CN114954790A - 一种具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，包括：浮标平台、弹性件和吸振体；所述吸振体通过所述弹性件悬挂于所述浮标平台；所述浮标平台上设有定子，所述吸振体上设有动子，所述定子与所述动子配合形成直线发电机构。上述具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标即使处于激励频率变化较大的海面，也不会发生较大起伏；在此基础上，海洋浮标还可实现对内部装载设备的自供电。
Description
技术领域
本申请一般涉及减振设备技术领域，尤其涉及一种具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标。
背景技术
海洋浮标是以锚定在海上的观测浮标为主体组成的海洋水文水质气象自动观测站。它能按规定要求长期、连续地为海洋科学研究、海上石油开发、港口建设和国防建设收集所需海洋水文水质气象资料，但当海洋天气和海况极为恶略时，海洋浮标会随波浪起伏而振动幅度过大，造成其锚定不稳定，且不利于其上搭载仪器的运行。现有的浮标减振装置一般通过是在浮标平台上添加弹性件和吸振体，依照动力吸振器模型构建动力吸振结构，以降低其在海洋中的振动幅度。但由于普通的动力吸振结构中的吸振阻尼为定值，因此只能对确定频率的外部激励起到相应的减振作用，而并不能对频率变化的外部激励起到适应性的减振作用。作业于海面上的浮标平台受到海面的激励恰恰是频率是不断变化的激励，因此上述动力吸振结构无法对浮标平台的振动起到较好的抑制作用。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种可对海洋中浮标平台的振动起到较好的抑制作用的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标。
具体技术方案如下：
本申请提供一种具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，包括：浮标平台、弹性件和吸振体；
所述吸振体通过所述弹性件悬挂于所述浮标平台；
所述浮标平台上设有定子，所述吸振体上设有动子，所述定子与所述动子配合形成直线发电机构。
可选的，
所述吸振体的质量
所述弹性件的刚度
所述直线发电机构的电磁阻尼
其中m1为所述浮标平台的质量，kh1为静水恢复力刚度，F为波浪激励力，X1为所述浮标平台的振动幅值。
可选的，所述浮标平台包括：浮标主体、竖直设于所述浮标主体内部的第一筒部和竖直设于所述浮标底部的第二筒部；
所述弹性件上远离所述吸振体的一端连接于所述第一筒部的顶端，所述第一筒部与所述第二筒部连通，所述第二筒部底端密封，二者配合用于为所述吸振体提供振动空间。
可选的，所述定子设于所述第一筒部和/或所述第二筒部的内壁上；
所述吸振体还包括与所述动子连接的第一配重块。
可选的，所述浮标平台还包括第二配重块，所述第二配重块设于所述第二筒部底部。
可选的，所述第二配重块通过锚链连接至海底。
可选的，所述浮标平台还包括：
电力储存装置，所述电力储存装置的输入端连接于所述直线发电结构的输出端；
监测通讯设备，所述监测通讯设备的电力输入端连接于所述电力储存装置的输出端。
本申请有益效果在于：
由于该海洋浮标上的所述浮标平台与所述吸振体之间不但形成动力吸振结构，而且在二者之间配合形成有直线发电机构。因此当所述浮标平台与所述吸振体之间发生相对运动时，不但有所述弹性件为所述浮标平台提供吸振阻尼，而且所述直线发电机构产生的电磁阻尼也为所述浮标平台提供了吸振阻尼。在此基础上，由于所述电磁阻尼是随外部激励频率变化而变化的，因此较之仅有动力吸振结构的海洋浮标，该海洋浮标可以应对一定频率范围内的海浪激励，也即在面对变化频率的海浪激励时，具有更好的减振效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例提供的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标的简化模型图；
图3为本申请实施例提供的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标的简化模型中不同阻尼比下的幅频响应曲线。
图中标号：2，弹性件；14，定子；31，动子；11，浮标主体；12，第一筒部；13，第二筒部；32，第一配重块；15，第二配重块；4，锚链；16，电力储存装置；17，监测通讯设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1，为本实施例提供的一种具有更好的减振效果的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，包括：浮标平台、弹性件2和吸振体；
所述吸振体通过所述弹性件2悬挂于所述浮标平台；
所述浮标平台上设有定子，所述吸振体上设有动子，所述定子与所述动子配合形成直线发电机构。
