì)點作圓周軌跡運動的方程為，其位置處的勢能為 。所以兩處位置的勢能差為 兩位置處的勢能差與波面振幅的平方成正比，與波數(shù) K 成反比，與水深 z 數(shù)值上成正比。因此，只要水上和水下存在振幅的不同就會產(chǎn)生能量差異，載運裝置就能利用該勢能差，并將其轉(zhuǎn)化為前進(jìn)動力。 2.3載運裝置雙體結(jié)構(gòu)的定性分析 載運裝置在海水表面受到波浪的起伏的推力而實現(xiàn)前向運動，整個過程中與載運裝置水面材料相連接的繩纜處于一個變化的力的狀態(tài)，時而受到雙體結(jié)構(gòu)張緊的拉力，時而處于松弛狀態(tài)。為了簡化模型，可將載運裝置看作是由柔性繩纜連接兩個質(zhì)點組成。柔性纜繩具有張緊和松弛兩種狀態(tài)，所以可將雙體結(jié)構(gòu)的受力簡化為兩個過程：張緊過程和松弛過程。受力分析如圖所示。 圖2-6 雙體結(jié)構(gòu)的受力分析 將纜繩處于張緊狀態(tài)下的受力向水平方向分解，據(jù)動量守恒定理，質(zhì)量大的質(zhì)點產(chǎn)生的位移小于質(zhì)量小的質(zhì)點的產(chǎn)生的反向位移。因為我們希望保證雙體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大的前向合位移，所以，水面母船應(yīng)該具有較小的質(zhì)量，水下牽引機具有較大的質(zhì)量。 對水下牽引機來說，其阻礙后退運動的阻力越大越好，水下牽引機的前向阻力是通過擺板的擺動位置產(chǎn)生的，所以擺板的上下運動的極限角度需要提供水下動力裝置較大的向后運動的阻力。 將纜繩處于張緊狀態(tài)下的受力分解到垂直方向，為保證水面母船對波浪的響應(yīng)時間短，水上浮體材料質(zhì)量應(yīng)該較小，浮力應(yīng)該較大；對于水下動力裝置則應(yīng)相反。為保證水下動力裝置能夠在此上升過程產(chǎn)生較大的前向位移，水下裝置的擺動翼板應(yīng)該具有合適的擺動角度推動水下裝置向前行進(jìn)，處于擺動位置的對稱擺板同時增加了水下動力裝置的上升液動阻力。 松弛狀態(tài)下的雙體結(jié)構(gòu)可以看作兩個互相獨立的質(zhì)點，對水下動力裝置來說，其在自身重力作用下下潛，同時由于擺板的作用而產(chǎn)生前向滑翔的效果，為保證水下動力裝置與水面母船同波浪起伏具有相同的運動節(jié)拍，水下牽引機的質(zhì)量應(yīng)該不能過大也不能過小[12]。 通過上述分解過程分析，根據(jù)極限理論假設(shè)，有如下的推斷： （1）水面浮體材料的盡量輕，水下動力裝置的適度重一點； （2）水面浮體材料的排水量盡量大，水下動力裝置也應(yīng)該具有較大的排水量，更好的提供豎直方向的推力； （3）水面浮體材料向前運動的水阻力盡量小，水下動力裝置向后運動的水阻力應(yīng)該盡量大，從而保證雙體結(jié)構(gòu)之間共同向前運動的位移較大。 然而，實際問題不是理想模型，總是受到各種約束條件的限制，即： （1）水上浮體材料的密度不可能無限小，因為存在材料密度、受到的載荷強度和剛度強度穩(wěn)定性的限制； （2）水上浮體材料的剩余浮力不可無限大，應(yīng)該使浮體上表面與海水表面的距離保證在 5-8cm 范圍內(nèi)以避免儀器受到波浪的影響而失去工作能力； （3）水上浮體材料后退的水阻力不能無限小，同時水下動力裝置由于沒有電機結(jié)構(gòu)，僅受波浪驅(qū)動，其驅(qū)動力不可能無限大且不穩(wěn)定。 2.4 載運裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計的主要參考參數(shù)：6m水深的水壓=0.06MPa； 水平面的波高為1.43m，6m水深的波高為1.38m，海水流速為0.5m/s。 為了更加有效的利用波浪能，同時為了避免發(fā)生跨浪現(xiàn)象而影響能量的利用率，水面浮體長度的設(shè)計應(yīng)該小于1/4波長。根據(jù)文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)表明，一級海浪的波長大約為10m左右，載運裝置以該波浪為設(shè)計目標(biāo)環(huán)境，同時考慮實驗室的實際情況。 水面浮體的總排水量為180千克，寬度為 0.6 米，長度為 1.5 米，高度為 0.3 米。水下動力裝置的設(shè)計長度為1.4米，寬度為 1.1 米，高度0.4米，其中，擺板有 12 支，對稱分布在主體的兩側(cè)。水下動力裝置的尾部裝有轉(zhuǎn)向尾舵，用來控制前進(jìn)的方向。選擇6 米繩纜，保證連接強度和轉(zhuǎn)向控制，且柔性繩纜不可以由剛性連桿代替，避免發(fā)生危險情況。 載運裝置工作時，作為其主體結(jié)構(gòu)之一的水面母船漂浮在海面上，會隨著波浪的起伏和繩纜的拉拽作用而運動。