《拖曳系统.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《拖曳系统.doc(125页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、水下拖曳系统研究前言二十世纪下半叶是一个积极开发海洋资源的时代,为获取工业原料和食品资源,在近海和深海里的工作同各种拖曳装置的研制紧密地联系在一起。用于研究海洋资源的自动拖曳仪器、搜索近海底的拖曳声纳、自动拖网系统、拖曳观察仪器、铺设水下电缆的设备和许多拖曳系统的应用都能提高生产率和工作效率。当科学研究船在漂移状态测量时,拖曳仪器沿着船的航迹作测量替代传统的研究方法,其中测量仪器包括:温度梯度仪、分布式温度传感器、带传感器的拖曳容器(容器系统),这些仪器同时可用作分层取水用的软管。为寻找石油、天然气,对近海大陆架的研究规模逐步扩大,这导致了水声定位方法的飞速发展,这种方法可用来进行水下地形测量
2、以及地球内部的地震勘探。水下拖曳系统的发展趋向给出可能性去:减少船舶噪声,降低由水介质吸收和混响引起的信号衰减,改善了求解深度的方法,这种方法考虑了减少在海底拖曳时的波前变形。现代获取食物的方法同拖曳技术的飞速发展密切相关,在开发早期物质资源丰富时,拖网直接沿着海底运动。深海拖网捕鱼及导航定位测鱼群都要求提高拖曳的深度和速度,增大拖网的尺寸。用于观察鱼网的潜艇能缩短试验周期,加快调整随机结构的新渔网,加快建立捕鱼的先进方法。建造具有拖曳系统装置船舶的过程中,通常故障不仅发生在船体本身,而且发生在其它结构元件上,这些元件故障是由于技术设计的缺陷及理论研究方法的缺陷引起的,这些理论方法主要体现在拖
3、网系统的理论设计、选择和装配阶段动力学过程的试验研究。目前国内外文献中有许多报道带拖曳载体的船舶设计问题,从事水下拖曳系统设计工作的主要有:.、.、.、.、.等等,现代拖曳系统实验条件的复杂性、高可靠性、高效性限制了设计方法的飞速发展,主要影响因素有:拖网装置在波浪上的性能参数;拖船沿航线、速度方向机动时的性能参数;拖缆腐蚀部分的变化;以及运输船升力平面的攻角变化。在分析研究拖网稳态和暂态动力学过程基础上进行设计,这可缩短周期、降低成本情况下可提高设计质量。本书的目的是基于单一从阐明方法学和便于为实际应用的形式把大量原始材料系统化。内容包括:建立了操作时暂态动力学过程的数学模型,以此为基础讨论
4、带拖曳设备的船舶装置设计问题。带拖曳设备的船舶装备包括研究拖曳缆和拖曳载体的船舶设备,该船舶设备由收放装置、载体性能控制系统、操作系统和信息记录系统组成。最新的研究成果参见科研文献,因此鉴于篇幅的限制,本书主要侧重于系统分析和概括以下几方面已有的材料和积累的经验:在海流、波浪、拖曳机动三种情况下,拖缆性能参数的动静态计算;实验模型研究;实物实验;稳定设备及收放设备的研究。书中给出了在研究开发海洋资源时关于拖曳载体应用领域的概念,描述了拖曳载体的操作条件,建立了对用于拖曳船舶装置的主要要求,给出了拖曳系统、收放装置、实验装置主要元件的数据,概述了确定作用在拖曳元件上水动力研究的现状,进行了数学建
5、模,并建立了拖曳装置性能参数的计算方法。利用方法确定拖曳系统在静水中及波浪上出现失稳的条件。在柔性缆模型基础上,按虎克定律建立拉伸线方法,并给出在波浪和暂态运动工况下拖曳系统动力学仿真结果。考虑非线性水动力、柔性缆纵-横向非线性振动、载体的非线性角振动、拖曳系统动力学参数的相互作用等因素,详细研究由于不利的操作条件引起的拖船晃动的空间补偿问题。详细分析了在静水中和波浪上拖曳系统运动稳定装置的有效性和合理性,概述了进行实验模型研究和实物实验的装置和方法。书中使用了作者前期发表的文章,并给出了在船舶设计、应用流体力学、理论力学、水弹性领域及其它科学技术领域的大量最新研究成果。感谢.教授在书稿的写作
