CN106915418A - 一种近浅海环境监测系泊系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近浅海环境监测系泊系统及其设计方法，系统包括依次连接锚、锚链、钢桶、钢管、浮标，所述钢桶下方还连接有钢球，钢桶内装有用于检测海洋数据和与陆地进行通信的装置，所述浮标与钢管之间、钢管与钢桶之间、钢桶与钢球之间均用万向节连接。近浅海环境监测系泊系统的设计方案的研究步骤是：①对近浅海环境监测系泊系统的进行静力平衡分析；②建立多目标优化模型；③由敏感性分析结果验证并简化模型，得到可实际应用的系泊系统目标优化模型。

Description

一种近浅海环境监测系泊系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，特别涉及一种近浅海环境监测系泊系统及其设计方法。使近浅海海洋监测的监测装置保证安全、有效的基础上，使整个监测、传输装置的系泊系统最经济。

背景技术

随着陆地资源渐渐匮乏，各国逐渐将资源开发转向了海洋，海洋资源将将成为衡量一个国家强弱的标准。但我们在获取资源的同时不可避免的会对海洋环境造成污染，因此对于海洋环境的实时监控至关重要。近浅海观测系泊系统在海洋观测的各个领域有很好的应用价值，在海洋环境管理方面有很大的潜力。

对于系泊装置来说最重要的就是其在海洋环境中的稳定性，面对海洋中的恶劣环境仍能有效工作。系泊装置的稳定性是由多方面决定的，最主要的就是浮标，重物球，锚和连接各部位的锚链。将这四部分与不同海域的实际情况结合起来便能设计出安全稳定的系泊系统。由于锚链与其它部件均有联系，实际设计当中对于锚链的分析是一大难点。

目前规范有关锚链的计算方法源于悬链曲线理论。在实际工程当中，很多情况下用抛物线近似理论来计算锚链的内力，但是抛物线理论的误差大小及使用范围，还没有做系统的分析，并且在海洋环境下锚链不同部位的受力情况不同，不能简单的将锚链当作整体计算。因此这种计算方法难免存在偏差，在实际运用过程中存在诸多问题。

发明内容

本发明目的是：提供一种近浅海环境监测系泊系统及其设计方法，提供一套更为可靠的系泊装置设计方案，可为不同海域设计安全稳定的系泊装置，可用于在海洋中固定环境检测装置，为今后的海洋环境管理提供便利。

本发明的技术方案是：

一种近浅海环境监测系泊系统，包括依次连接锚、锚链、钢桶、钢管、浮标，所述钢桶下方还连接有钢球，钢桶内装有用于检测海洋数据和与陆地进行通信的装置，所述浮标与钢管之间、钢管与钢桶之间、钢桶与钢球之间均用万向节连接。

所述钢管为多个，通过增减钢管的数量，调节钢桶的高度，钢管与钢管之间用万向节连接。

一种近浅海环境监测系泊系统的设计方法，包括：

S1、先对浮标经行受力分析，其受力包括载荷、水流力、自身重力、自身浮力以及钢管对浮标的拉力，得到受力平衡关系式，然后进行力矩分析，得到静力平衡关系式；同样的对锚链和其余部件经行静力分析，得到各部分静力平衡式；

S2、根据所得的静力平衡式以各系统部件参数最优为目标建立多目标优化模型。

S3、对该模型进行敏感性分析，验证模型的准确性并找到对整个系统影响最显著的几个因素；

S4、经计算可知锚链单位重量m_ac和钢球重量M为显著因素，以此两者最小作为目标函数，以钢桶的倾斜角度不超过θ′＝16°和锚与锚链的链接处的切线方向与海床的夹角不超过θ′＝5°作为约束条件建立系泊系统目标优化模型；

S5、查阅相关资料，获知当地近年来海面最大风速、水流速度和进航道水深，将这些数据作为初始条件应用到模型中，得到锚链和重物球的数据。

步骤S1中的受力分析和力矩分析，以锚链和锚的连接点为原点，海面风的风向为x轴，垂直于海床指向海平面的方向为y轴建立直角坐标系。

骤S4中，系泊系统目标优化模型为：

min M

min m_ac

式中，

本发明的优点是：

本发明的目的在于改进之前对系泊装置的计算方法，提供一套更为可靠的系泊装置设计方案，使近浅海海洋监测的监测装置保证安全、有效的基础上，使整个监测、传输装置的系泊系统最经济，为不同海域设计安全稳定的系泊装置，可用于在海洋中固定环境检测装置，为今后的海洋环境管理提供便利。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述的近浅海环境监测系泊系统结构示意图；

图2为浮标静力分析图；

图3为钢管静力分析图；

图4为钢桶受力分析图；

图5为链环静力分析图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明所述的近浅海环境监测系泊系统，包括依次连接锚1、锚链2、钢桶3、钢管4、浮标5，所述钢桶3下方还连接有钢球6，钢桶3内装有用于检测海洋数据和与陆地进行通信的装置，锚1采用吸力锚，浮标5用于提供浮力；所述浮标5与钢管4之间、钢管4与钢桶3之间、钢桶3与钢球6之间均用万向节连接。所述钢管4为多个，通过增减钢管的数量，调节钢桶的高度，钢管与钢管之间用万向节连接。