水面浮體是整個載運裝置平臺向前運動的必不可少的結(jié)構(gòu)，它需要有足夠的排水量來承載繩纜的拉拽力以及搭載各種需要的傳感器等，并使整體重心在浮心以下以保證其在海洋中運行時的穩(wěn)定。 總而言之，水上浮體的設(shè)計要求如下： （1）阻力小； （2）浮力要大，保證波浪突起時的快速響應(yīng)； （3）重心要低于浮心，保證較高的船體搖動穩(wěn)定性； （4）具有較大的平整上表面，保證太陽能電池板和各種的安裝。 2.4.1 水面母船設(shè)計 圖2-8 母船結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-7 雙體結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)合實驗室實際條件進(jìn)行設(shè)計與選擇，考慮到現(xiàn)有的儀器設(shè)備、加工條件來進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、尺寸的確定、材料的選擇以及裝配的方式等等。載運裝置雙體結(jié)構(gòu)的三維示意圖如圖 浮體材料：為保證整體結(jié)構(gòu)具有較大的浮力并能搭載盡可能多的設(shè)備儀器，浮體選用密度較小質(zhì)量較輕的工業(yè)硬質(zhì)泡沫；初期考慮到的主要搭載儀器為：太陽能電池板，GPS定位箱，蓄電池和電動機尾舵等儀器。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行連接固定結(jié)構(gòu)的選材與設(shè)計。 支架設(shè)計：由于浮體材料質(zhì)地較軟，無法采用螺釘打孔固定，故采用型鋼進(jìn)行包覆，以達(dá)到母船設(shè)備固定和連接等功能。型鋼材料和尺寸在滿足強度的前提下盡量選用手冊中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，然后根據(jù)圖紙在實驗室進(jìn)行加工和打孔等工序?？紤]各部分的固定和連接，型鋼主要選用角鋼、槽鋼等。 尾舵：根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)和理論知識，浮體尾部設(shè)置固定尾舵，形狀選用NACA標(biāo)準(zhǔn)翼型，以起到減輕水阻，提升前進(jìn)速度的作用。 太陽能電池板采用玻璃鋼和槽鋼固定，可同時起到密封和固定的效果。 浮體底部固定槽鋼，安裝雙頭螺柱以連接纜繩和水下牽引機。 整體結(jié)構(gòu)較為簡單，主要的連接方式為螺紋連接，會在下文中進(jìn)行設(shè)計和選型。 2.4.2 水下動力裝置的整體設(shè)計： 圖2-9 水下動力裝置三維建模 主體支架長約1000mm，高450mm，厚度25mm，由于水下牽引機在水深約6m的海況中工作，為防止腐蝕和盡肯能大的增加牽引機質(zhì)量以達(dá)到負(fù)浮力的效果，材料選擇不銹鋼板，前面設(shè)置為圓弧狀以減小水阻，根據(jù)圖紙加工通孔，從而固定水翼連接軸。 翼板：翼板采用對稱陣列共12支，形狀為NACA標(biāo)準(zhǔn)翼型，水下牽引機的水翼是產(chǎn)生前向推動力的關(guān)鍵零件，它要抵抗海上各種各樣的環(huán)境條件，尤其是不斷變化的波浪載荷會對水翼產(chǎn)生影響，所以選擇適應(yīng)高沖擊的材料，并在表面包覆碳纖維材料以提高其強度和耐腐蝕性。 圖2-10 擺板三維圖 翼板確定后通過階梯軸固定和連接，采用焊接方式進(jìn)行連接。由于不存在電機和傳動部件，所以在進(jìn)行手受力分析和校核時可盡量簡化模型，考慮主要受力即可。 軸承和密封墊圈選用標(biāo)準(zhǔn)件，由于水動力尤其是波浪載荷的不確定性，軸承選用圓柱滾子軸承，可適應(yīng)轉(zhuǎn)速低，載荷大或有沖擊載荷的條件。鑒于軸承長期在海水中浸泡，選取怎樣的密封方式都不可避免與海水接觸，所以可選擇市場上存在的塑料或者陶瓷軸承 主體尾部裝有擺動尾舵，通過電機和遠(yuǎn)程控制，可改變牽引機的前進(jìn)方向。 2.4.3 母船與水下牽引機的連接 水面浮體的運動存在六個自由度，浮體和水下動力裝置之間除必要的拉動之外，應(yīng)盡可能減小二者之間的其他方向的運動關(guān)聯(lián)，以防止傾覆等危險情況的發(fā)生。為此選用柔性纜繩進(jìn)行連接，要求是大剛度、高強度、高抗扭、低水阻、耐腐蝕并能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其材料和尺寸選擇通過船用纜繩規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，纜繩兩端需安裝吊鉤和螺柱連接。吊鉤的位置選擇十分重要，應(yīng)保證其懸吊點、水下裝置的垂向水動力學(xué)中心和重心在同一條豎直線上。 