6、过程中所提出的宝贵意见和给予的帮助。读者对本书的建议和意见请寄至船舶设计出版社:191186,圣彼得堡,海洋大街8号。采用的缩略词振幅频率特性; 环状稳定器;拖缆系统; 科学研究船;拖曳载体; 磁带存储器;拖曳系统; 潜水器具;隔振元件; 水下升降装置;可承担载重的电缆; 插塞接头;仪器的长度向匀称的载体。主要符号拖曳系统元件的非线性振动振幅,;、流体动力的摩擦阻力系数、拖缆形状阻力系数;、缆索的法向与切向阻力系数;、拖曳体深度方向和旁侧方向的水动力阻力系数;、拖曳体的位置分量系数、旋转导数系数;拖缆直径,;、坐标轴的单位矢量;柔性绳的拉伸刚度,;爱因涅尔数;、液体集中质量的惯性力分布、以及作
7、用在流线上的由涡流所决定的流体动力摩擦和形状阻力的分布,;佛汝德数;拖曳载体的重量,;拖曳载体在液体中的重量,;、线端给定的横向、纵向振幅,;离散线模型用到的杆长度,;缆绳(柔性缆)的长度,;拖曳系统的长度,;拖曳体的特征长度,;缆的线质量,;拖曳体的质量,;、拖曳载体俯仰、滚转、偏航的流体动力矩系数;、拖曳体流体动力的位移分量系数和旋转导数系数;缆的总质量,;逼近缆的刚性轴承杆数;、离散的逼近缆绳的第个杆的单位标准矢量;缆在液体中的线重量,;缆弹性变形的势能,;缆的变动的半径矢量,;船舶回转的运动半径,;雷诺数;缆在目前的长度,;从缆端到流中保持稳定极限段的长度,;拖曳体的特征面积,;斯特洛
8、哈尔数;目前的时刻,;、在静水中运动时任意点的张力和船-缆通常端点处的张力,;拖缆静水中的最大张力,;固体-液体系统的动能,;拖曳系统的动能,;拉伸缆的纵向位移,;拖曳速度,;拖曳的极限速度,;船舶绞车的工作速度,;船舶漂移速度,;流在缆上的速度分量,;拖曳体的重量排水量,;、体坐标系中点的坐标值,;、拖缆任意点和船-缆连接端点的相对于船的延伸及其沉入深度,;、拖缆相对平衡位置的动力学位移,;、在与悬挂起始点相关联坐标系中,拖曳载体排水量中心与重心的坐标值,;、相对平衡位置的横向移动,;、球坐标系的子午线角和方位角,;、缆的离散模型中第个杆的子午线偏角和方位偏角,;、子午线角和方位角的静态分量
9、,;、子午线角和方位角的动态分量,;、物体相对平衡位置的偏差角,;缆的纵向应变;在载荷重量作用下,缆的相对伸长量;长度比例系数;拉格朗日因子;、物体的附加质量,;、物体的附加质量静矩,;物体的附加转动惯量,;拖曳系统元件非线性振动的相位,;逼近缆伸长率的弹簧的弹性变形,;液体的密度,;相对缆离散近似的第个杆的单位矢量;波浪的圆频率,;缆横向振动的基波频率,;、缆源端的纵向、横向圆频率,;船作圆周运动的角速度,;缆振动的无因次频率;第一章 拖曳装置的应用领域目前,带拖曳载体的拖曳系统或装备的长向测量载体在以下几方面的研究工作中有广阔的应用前景:海洋研究工作;探测、经营有利可图的水下矿产资源;搜寻
10、、开采水下食品资源。根据拖曳载体所解决问题的不同,存在着大量的用于拖曳装置的船舶装备结构。现阶段水下技术的发展趋势是:提高拖曳载体的速度和行进深度;改善拖曳载体的机动性和控制性。在第一代淘汰装备结构基础上,创立了以提高使用效率和可靠性为准则的系统。1.1 海洋地理学的研究工作海洋研究问题是现代重要课题之一,而拖曳系统是科学研究船记录和加工信息的根本来源。大约200种水下潜器组成了国家船队,以进行海洋研究、水下矿物和生物资源的开采工作。借助现代科研船的帮助用探测器进行海洋研究,温度探测器、盐度探测器和深度探测器是三种传感器的总和,它们是测量温度的传感器(热敏电阻)、测量盐度的传感器(电导率传感器