一种近浅海环境监测系泊系统的设计方法，包括以下步骤。

S1、以锚链和锚的连接点为原点，海面风的风向为x轴，垂直于海床指向海平面的方向为y轴建立直角坐标系；先对浮标经行受力分析，其受力包括载荷、水流力、自身重力、自身浮力以及第一根钢管对浮标的拉力，得到受力平衡关系式，然后进行力矩分析，得到静力平衡关系式；同样的锚链和其余部件经行静力分析，得到各部分静力平衡式。先对浮标经行受力分析，其受力包括载荷、水流力、自身重力、自身浮力以及钢管对浮标的拉力，得到受力平衡关系式，然后进行力矩分析，得到静力平衡关系式；同样的对锚链和其余部件经行静力分析，得到各部分静力平衡式。

其中静力分析情况如下：

①浮标：

如图2所示，其中风载荷F_风、水流力F_水、自身重力G_浮标、自身浮力F_浮标以及第一根钢管对浮标的拉力T_i。

②钢管：

如图3所示，其中第i节(i＝2，3，4…)钢管单元的受力包括两端所受张力T_i和T_i+1、自身重力G_钢管、浮力F_钢管、近海水流力F_水。

③钢桶：

如图4所示，其中钢桶的受力包括钢桶两端所受张力(第i节钢管对钢桶的拉力T_i+1和第n节锚链对钢管的拉力T_n)，钢桶自身所受重力G_钢桶、重物球对钢桶的拉力G_钢球、浮力F_钢桶以及近海水流力F_水。

④链环：

如图5所示，其中第n节(n＝6,7,8…)锚链首端受到的拉力T_n和尾端受到的拉力T_n+1，以及自身重力G_锚链(忽略锚链的浮力和近海水流力)。

S2、根据所得的静力平衡式以各系统部件参数最优为目标建立多目标优化模型。

min M

min m_ac

min l

min l_ac

其中M为钢球重量,m_ac为锚链单位长度的质量,l为锚链长度,l_ac为单个链环长度。θ₅为钢桶与竖直线的夹角，θ₂₁₅为锚与锚链的链接处的切线方向与海床的夹角。

S3、对该模型进行敏感性分析，验证模型的准确性并找到对整个系统影响最显著的几个因素，由于这几个因素对整个系统的影响并不是相同的,模型不存在完全帕累托解。因此，对模型进行数值模拟，挑选出两个主要影响因素。因此，使其它变量固定，将多目标优化问题转化为双目标优化问题。

S4、经计算可知锚链单位重量m_ac和钢球重量M为显著因素，以此两者最小作为目标函数，以钢桶的倾斜角度不超过θ′＝16°和锚与锚链的链接处的切线方向与海床的夹角不超过θ′＝5°作为约束条件建立系泊系统目标优化模型；

min M

min m_ac

式中，

通过该模型，可提供近浅海检测系统系泊系统的构件设计方案和吸力锚所需吸力。

S5、查阅相关资料，获知当地近年来海面最大风速、水流速度和进航道水深，将这些数据作为初始条件应用到模型中，得到锚链和重物球的数据。

例如查阅相关资料得知宁波港近年来海面风速最大为12年台风海葵来袭之际，当时海面最大风速达34.4m/s，水流速为2m/s，进航道水深18.2m。将这些数据作为初始条件应用到模型中，得到锚链和重物球的数据如下。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种近浅海环境监测系泊系统，其特征在于：包括依次连接锚、锚链、钢桶、钢管、浮标，所述钢桶下方还连接有钢球，钢桶内装有用于检测海洋数据和与陆地进行通信的装置，所述浮标与钢管之间、钢管与钢桶之间、钢桶与钢球之间均用万向节连接。

2.根据权利要求1所述的近浅海环境监测系泊系统，其特征在于：所述钢管为多个，通过增减钢管的数量，调节钢桶的高度，钢管与钢管之间用万向节连接。

3.一种近浅海环境监测系泊系统的设计方法，其特征在于，包括：

S1、先对浮标经行受力分析，其受力包括载荷、水流力、自身重力、自身浮力以及钢管对浮标的拉力，得到受力平衡关系式，然后进行力矩分析，得到静力平衡关系式；同样的对锚链和其余部件经行静力分析，得到各部分静力平衡式；

S2、根据所得的静力平衡式以各系统部件参数最优为目标建立多目标优化模型。

S3、对该模型进行敏感性分析，验证模型的准确性并找到对整个系统影响最显著的几个因素；

S4、经计算可知锚链单位重量m_ac和钢球重量M为显著因素，以此两者最小作为目标函数，以钢桶的倾斜角度不超过θ′＝16°和锚与锚链的链接处的切线方向与海床的夹角不超过θ′＝5°作为约束条件建立系泊系统目标优化模型；

S5、查阅相关资料，获知当地近年来海面最大风速、水流速度和进航道水深，将这些数据作为初始条件应用到模型中，得到锚链和重物球的数据。

4.根据权利要求3所述的近浅海环境监测系泊系统，近浅海环境监测系泊系统的设计方法，其特征在于：步骤S1中的受力分析和力矩分析，以锚链和锚的连接点为原点，海面风的风向为x轴，垂直于海床指向海平面的方向为y轴建立直角坐标系。

5.根据权利要求3所述的近浅海环境监测系泊系统，近浅海环境监测系泊系统的设计方法，其特征在于：步骤S4中，系泊系统目标优化模型为：

min M

min m_ac

式中，