2.5 載運裝置的整體穩(wěn)定性要求 在確定好材料選擇和總體技術(shù)尺寸之后，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，在賦予各零件材料選擇之后，軟件可自動精確計算出各部件的重量，體積和表面積，為接下來的受力分析和校核計算提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。 由建模軟件可知，母船重量約為80Kg，安裝好各種儀器之后約為95Kg，總排水量180Kg，漂浮于水面之上形成正浮力；水下牽引機重為40Kg，排水量10～20Kg，形成負(fù)浮力，二者經(jīng)柔性纜繩連接成為整體之后形成正浮力，所以水下牽引機可懸吊于海水之中，利用海浪驅(qū)動進(jìn)而推動整體前進(jìn)。 根據(jù)穩(wěn)心高公式H=Zc-Zg,公式中Zc為浮心坐標(biāo)，Zg為重心坐標(biāo)，在連接了水下牽引機之后，整體的重心位置會遠(yuǎn)低于浮心坐標(biāo)，在這種條件下，當(dāng)滑翔機受到波浪的擾動產(chǎn)生側(cè)翻的趨勢時，自身也會產(chǎn)生一個恢復(fù)力矩來防止這種干擾的發(fā)生。所以，本文中所設(shè)計的水面母船具有良好的穩(wěn)定性，不會有側(cè)翻的危險情況發(fā)生。 2.6 本章小結(jié) 本章通過查閱的資料，對波浪的原理進(jìn)行了描述，分析了雙體結(jié)構(gòu)的運動原理和運動過程，對雙體結(jié)構(gòu)的整體尺寸進(jìn)行了確定，根據(jù)實驗室的實際情況選擇了材料，通過三維建模分析設(shè)計結(jié)構(gòu)的重量、表面積、體積等參數(shù)，通過受力情況即重力與浮力的比較驗證了其可行性。在此基礎(chǔ)上通過三維軟件確定整體結(jié)構(gòu)的重心和浮心，從而得出了該雙體結(jié)構(gòu)可以在海洋環(huán)境中穩(wěn)定的運動，不會發(fā)生傾覆、側(cè)翻等危險狀況。 第三章 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核及裝配工藝 3關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計校核及裝配工藝 3.1 母船支架的受力分析以及強度校核 本次設(shè)計中的主要規(guī)格參數(shù)如表3-1所示，在進(jìn)行計算和校核時盡量將波浪復(fù)雜的受力簡化為常規(guī)的動載荷，利用機械設(shè)計中的部件的設(shè)計知識進(jìn)行計算分析，驗證整體結(jié)構(gòu)的合理性。表中數(shù)據(jù)可直接由SolidWorks軟件得到，在給定了各個結(jié)構(gòu)的材料之后，便可得出精確的結(jié)果，數(shù)據(jù)獲取方便準(zhǔn)確。 結(jié)構(gòu) 水上浮體 水下動力裝置 尺寸(mm) 1300*600*200 1100*1000*400 表面積(m2) 7 2 體積(m3) 0.2 0.017 質(zhì)量(kg) 95 30 主要材料組成 45鋼、硬質(zhì)泡沫 不銹鋼 表3-1 雙體結(jié)構(gòu)的主要規(guī)格參數(shù) 對于水面的浮體材料，四周包覆的支架只起到固定作用，并無明顯的受力和載荷，只有上方搭載儀器設(shè)備和太陽能電池板的型鋼結(jié)構(gòu)承受了固定的壓力，根據(jù)浮體材料的尺寸和儀器箱的長度，首先確定梁的長度，選擇梁的截面尺寸或選擇型鋼的型號時，先按正應(yīng)力強度條件選擇截面尺寸或型鋼型號，然后按切應(yīng)力強度條件以及剛度條件進(jìn)行校核。梁的三維建模和受力如圖3-1和圖3-2所示。 圖3-1 梁的三維建模 圖3-2 支架梁的彎矩圖 由于水上浮體材料的支架只收到儀器設(shè)備的重力所產(chǎn)生的壓力，壓力是一個均布載荷，F(xiàn)=150N，儀器箱長400mm，安裝在梁的中間位置，經(jīng)過計算，得出力矩圖。 可以看出支架梁的危險截面在中間位置，型鋼選擇45號鋼，抗拉強度不小于600MPa，屈服強度不小于350MPa。厚度參考國家標(biāo)準(zhǔn)。 按正應(yīng)力強度條件選擇不等邊角鋼的規(guī)格。梁所需的彎曲截面系數(shù)為： 鑒于這個彎曲截面系數(shù)很小，由型鋼表查得的最小規(guī)格也能滿足其安全條件，從節(jié)省材料、減輕重量的角度出發(fā)，同時也為了能夠搭載更多的儀器設(shè)備，該不等邊角鋼的厚度選擇最小的3mm，角鋼號數(shù)為4，長邊寬度為40mm，短邊寬度25mm，內(nèi)圓弧半徑為4mm。 