11、)和测量流体静压力的传感器。所有传感器连接成具有流线型的外表,固定在拖缆上。借助于此拖曳载体可实现在拖船的航行直径平面内机动,并实现按指定程序从几米到几百米的下潜,由此在船舶行程中可多次测量海洋纵深的各种参数。经常使用感应传感器(热敏电阻)来代替拖曳载体,此时应用了温度拖网,它有记录了距离的固定位置上带温度传感器的拖网1。通常借助分布式温度传感器研究波浪内部,这种传感器由带温度感应导线的可承受载荷的电缆组成。最早的海洋学研究实践是“ ”号科研船在1981年第27次航行时实现的,当时测量了海洋内部波浪的空间时间特性,使用了沿深度散布的空间拖曳传感器。传感器系统定深100m,距拖船的长度距离100
12、0m,跟踪宽度200m,其拖曳速度为1.5m/s至4m/s。空间拖曳系统的结构原理即是由拖缆相连的一组拖曳设备(定深器、流体动力型的表面隔板、流体静力支撑浮标)。当今在进行研究工作时,广泛使用相近分支的空间海洋地理学系统,这提高了测量结果的数量和质量。带研究设备的拖曳载体可实现周期浸入和在给定的深度段漂流,这提高了海洋地理学拖曳系统不偏离的可能性。乌克兰科学院海洋物理学院研制出可控的拖曳载体:“-2”、“”、“ -2”,乌克兰南海生物学院研制了“”。它们的特性见表1。带“”载体工作过程中曾发现进行高速拖曳时管状舵的低效性,因此改进了舵的结构。深度控制是借助流线型薄翼实现的。“-2”拥有具备非常
13、完善流体动力特性的支承平面,为增加有效伸长率,在端部安装了圆盘,在不改变基本翼型攻角的情况下,支承平面的襟翼可改变定深力。表1 拖曳载体的特性拖曳载体制造时间外形尺寸,mm空气中的质量,kg浸入的计算深度, m计算速度,m/s-2-219691974197719792120x695x5001988x1308x5382050x1260x5001380x1340x3701509696701500100010005008666为保证舵的侧向稳定性安装了垂直安定面,水平舵是由电动机控制的,该电机从船舷发出可调节的时序脉冲(210s)。拖曳载体“”是按带小展弦比率翼的自由支承单翼机原理制造的,它有两个带
14、平面龙骨的尾部操纵面,操纵面间布置了直角稳定装置。在拖曳载体容器里安装了电子测量块和水平舵的旋转传动机构。载体的悬挂点位置、襟翼和前缘缝翼都属于拖曳载体结构的调节元件。对世界海洋研究规模的扩大、海洋学信息容积的急剧增长、科研船的组成部分及海洋技术载体的增大,这些都要求研制自动收集和加工关于海洋状态数据的系统。60年代末“ ”号(苏联)、“-”号(美国)科研船及其许多科研船都装备了类似的系统,“-”号科研船装备的系统SSS,用作测量、收集和调节水文特性、测定日照辐射特性、地理特性。船在行驶过程中测量水深、磁场强度、引力场强度、表面水层温度,以及在速度达到3m/s时进行地层勘探。为进行海洋电磁研究
15、苏联科学院西伯利亚分院研制了一种自动系统,1985、1987、1988年“”号科研船在黑海苏联和保加利亚大陆架间进行国际航行时就曾使用这种自动系统。系统的组成为(见图1):船舷测量计算设备组,可伸出的电磁密封拖曳容器(2),一组接受线段MN形式的传感器或磁强计(1)。带很多测量通道的密封容器在船尾拖曳,拖曳距离可达1Km,为减少干扰它还将定深。系统保证发动机装置的给定工作状态;在磁极存储器上沿拖曳容器里的16条线路和船舷的16条补充线路收集和缓冲存储信息;进行初步加工实时和准实时的结果;保证各种形式的加工和测量结果的显形。图1 用于海洋电磁研究的自动系统类似的系统可提高研究大气层和海洋相互作用