由于该海洋浮标上的所述浮标平台与所述吸振体之间不但形成动力吸振结构，而且在二者之间配合形成有直线发电机构。因此当所述浮标平台与所述吸振体之间发生相对运动时，不但有所述弹性件2为所述浮标平台提供吸振阻尼，而且所述直线发电机构产生的电磁阻尼也为所述浮标平台提供了吸振阻尼。在此基础上，由于所述电磁阻尼是随外部激励频率变化而变化的，因此较之仅有动力吸振结构的海洋浮标，该海洋浮标可以应对一定频率范围内的海浪激励，也即在面对变化频率的海浪激励时，具有更好的减振效果。
其中在进一步增强该海洋浮标减振效果的优选实施方式中，
所述吸振体的质量
所述弹性件2的刚度
所述直线发电机构的电磁阻尼
其中m1为所述浮标平台的质量，kh1为静水恢复力刚度，F为波浪激励力，X1为所述浮标平台的振动幅值。
由于所述海洋浮标在海面上受到的海浪激励力是不断变化的，因此为保持其最佳减振效果，在测量到波浪激励力F变化时，需要对所述吸振体的质量m2、所述弹性件2的刚度kp和所述直线发电机构的电磁阻尼cp做出适应性调整。其推导过程如下：
可参见图2和图3中所示，其中m1的数值可通过对浮标平台上的各部分称量后得出；而kh1的数值可通过公式：kh1＝ρghπR2计算得出，其中ρ为海水密度，g为重力加速度，h为浮标淹没深度，R为浮标半径，也均可通过测量得出；F的数值可通过波浪仪测量得出(可用波浪仪型号为：SBY2-1声学式波浪仪)。
由简化模型，根据牛顿第二定律可以得到该简化模型下海洋浮标系统的动力学方程为：
引入下列参数：
所述吸振体与所述浮标平台的质量比
所述浮标平台的固有频率
所述吸振体的固有频率
所述直线发电机构产生的电磁阻尼与所述弹性件产生的弹性阻尼之比
(以下简称“阻尼比”)；波浪激力与所述浮标平台质量的比值
式(1)中上边的式子两侧同时除以m1，下边的式子两侧同时除以m2可化为：
设该海洋浮标在所述波浪力激励下存在两个稳态解，则由式(2)可得：
则有
对(2)式进行拉氏变换可得：
其中s＝iω，
为了便于后续的计算，令：
由上式可得：
由上式可得：
其中
和
分别为系统稳态解X1和X2的振动幅值，因此所述浮标平台的振幅
(对X1取正值)和所述吸振体的振幅
(对X2取正值)分别为：
为了便于推导，引入无量纲系数：振幅比A1，其定义如下：
式中简化参数取值分别为：A＝λ2-ν2，B＝2λν，
C＝λ4-(1+ν2+μν2)λ2+ν2，D＝2λν[1-(1+μ)λ2]；
其中
因此，由式(7)经过简单推导，可以证明其幅频曲线都将通过2个独立于阻尼比的点，这两个点称作该简化模型的幅频曲线的固定点。为了直观说明该结论图3给出了不同阻尼比情况下的幅频曲线，从图3中可以看出当取定μ值和ν值时，无论ξ如何变化，幅频曲线均会通过P和Q两点，P，Q两点为该简化模型的幅频曲线的固定点。
又由于Xst为定值，因此为了使所述浮标平台在质量给定的前提下始终具有最小的振幅(也即减振性能最佳)，需要满足上述幅频曲线中的两个固定点需同为曲线的最高点。因此一方面，两个固定点纵坐标需相等，也即当阻尼比ξ趋于0和趋于无穷时，P点和Q点的振幅比A1的取值相等，由式(7)可得
也即：
由(8)式化简得到：
(2+μ)λ4-2λ2[1+ν2(1+μ)]+2ν2＝0 (9)
设式(9)存在2个根λP和λQ,则根据维达定理可得：
令阻尼比ξ趋于无穷，则由式(7)可得
由所述幅频曲线在P点和Q点处的纵坐标A1相等可知：
或
但由于λP≠λQ，因此舍去后式，由式(11)可得：
联立式(10)和式(12)并化简可得到关于μ和ν的方程：
(1+μ2)ν2-1＝0 (13)
求解可以得：
此时ν的取值为最优值，记为ν＝νopt，
将最优频率比νopt代入到方程(9)中可求得P点和Q点处的横坐标的平方分别为：
由式(15)、式(16)和
可得P点和Q点处响应值即纵坐标为：
通过上述求解所得到的最优频率比，使得2个固定点P和Q被调整到了相等的高度，即纵坐标相等。
另一方面，幅频曲线在P点和Q点取最大值。根据极值条件，只有使幅频曲线在2个固定点横坐标处的导数分别满足下式，才可使P点和Q点成为幅频曲线的最高点。
为了求解该式，记
这里令p＝A2+B2ξ2，q＝C2+D2ξ2，
则有：
其中
因此可以得到
p′＝2λ2-2ν2(1-2ξ2)
q′＝4ν2ξ2[1-3λ(1+μ)][1-λ(1+μ)]+2[2λ-1-ν2(1+μ)][λ2-λ-ν2(λ-1+μλ)] (20)
将式(20)代入式(19)中可得：
为方便整理，令s＝[1-λ2(1+μ)]2，然后代入上式可有q＝ps，代入式(19)则有sp′-q′＝0；将式(14)和式(15)，及式(14)和式(16)分别代入上式，经化简后可得：
又由本领域内公知常识可知，当ξ取
和
的平均值的平方根时，所述幅频曲线在P点和Q点取值相等，进而可得：
此时ξ的取值为最优值，记为ξ＝ξopt。
综上所述，当波浪力激励变化的情况下，该海洋浮标仍要保持最佳减振效果的话，需要满足ξ＝ξopt，ν＝νopt，此时
其中
则有
有由
可得
联立上述两式，可得：
由
和式(14)可得：
由
和式(21)可得：