該儀器支架是整個水面浮體材料中受力最大的部分，故只需對其進(jìn)行正應(yīng)力強度的校核即可驗證其安全性能，其它支架起到固定和包覆作用，無明顯受力，在此不做校核，選擇尺寸時考慮經(jīng)濟(jì)性和合理性，按照材料力學(xué)中的型鋼表的參數(shù)選擇尺寸即可。 3.2 連接結(jié)構(gòu)的校核 3.2.1 波浪載荷的簡化處理 由于波浪是不規(guī)則波，水下的受力情況十分復(fù)雜，本文將簡化模型，將波浪簡化為規(guī)則波，母船和水下牽引機的受力分析如下。 假若物體受到的是規(guī)律波浪的激勵,這個規(guī)則的波浪是一個隨時間變化的函數(shù). 我們可以把它描述成一個隨時間變化的函數(shù)，并在分析時考慮極限情況： 當(dāng)D/L≤0.2時，即認(rèn)為該水下物體為小特征尺度結(jié)構(gòu)，水下連接軸即會發(fā)生繞流現(xiàn)象，繞流現(xiàn)象就是流體流過圓柱但不發(fā)生流場的改變，此時水流會給圓柱一個作用力，可分解為阻力、橫向力和慣性力，其中阻力為前后壓差產(chǎn)生的，橫向力為水質(zhì)點存在的加速度產(chǎn)生的，慣性力為波浪產(chǎn)生的周期激振力，此時的受力分析可根據(jù)前人總結(jié)的莫里森公式進(jìn)行計算： 為慣性力指數(shù)，為阻力系數(shù)，為水質(zhì)點速度，為海水密度，為圓柱直徑。 在接下里的水下動力裝置的結(jié)構(gòu)的計算分析中，都將參考莫里森公式，將復(fù)雜的波浪載荷簡化，并考慮在參考數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的極限受力情況，以此來保證計算校核的合理。 3.2.2 母船雙頭螺柱的強度校核 由于水上浮體材料和水下動力裝置需要通過吊鉤和吊耳連接，而由于浮體材料質(zhì)地較軟并且不能進(jìn)行打孔等加工操作，所以我們在水上浮體材料下面安裝一個槽鋼，然后通過SolidWorks建模軟件確定水上浮體材料的重心之后，在槽鋼的相應(yīng)位置打孔，插入雙頭螺柱，然后通過柔性纜繩與水下的動力裝置進(jìn)行連接。 在進(jìn)行受力分析時，由于水面浮體的吃水深度不大，受到的波浪載荷和水阻力等都不是十分明顯，所以可只考慮常規(guī)的受力，并且考慮水上浮體材料和水下動力裝置同步運動即纜繩垂直時的受力情況，這是螺柱受到的拉力的極限值，若通過計算驗證了其強度和剛度，即可證明螺柱的尺寸選擇正確。計算過程如下： 雙頭螺柱簡化為兩端固定的簡支梁，受到纜繩向下的拉力F，F(xiàn)包括水下動力裝置的重力G、、水下擺板受到的水的壓力F1水下裝置受到的浮力F2的矢量和，公式為: 水下動力裝置的技術(shù)參數(shù)在前文已經(jīng)給出，所以得到 這個受力可以看做螺柱受到的集中載荷，繪制力矩圖如圖3-3所示 圖3-3 螺柱受力力矩圖 然后進(jìn)行強度校核，從力矩圖中可以看出，最大彎矩為中點處： 最大彎矩截面處： ，代入計算的數(shù)據(jù)值，螺柱材料選擇45鋼，調(diào)制處理，其=60MPa 得到，根據(jù)雙頭螺柱的技術(shù)規(guī)格，選擇直徑為20mm的等邊雙頭螺柱。 3.2.3 水翼連接軸的校核 本次設(shè)計中的水下動力裝置需要通過剛性軸進(jìn)行翼板的連接，由于不存在電動機，完全依靠波浪的上下波動提供動力，所以軸在受到翼板壓力的同時也存在一個扭矩，需要進(jìn)行彎扭強度校核，水翼連接軸只是起到連接的作用，在進(jìn)行受力分析時只需分析豎直方向上的壓力和波浪載荷等等，將受力模型簡化處理，水翼連接軸如圖3-4所示。 圖3-4 水翼連接軸 水翼連接軸為階梯軸，對稱結(jié)構(gòu)，中間直徑較大的軸段與主體連接，兩端與擺動的翼板相連接，以此來實現(xiàn)上下的轉(zhuǎn)動。 軸的材料選用45鋼，調(diào)制處理，首先需要確定小直徑的軸段的尺寸，然后根據(jù)軸承標(biāo)準(zhǔn)件和實際情況確定大端直徑的尺寸。因為軸是對稱結(jié)構(gòu)，中間固定，故可以只需要計算一半的受力情況。按照彎扭合成強度計算軸徑，該軸的計算校核過程如下： 首先將外載荷分解到水平面和垂直面內(nèi)，求出垂直面的支撐反力和水平面的支撐反力。 此時的水動力為驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的力，其公式為： 水平方向： 豎直方向： 細(xì)軸上的扭矩：T=200 翼板受到的圓周力：Ft1=2T1dm1； 翼板受到的徑向力：Fr1=Ft1?tanα?cosδ1 方向指向圓心。 