16、的有效性,有效地进行引力和磁力测量,有效地测绘水下地貌,有效地研究海流和波浪、研究海洋的电场和化学组成成分,以及有效地研究声学、无线电物理学和生物学。1.2 海洋生物资源的研究近十年来,工业捕渔业已实现向深海拖网捕鱼的过渡,这就克服了70年代沿海国家实施的独特经济捕鱼区域所引起的后果。80年代初从有大量渔产和已开发好的陆架区域进入到世界海洋的广阔空间后,苏联拖网船超过先前的最大捕鱼记录。在拖船的拖曳重量超过400500KN时,拖曳速度达到了3m/s。现代拖船的拖索卷扬机的标称拖力达到了400KN,一个卷盘的卷绳量可达到5Km,而卷绳的直径为37mm。拖网的水平和纵向开口为6080m。现代拖网结
17、构复杂,由于拖曳系统的挠性造成了计算和设计的困难,拖曳系统的挠性随着不同因素的作用在工作过程中改变自己的形式,经营者行为的复杂特征也同样造成了计算和设计的困难。60年代出现的拖网控制问题已不局限在水平面上,并转换到其它平面上。为设计需要,不仅必须测量拖绳的松弛部分长度和船速,而且寻求这个松弛过程的时间,以及船的行驶路径。缺乏这些数据可能导致以下现象:拖网在鱼群前到达给定平面或者抓住了部分鱼群。转向深海拖网捕鱼,其作用逐渐增大,这要求大力改善动力学计算方法。当拖索的松弛长度达到23Km时,它的重量增加100KN,无根据地选择拖索卷扬机的功率,不合理地控制拖索的升降,这将导致鱼从拖网中逃脱和消耗过
18、多的能源4。因此经营者们在拖网探测捕鱼时,要学会结合摄影设备采用声学方法评价堆积平面。垂直和水平作用的水声鱼群探测装置善于记录鱼群在水深和底部附近的有效距离内的堆积厚度,这就保证了有效地搜索和捕鱼。它们可直接测量鱼群的位置深度,并在船舶行驶过程中连续记录鱼群的位置。捕鱼装备检查系统“2000P”(如图2)是具备水声联系的多参数仪器,它可有效地检查拖网与水平面和海底的距离,以及确定拖网的垂直开启,确定拖网范围内鱼的分布和测量拖网行程深度的水温。系统工作时,由水下回声探测传感器得到的信息变成了水声信号,它们将在船舷被接受和读出。系统工作的深度达到2Km,保证同拖网装置联系距离达4Km,在距离海底4
19、00m时拖网行程深度达到1.5Km。检查系统可在3-80m段内确定拖网的垂直开启。用拖网和大网捕鱼量大小,是同鱼在捕鱼器械上的反应、网的巡航和投掷速度有关。根据标准质量鱼的速度耐力,可选择拖曳捕网系统的优化参数。同拖曳捕鱼设备一样,拖曳水下潜器在拖曳行业中有着广阔的发展前景。“-2”、“-2”型自动水下潜器的技战术特性不足以保证用捕鱼拖网设备进行水下观察。借助载人和无人的拖曳水下潜器可以更有效地观察拖网的工作、测量周围介质的参数,这些水下潜器上安装了照相、摄影和摄像装备,以及水声设备。日本、加拿大、英国和奥地利均建造了用于观察拖网的拖曳水下潜器。第一个水下潜器“”号在1963年造成的,这个深海
20、潜器具有带翼和尾部控制的圆柱形式。内径0.96m的坚固壳体是由钢制成的,在支承平面流体动力作用下,船舷上“”和一个观察员被安置深度达100m。借助深海潜器大大缩短进行试验和构造拖网结构。 图2 系统“2000P”的作用原理1.水下块;2.带接受天线的定深器;3.具备控制平台的卷扬机、记录和加工信息系统;4.带接受天线的移动装置最现代的深海潜器“”是由结构制造的,拖曳速度达到3m/s,定深200m,乘员2人。“”外形类似飞机。借助载重承力电缆进行拖曳运动,该载重承力电缆直径30mm,破坏力达190KN,它有两个用于扩声通讯的电缆线和六根电流传输线。借助直立的泡沫塑料浮筒补偿载重承力电缆的重量。同
21、带拖曳载体的载人船相比,无人深海潜器有以下优点10:连续工作的持久性好,由于轮廓外形小机动性好,具备在大的横倾和纵倾情况下工作的能力,天气影响小,建造使用费用小,可使用小排水量的船。没有乘员可以大大降低壳体的容积,因为下潜深度2Km、由2名乘员的载人潜器重达1516T,而具有类似观测、记录功能的无人潜器重量不超过11.4T。拖曳无人潜器“ 1”号的功能是:观测捕鱼拖网设备及其作用区域内的物体行动,它用于布置电流设备的坚固壳体、支承平台、头部和尾部防护罩、尾部操作平台、控制机械的水力导管。在近海底运行时,用回声测深仪来测量水下潜器到海底的距离。电缆卷扬机用19.6KN的拉力接通电流通路和1Km的