其中在进一步提升该海洋浮标的减振效果的优选实施方式中，所述浮标平台包括：浮标主体11、竖直设于所述浮标主体11内部的第一筒部12和竖直设于所述浮标底部的第二筒部13；
所述弹性件2上远离所述吸振体的一端连接于所述第一筒部12的顶端，所述第一筒部12与所述第二筒部13连通，所述第二筒部13底端密封，二者配合用于为所述吸振体提供振动空间。
通过所述海洋浮标主体11内的第一筒部12和其底端的第二筒部13所构成的振动空间，可为所述吸振体在竖直方向上的振动提供足够的空间，进而可以保证该海洋浮标具有较好的减振效果。
其中在保持该海洋浮标最佳减振效果的优选实施方式中，所述定子14设于所述第一筒部12和/或所述第二筒部13的内壁上；
所述吸振体还包括与所述动子31连接的第一配重块32。
由于在所述动子31上配置所述配重块32，因此在测得F和kh1变化的情况下，可根据所述吸振体的质量m2的表达式，通过调整所述配重块32的质量，实现调整m2质量，进而可使该海洋浮标能够保持最佳减振效果。
其中在保持该海洋浮标稳定性的优选实施方式中，所述浮标平台还包括第二配重块15，所述第二配重块15设于所述第二筒部13底部。
通过在所述第二筒部13底部设置所述第二配重块15，可使该海洋浮标的重心降低到水面以下，当水面起伏时，该海洋浮标不致侧翻，因此其稳定性得到了有效提升。
其中在提升该海洋浮标对设定位置的检测效果的优选实施方式中，所述第二配重块15通过锚链4连接至海底。
通过所述锚链4将所述第二配重块15连接至海底，这样可使该海洋浮标始终保持在设定位置，这样该海洋浮标对此设定位置的环境监测更加准确、效果更佳。
其中在节约该海洋浮标的生产和使用成本的优选实施方式中，所述浮标平台还包括：
电力储存装置16，所述电力储存装置16的输入端连接于所述直线发电结构的输出端；
监测通讯设备17，所述监测通讯设备17的电力输入端连接于所述电力储存装置16的输出端。
该海洋浮标通过将所述直线发电机构与动力吸振装置有机结合起来，在为自身减振的同时，也实现了为所述监测通讯设备17的供电，还可将多余的电能储存至所述电力储存装置16，因此无需再为所述监测通讯设备17另行配置发电系统，节约了该海洋浮标的生产和使用成本。
其中所述电力储存装置16的可选型号为：长海斯达蓄电池6FM-200、ROCKET蓄电池SMF1000RA等；
所述监测通讯设备17的可选型号为：风途FT-HYQX海洋气象观测仪、TRM-ZS8型海上气象监测仪等。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，包括：浮标平台、弹性件(2)和吸振体；
所述吸振体通过所述弹性件(2)悬挂于所述浮标平台；
所述浮标平台上设有定子(14)，所述吸振体上设有动子(31)，所述定子与所述动子配合形成直线发电机构。
2.根据权利要求1所述的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，
所述吸振体的质量
所述弹性件(2)的刚度
所述直线发电机构的电磁阻尼
其中m1为所述浮标平台的质量，kh1为静水恢复力刚度，F为波浪激励力，X1为所述浮标平台的振动幅值。
3.根据权利要求2所述的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，所述浮标平台包括：浮标主体(11)、竖直设于所述浮标主体(11)内部的第一筒部(12)和竖直设于所述浮标底部的第二筒部(13)；
所述弹性件(2)上远离所述吸振体的一端连接于所述第一筒部(12)的顶端，所述第一筒部(12)与所述第二筒部(13)连通，所述第二筒部(13)底端密封，二者配合用于为所述吸振体提供振动空间。
4.根据权利要求3所述的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，所述定子(14)设于所述第一筒部(12)和/或所述第二筒部(13)的内壁上；
所述吸振体还包括与所述动子(31)连接的第一配重块(32)。
5.根据权利要求3所述的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，所述浮标平台还包括第二配重块(15)，所述第二配重块(15)设于所述第二筒部(13)底部。
6.根据权利要求5所述的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，所述第二配重块(15)通过锚链(4)连接至海底。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的具有动力吸振与直驱式波浪发电功能的海洋浮标，其特征在于，所述浮标平台还包括：
电力储存装置(16)，所述电力储存装置(16)的输入端连接于所述直线发电结构的输出端；
监测通讯设备(17)，所述监测通讯设备(17)的电力输入端连接于所述电力储存装置(16)的输出端。
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