繪制軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖3-4和圖3-5所示： 3-4 軸的彎矩圖 圖3-5 軸的扭矩圖 根據(jù)公式Me=M2+(αT)2，其中對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的軸，把扭剪應(yīng)力視為對稱循環(huán)應(yīng)力，取α=1，所以Me=M2+(αT)2=M2+T2 根據(jù)公式 σe=MmaxW=Mmax0.1d3≤[σ-1]MPa 可以對軸進(jìn)行最終校核，[σ-1]=60MPa，將數(shù)據(jù)代入經(jīng)過計算可得，，考慮到翼板的厚度，選取小軸直徑為14mm，然后確定中間大軸的尺寸，軸承選用國家標(biāo)準(zhǔn)尺寸代號為22，外徑47mm，內(nèi)徑20mm，厚度18mm，從而確定了中間軸的直徑和長度。 3.3 其他部件的分析及校核 水下動力裝置的翼板結(jié)構(gòu)具有較大的表面積，其受到的波浪載荷更加明顯，但由于本次設(shè)計中采用的是通過查閱資料得到的NACA的擺板形狀，是一個曲面流線型，通過傳統(tǒng)的力學(xué)校核很難首先對其的分析，SolidWorks三維建模軟件具有靜力分析的功能，在設(shè)定好翼板的夾具位置，給定翼板的所受簡化壓力，然后選擇好翼板的材料，通過仿真模擬即可得到擺板的受力云圖，從中可以直觀展示出受力情況，并能判斷是否存在安全問題。翼板的受力圖如下所，根據(jù)旁邊的數(shù)據(jù)可知，在均勻載荷分布的情況下，遠(yuǎn)離連接軸的部分出現(xiàn)了較大的彎曲變形。但仍在材料的許用應(yīng)力允許的范圍之內(nèi)，故可以確定擺板的幾何參數(shù)的設(shè)計是安全可靠的。 圖3-6 翼板受力結(jié)果圖 水上浮體材料需要固定支架，支架之間通過螺栓連接，此時的螺栓受到了剪切力的作用，為了確定螺栓的尺寸，需對其剪切強度進(jìn)行校核，校核過程如下： 按照抗剪強度公式：，所以： 在之前的敘述中已經(jīng)計算過支架梁受到的壓力，將其代入公式，螺栓的選材為40Cr,調(diào)制處理，其剪切疲勞極限：=200MPa，代入數(shù)據(jù)后可求得，查閱螺栓的標(biāo)準(zhǔn)，即可選用直徑為14mm的M14×50的螺柱用來固定和連接各個支架，其使用是正常安全的。 水上浮體材料和水下動力裝置通過柔性纜繩相連接，需要在水下動力裝置的主體上焊接吊鉤才可以保證連接的穩(wěn)定性。 吊耳應(yīng)有足夠的剛性和穩(wěn)定性，具有抗疲勞、耐沖擊的性能；使用時要充分考慮起重安全載荷的保險系數(shù)，一般應(yīng)保證2倍工作載荷的狀態(tài)下不變形、4倍工作載荷能承載且不斷裂的原則；使用時應(yīng)該充分考慮使用頻率、磨損、受腐蝕、強酸、強鹽、高溫等比較惡劣的海水下工作環(huán)境的影響。 通過查閱相關(guān)工程資料，確定了吊耳的選型和尺寸： 圖3-7 A型鋼板吊耳 此類吊耳結(jié)構(gòu)簡單，可承載10000kg以下的重物，把水下動力裝置在水中所受到的重力、浮力、水壓以及波浪載荷均考慮在內(nèi)，對其進(jìn)行強度校核和分析。 根據(jù)查閱的資料，若是工件的壁厚度比較大，安全系數(shù)較高，在這種情況下，A型鋼板吊耳可不使用墊板，直接采取焊接方式與水下動力裝置的主體連接即可。 鋼板吊耳的強度校核： 焊縫的強度校核： 在上述的公式之中，N為安全系數(shù)，在此取5；P為承載重量，考慮到水的壓強等外界因素，在此；t為板的厚度；L為焊縫長度；h為焊縫高度；R為吊耳的外圓半徑；D為吊耳的內(nèi)圓直徑。 吊耳選材為Q235-A,熱軋或者鍛后空冷，其抗拉強度極限=40MPa。 將設(shè)計的尺寸數(shù)據(jù)代入上述公式，求得鋼板吊耳和焊縫的強度均小于材料的抗拉強度極限，所以是安全可行的。 3.4 主要結(jié)構(gòu)的加工工藝及裝配方式 本次設(shè)計中除浮體材料之外，型鋼固定支架、水下動力裝置的主體、水翼擺板都選用不銹鋼材料，同時選擇表面噴涂處理以防止海水的腐蝕。 水翼連接軸與水下動力裝置的主體通過圓柱滾子軸承連接，軸承裝入加工好通孔的40mm厚的主體中，兩端使用軸承端蓋限位，以固定軸承的中間位置，軸承與端蓋之間安裝墊圈，一是可以更好地密封，二是為了防止軸承與端蓋之間長時間的摩擦降低水下結(jié)構(gòu)的使用壽命和工作過程中的正常運行。 水翼連接軸與軸承之間采用過渡配合，可以更好的提高軸的擺動效率，為了水翼擺板在水下的同步運動，擺板與軸之間采用焊接的工藝裝配形式，通過查閱資料，焊接是比較好的方式，于過盈配合相比更加穩(wěn)定和堅固。 水翼連接軸和螺柱等連接件進(jìn)行調(diào)制處理，提高其許用應(yīng)力，以應(yīng)對復(fù)雜的水下的變載荷的沖擊。 3.5 本章小結(jié) 本章主要講述了海洋載運裝置雙體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算，確定了各主要結(jié)構(gòu)的尺寸和材料選擇，考慮到水下復(fù)雜的受力情況，利用莫里森公式將受力模型簡化，對水下動力裝置的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度和剛度的校核，從而保證連接結(jié)構(gòu)能夠安全使用，在水下的載荷中長期的正常工作。