22、电缆。水下潜器在静止状态时具有向上的浮力(500KN数量级),可保持在水面附近。水下潜器在拖曳状态进行下潜时考虑了支承平面的下浮力。下潜深度范围取决于载重承力电缆的松弛部分长度,而与船半径平面的最大偏差达到4050m。水下潜器的控制(上升、下浮、滚转、侧倾等)是用无线电遥控方式实现的。1.3 搜寻和开采有益的矿产资源自从1963年美国“”号潜艇失踪后,开始广泛地发展水下声学系统。借助很低精度(640m)的拖曳传感器进行了无序的搜索,在深2.5Km处发现了失踪船。在10次下潜搜寻区域时,“”号深海潜水器只有一次到达目标。近几年来,水声搜索装备的有效性大大提高了,现在这些水声设备在水下地质测量和地
23、形测量中有着广泛的应用,声纳被用于水下电缆线路和管路铺设路线的选择,以及用于这些铺设工作质量的检测。借助声纳进行任意结构底部状态的勘测研究,根据上浮气泡确定水下管路气体泄露的地方。美国许多公司生产侧向声纳,如“. .”,“ ”,“-”,O.R.E “ ”和“”等公司。英国有UDI和OAL两家公司生产侧向声纳。“-”公司生产的海底测绘用水声系统SMS960,它主要用于侧向声纳同微机配合使用。该系统由小型拖曳系统、图表记录器和数字磁带机组成。拖曳载体是一个直径11.4m和长度1.4m的金属圆柱体。为了保证圆柱体给定部分的稳定性,安装了稳定平面,而头部安装了铅块平衡物。拖曳载体的质量25Kg。在密封
24、壳体中已安装了带两个声学变换器装置的电子功能块,以及两个前置放大器。在圆柱体的上部、质心附近安装用于固定摇杆和拖缆的球形装置。在拖曳速度为11.75m/s时,系统SMS可工作深度达到600m,分辨率可达到在150m距离范围内发现直径50 mm的电缆。“. .”公司地层断面测定仪有两种类型:单杆型的分辨率为50m,而“”型的分辨率小于2m,其穿透力达1.5Km。有高分辨率的“单杆型230”和“单杆型240”的断面测定仪用于在大陆架极限深度时底部形状测量。“单杆型230”的断面测定仪装备了双体船(轮廓尺寸1.580.840.59m,质量90Kg)拖曳电长度。拖曳速度为0.5-3m/s。在“单杆型2
25、40”的断面测定仪里波浪声源是一个水下拖曳体,它轮廓尺寸为1.50.70.7m,空气中重量1500N(水下重量640N)。拖索长60m,直径2.5mm,断裂力2.7KN。一组断面测定仪由一些水听器组成,能在拖曳深度30m,速度7.5m/s时保证海底断面测定。公司的AS350A、AS350D型侧向声纳由不同的拖曳载体实现的(如图3)。拖曳载体在距海底3060m时工作最有效。质量90Kg、455Kg的拖曳载体(分别对应双船型和圆柱型)使用直径9.5mm、断裂力53.6KN的拖缆,其工作频率48KHz,脉冲持续时间0.15ms。接受发送机的计算工作深度为762m。“ ”公司生产的510、520、53
26、0型声纳在拖曳速度8.2m/s时,进行海底断面测定的分辨率达到3cm。“ ”公司生产606型侧向声纳和515型断面测定仪。606型侧向声纳能够在一幅图里描绘海底的端面及其地质剖面图,它在650m的工作深度时拖曳速度达到7.5m/s。在乌欧尔姆林(英格兰)的海洋学院研制了“光辉1”型侧向声纳系统,它在7KHz工作频率时保证使用距离达到22Km138。51.5m的天线栅格安装在直径2m左右、长10m的拖曳载体上。系统研制和使用的困难性显而易见,但是借助该声纳系统取得的一系列独特的地球物理学成果足以补偿所多付出的劳动。天线的拖曳速度达34m/s,该天线降低了折射的限制作用,并减低自激噪声水平。“光辉
27、1”型侧向声纳的拖曳载体是圆柱形的,由玻璃钢制成的,水中重量为34KN。拖缆长336m、直径46mm、断裂力294KN,具有130线,其中80线供应天线的电压,并传送控制信号。图3 拖曳体形式的侧向声纳:双船型(AS350A)带稳定翼的圆柱型(AS350D)在和28曾研制- 型的拖曳声纳,它具有最好的操作性能,同观察搜索船的型声纳相比具有广阔的应用前景。在海洋地层勘探中广泛应用折射波的方法,该方法主要是:距信号源不同距离上的接受器记录信号源发出的信号(如图4)106。此时信号连续不断进入水中,一部分从海底反射,另一部分进入海底岩层后发生折射并重新进入水中,这些信号在不同的时间间隔内进入接受器。
28、声波在岩层中的传播速度远大于在水中的传播速度。根据信号在海底岩层中的行程时间,就可寻找出这样岩层每层矿藏的深度。图4 用折射波方法进行地震声波勘探的原理图1.声源; 2.接受器在搜寻工作时为便于接受信号,现在拖曳船上广泛使用地大柔性的天线(用于地层勘探)106。在天线上使用了50-100个或更多个直径425mm、长10mm的小轮廓点状接受器。国外通用的天线长200350m,且拖曳速度为7.5m/s。这种天线结构可以卷绕在卷扬机的卷桶上,其卷桶直径较小,为1.5m。这样,一个长1.8Km的圈状天线可以卷绕在直径1.2m的卷桶上,此时卷桶连同卷绕天线的直径不超过2.4m。在各种常见的波浪情况下,这
29、种天线都可以进行水下操作。在搜寻薄层矿藏物的产地及其不均匀的矿藏时,使用通常的地球物理搜寻方法(地震波探矿、磁力探矿、重力探矿)是无效的。因此在这种情况下主要选择组合观测方法(水下电视和水下照相)。在离海底某一距离的船拖曳研究平台上,最有效的设备是电视摄象机和照相机。例如,“-” 公司生产的电视传真系统,它可用于深度不超过6.1Km、拖曳速度0.31m/s的情况67。用采样器和沿表面析出矿物质的快速分析系统装备拖曳电视传真平台,该种技术有非常美好的前景。在生产领域里有“”公司,它研制了的系统拖曳速度可达到5m/s、工作深度为6Km。该公司67参与了“ESA-01”系统的结构加工,使用“ESA-
30、01”系统可获取海底地貌信息,收集、评价和确定海底矿物质的分布平面,以及确定它们的尺寸、形状和其中的金属含量。装置壳体长4m,高1.5m,宽2.8m,尾部安装了形稳定装置,侧向安装防护框,头部安装铠装的显示屏。壳体里弹性稳定装置上布置了仪器设备的平台载体,其上安装了前向扫描声纳、用于收集测定矿物质的系统、用于分析矿物质的探针、自动控制模块、测量设备和电子装备。所有元件都被安装在坚固的球形容器里,该装置的总质量约4.5T。拖曳装置通过直径18.4mm、长8Km的同轴缆索电缆与船相连,电缆中供给装置元件电能,传输测量数据、元件工作信息和控制指令。除主壳体外,朝拖缆约100m高的底部上固定了一个带侧
31、向声纳的探针,它用于搜寻矿物质和收集地貌信息。对于探测的最后阶段通常使用挖泥船拖运器获得大比例的试样67,挖泥船框架的环形框是由“ ”公司加工制造的,其上部同拖缆相连,这被称为安全通路。当挖斗深深地插入沉积物里或掘起大浮石时,安全通路开始工作。此时,拖索中的拉力急剧增加,断开装置开始起作用,拖索把挖泥船从土中拔出的同时,将通过安全通路翻转挖泥船。预先检查海洋常设生活舱的生命保障系统时,拖曳系统是不可替代的。为此“”公司生产一种开启无人潜器的系统,该系统具有一个多元件的声学天线,它尺寸36m,能够收集频率在1020KHz范围内工作的普通声音变换器的信号。这种天线栅格可用来确定管路的位置(直径0.