在進(jìn)行了關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)的受力分析和強度校核之后，還對其主要連接部位的連接方式、裝配方式以及密封、防腐問題做了一系列的討論，進(jìn)而從整體上驗證了設(shè)計方案的可行性和合理性。 第四章 水下動力裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的水動力學(xué)仿真分析 4水下動力裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的水動力學(xué)仿真分析 4.1 FLUENT軟件介紹 FLUENT是目前國際上比較流行流體動力學(xué)仿真分析軟件，豐富的物理模型、強大的分析計算能力讓它可以滿足許多領(lǐng)域的流體分析。 FLUENT軟件以計算流體力學(xué)作為基礎(chǔ)，主要采用有限體積法作為分析計算方法，以此來求解流體控制方程組。它具有豐富的數(shù)據(jù)材料，與常規(guī)的列方程組求解的過程相比較可節(jié)省大量時間，并且仿真結(jié)果非常合理。 在進(jìn)行仿真計算之前，首先通過GAMBIT軟件進(jìn)行前處理。對于簡單模型，可直接在該軟件中畫出，也可由其他三維建模軟件導(dǎo)入，使用十分方便。這兩個軟件的工作界面如圖4-1和圖4-2所示。 圖4-1 FLUENT軟件界面 圖4-2 GAMBIT界面 GAMBIT導(dǎo)入的圖形首先需要進(jìn)行幾何清理，從而保證后續(xù)劃分的網(wǎng)格的合理性。然后劃定流體區(qū)域，劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，最后生成“*.msh”文件。將生成文件導(dǎo)入FLUENT，設(shè)置基本參數(shù)例如求解器、材料屬性、邊界條件等，然后開始進(jìn)行迭代計算，最終可以形成收斂的水動力參數(shù)值，并且可繪制速度云圖等等；如果結(jié)果不收斂，則參數(shù)需要重新設(shè)置，以得到較好的收斂結(jié)果。 本文中需要利用FLUENT軟件對水下動力裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)—水翼擺板進(jìn)行水動力學(xué)分析，水翼擺板的形狀和擺動的角度對整個裝置的運動效率起著非常重要的作用，是優(yōu)化載運裝置結(jié)構(gòu)的必要過程。所以本章采用FLUENT軟件對水翼擺板的翼型進(jìn)行分析，從而得出水下動力裝置在水中所受到的阻力和推力。其分析過程如圖4-3所示. 圖4-3 FLUENT軟件分析流程 4.2平板翼型與NACA翼型的仿真分析 水下驅(qū)動裝置的水翼擺板是為載運裝置提供前向驅(qū)動力的重要結(jié)構(gòu)，因此對于它的結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要，在復(fù)雜的水下受力的狀態(tài)下，擺板的形狀對于升阻比的大小影響很大。目前比較合理的形狀分為平板翼和曲面翼型。平板翼簡單易于加工，但水動力特性差，容易發(fā)生流動分離而使升阻比減??；曲面翼型雖然加工困難，但具有很好的水動力特性。目前國際上常見的曲面翼型為NACA翼型。 4.2.1 NACA翼型介紹 NACA翼型是美國國家航空咨詢委員會開發(fā)的一系列翼型，是目前國際上公認(rèn)的比較適合船舶等的水翼的形狀[13]。每個翼型的代號由“NACA”與一串?dāng)?shù)字組成，數(shù)字代表著特定的規(guī)格參數(shù)，將其代入到規(guī)定的公式方程中即可得到翼板的精確形狀，然后也有對應(yīng)的建模軟件可直接設(shè)計出三維模型。 NACA四位數(shù)翼型的幾何參數(shù)為： 首位數(shù)字代表最大彎度占弦長的百分比； 第二位數(shù)字代表最大彎度與翼板的前端位置的距離占弦長的十分之幾； 后兩位數(shù)字代表機翼最大厚度占弦長的百分比。 舉個例子來說，NACA3224翼型的最大彎度為張長的3%，位于距前緣0.2弦長處，而弦長的24%則代表其最大厚度，四位數(shù)的翼型默認(rèn)最大厚度位于距前端端面的0.3弦長處。 NACA翼型的基本參數(shù)如圖4-4所示 圖4-4 NACA翼型基本參數(shù) NACA四位數(shù)翼型中的00系列的翼板的形狀是對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)有的實驗表明厚度在12%一25%時，有最大的升力系數(shù)，綜合考慮，取水平翼翼型為:NACA0018，本文中設(shè)置水翼弦長l=160mm,水翼展長s=500mm。 4.2.2仿真結(jié)果對比與分析 本文選取了平板翼型和ＮＡＣＡ翼型進(jìn)行定量分析，運用ＧＡＭＢＩＴ軟件直接建模，盡量簡化其三維模型。因為水下動力裝置為６對對稱翼板的結(jié)構(gòu)組成，在分析時只需提取單個翼板進(jìn)行流體力學(xué)仿真，然后將所得數(shù)據(jù)乘以12即可得到大致的參數(shù)，這樣既保證了分析的正確性，也減少了仿真計算所耗費的時間。需要注意的是，在分析過程中需要控制其他變量，即需要保證兩種翼板除了形狀之外，平均厚度、弦長、擺角等其他參數(shù)保持相同，從而提高數(shù)據(jù)的可信度。 建模仿真的過程如下： 利用GAMBIT分別建立兩種擺板的平面幾何模型，具體的參數(shù)如表4-1所示；根據(jù)查閱資料和之前的實驗表明，水翼的擺動角度在18?時，性能較好，所以可設(shè)置翼板的擺動角度為18?。建模如圖4-5和4-6所示。 圖4-5 平板翼型 圖4-6 NACA翼型 創(chuàng)建流體區(qū)域。形狀為長方形，兩種形狀需要創(chuàng)建相同的流體區(qū)域，流體區(qū)域的邊界尺寸不應(yīng)過小，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確，最少為翼板尺寸的4倍。 劃分網(wǎng)格。需要保持兩種形狀擺板的其他參數(shù)一致，如圖4-7和圖4-8所示。 Error! Main Document Only.圖4-7 平板翼型網(wǎng)格劃分 圖4-7 平板翼型網(wǎng)格劃分 圖4-8 NACA翼型網(wǎng)格劃分 設(shè)置邊界條件為固壁狀態(tài)，并設(shè)置速度入口和自由出口邊界條件，然后輸出能夠直接導(dǎo)入FLUENT軟件的文件。 設(shè)置FLUENT流體入口速度邊界條件分別為0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s，根據(jù)查閱資料得到6m水深的海水流速約為0.6m/s，在之后的仿真結(jié)果中可以形成連續(xù)曲線便于觀察其變化趨勢。 迭代計算。收斂后，計算兩種形狀擺板的受力并繪制水下動力裝置整體所受的水阻力D和前向推力L的變化曲線。曲線如圖4-9和圖4-10所示。 形狀 弦長(mm) 厚度(mm) 攻角(?) 平板 160 20 18 NACA 160 20 18 表4-1 水翼建模參數(shù) 圖4-9 推力曲線圖 圖4-10 阻力曲線圖 從圖示的曲線中可以看出，當(dāng)水速增加時，擺板受到的阻力和動力都增大，但NACA0018翼型的擺板在水速達(dá)到0.5m/s時，其受到的動力比平板形狀大，對應(yīng)的阻力比平板形狀的小。 升阻比是水翼受到的推力和阻力的比值，升阻比越大則表示擺板的水動力特性好，在水下航行時，能更加有助于載運裝置向前推進(jìn)。通過計算繪制兩種形狀的擺板的升阻比，如圖4-11所示。通過圖可以看出，NACA翼型升阻比較大，與平板形狀相比，可以更好的提供水下動力裝置向前運動的驅(qū)動力。 圖4-11 兩種翼型的升阻比比較 綜上所述，當(dāng)速度達(dá)到0.5m/s時或者更大，NACA翼型的擺板能比平板形狀的擺板表現(xiàn)出更好的水動力特性，更加有助于提高載運裝置的前進(jìn)速度和效率。根據(jù)資料調(diào)查，實際的海洋環(huán)境中，海水的流速通常是在0.5m/s以上的，所以NACA0018的擺板翼型是提供載運裝置驅(qū)動力的較佳的選擇，同時，為了適應(yīng)海洋中的復(fù)雜受力，避免擺板發(fā)生斷裂等情況，可根據(jù)實際情況在擺板表面提供碳纖維覆蓋，以增強其強度和使用性能。 4.3本章小結(jié) 本章通過流體力學(xué)仿真分析軟件FLUENT對水下驅(qū)動裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)—水翼的形狀進(jìn)行了簡單水動力學(xué)分析，設(shè)置的參數(shù)都是在現(xiàn)有的波浪動力滑翔機的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過設(shè)置不同的海水流速，得到其運動性能的變化趨勢。設(shè)置了平板形狀和NACA翼型的兩種不同的形狀的擺板，對比分析其在相同流速下的阻力圖、動力圖和升阻比變化趨勢圖。得出了NACA翼型更適合于作為水下動力裝置的驅(qū)動機構(gòu)，為進(jìn)一步設(shè)計海洋載運裝置和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供參考。 第六章 總結(jié)與展望 5總結(jié)與展望 基于可再生能源的海洋載運裝置石油水面浮體材料和水下波浪驅(qū)動裝置由6m柔性纜繩連接而成。該載運裝置能夠?qū)⒑Ｑ笾械牟ɡ四苤苯愚D(zhuǎn)化為推動機構(gòu)運動的機械能，同時在水面浮體材料上搭載各種檢測設(shè)備和儀器，通過太陽能電池板為各種用電設(shè)備提供電力支持，因而可以在無人的條件下實現(xiàn)海洋長時間、大范圍的移動。基于波浪能的海洋裝置的設(shè)計與研發(fā)為我國的海洋監(jiān)測平臺的發(fā)展提供了新的思路和方向。 本文的設(shè)計工作是在已有的國外的波浪動力滑翔機的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過資料搜集與整理，進(jìn)行海洋數(shù)據(jù)的收集與分析，結(jié)合實驗室的實際情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料的選取并利用各種分析軟件進(jìn)行了水動力學(xué)的分析和運動仿真，致力于設(shè)計研發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可再生能源的海洋監(jiān)測裝置。本文針對波浪滑翔機的運動原理進(jìn)行了一系列的設(shè)計與研發(fā)工作，重點在于力學(xué)性能的計算和校核，從而驗證整套機構(gòu)的科學(xué)性和可行性。 本文已經(jīng)完成的工作主要有：通過對工作原理的分析與研究，對雙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性分析，提出了水上浮體和水下動力裝置設(shè)計的關(guān)鍵點；在此基礎(chǔ)上，通過對水下復(fù)雜受力情況的模型簡化進(jìn)行了尺寸的確定、關(guān)鍵受力部位的計算和校核以及充分考慮了其裝配、密封、防止海水腐蝕等一系列問題；對水下動力裝置的關(guān)鍵驅(qū)動結(jié)構(gòu)—擺動翼板進(jìn)行了流體力學(xué)的仿真分析，確定優(yōu)化參數(shù)；對整套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)建模，利用MATLAB軟件進(jìn)行了模型的仿真分析，得出其運動的曲線和效率，為樣機的制作和進(jìn)一步優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。 通過對擺板翼型水動力學(xué)仿真，得到了各個參數(shù)在不同水流速度沖擊下的阻力、推力的曲線圖，總結(jié)出了各參數(shù)變化時對水下動力裝置運動效率的影響，進(jìn)而實現(xiàn)了參數(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)。 由于本次畢業(yè)論文重在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算，對于波浪載荷、非穩(wěn)態(tài)的波浪參數(shù)等外專業(yè)的復(fù)雜問題沒有進(jìn)行過多的了解，在查閱資料了解大致公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力的簡化，從而為進(jìn)一步的計算和校核提供較為可靠和有效地數(shù)據(jù)。 由于個人水平有限，本次設(shè)計的時間比較短，對載運裝置雙體結(jié)構(gòu)的研究還沒有進(jìn)一步的深入。對于力學(xué)模型的仿真所設(shè)置的變量較少，數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)性還需進(jìn)一步去驗證，只能將自己大學(xué)所學(xué)的知識和通過查閱了大量的文獻(xiàn)來彌補設(shè)計中出現(xiàn)的不足，盡可能的去完善本次設(shè)計的內(nèi)容。 本次畢業(yè)設(shè)計的研究內(nèi)容具有重要的實際意義和使用價值，為于我國海洋監(jiān)測平臺裝置的設(shè)計與研發(fā)提供了新的思路和數(shù)據(jù)參數(shù)，希望能夠為以后的樣機制作或者我國的自主研發(fā)的新型海洋監(jiān)測平臺提供參考價值。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 李小濤,王理,吳小濤,等．波浪滑翔器原理和總體設(shè)計［J］.四川兵工學(xué)報,2013( 12):128 －131 [2] 劉美琴，鄭源，趙振宙． 波浪能利用的發(fā)展與前景［J］． 海洋開發(fā)與管理，2011，27( 3) :80－82 [3] 孫秀軍．混合驅(qū)動水下滑翔器動力學(xué)建模及運動控制研究[D]．天津：天津大學(xué)，2011 [4] Manley J.E. 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