32、250.9m),以及确定管上和管路覆盖面上的缺陷。为提高系统的分辨率,沿着天线栅格的中心线安装了一系列频率为200 KHz的高分辨率变换器,它可保证确定故障的线性尺寸。潜器上安装一些声纳,它们可发现障碍并可使潜器在距海底一定距离上定位。第二章 拖曳设备的使用条件2.1 海洋介质的物理特性 设计拖曳载体时必须考虑海水的主要特征,这些特征的影响将很大程度上决定测量仪器的工作能力和有效性。仅海平面上海水温度就达到了从-1.934的变化范围,由于海水的流动这种表面现象分布达到50100m,温度的振幅取决于年的天数、昼夜的时间、海洋的区域。随着深度的变化水温将不均匀变化。在一些温度剧烈变化的区域,一昼夜
33、可能出现两种同时存在的温度沿深度变化:水平面下几米距离上观察到的昼夜变化;在一定深度上存在的季节变化。把这种温度剧烈变化的区域称为温度楔。温度楔是很多有趣自然现象产生的原因。与此相关的自然现象有:声波的不规则分布(折射作用),透明度的剧烈变化,不同水温层的交接面形成内波。这些内波的振幅超过通常表面波的八倍,而它们的传播速度大约小49倍。内波能影响潜器的特征参数。在温度20、盐度35%时,海水密度为1.025g/cm3。温度减少2,海水密度增至1.028 g/cm3,而深度5Km时海水密度达到1.05g/cm3。通常海水密度随深度增长。这种情况可说成,海水是稳态分层的。在层状的海洋中海水垂直固定
34、平面移动是困难的,海水是沿着固定平面上的线运动的。海水的压缩性导致了海水密度随深度增加,它还将引起作用在水下潜器上推力的变化。因此,其上安装专门的补偿器和浮力调节系统。众所周知,海洋中75%海水的盐度在34.535%范围内,这样可以有条件地认为海洋的盐度是恒定的。由于海水的腐蚀作用,大部分无防护地在陆地建筑物上成功应用的结构材料在水中将很快损坏。化学、生物、力学等因素综合作用将大大影响损坏速度。水下工作时可靠观察设备的缺乏限制了水下技术应用,这是由于在广阔的大洋里光线的亮度随深度每隔50m降低9倍,在400m深的海水里已没有日光的任何痕迹。同大气层的最大区别是:大气层里所有电磁光谱波都比较容易
35、穿透的,而大洋里这些波将不能穿透。近年来,由于声纳研究取得的成果,使得提高水里“看见”的可能性。由于海水中声音传播速度是空气中的4.5倍,所以声波可以很好地穿透海水,并可在一定的辐射频率得到足够清晰的水下物体轮廓。由于水下电视技术、水下立体摄影技术和激光定位技术的组合使用,现代潜器可绘制水下世界的图象。声波在海洋中可传播很远的距离。这样,在阿夫斯特拉林附近深水炸弹发出的声音被别尔木得岛的水听器获取47。 声音在海洋中的传播速度取决于压力、温度和盐度,随着这三个量的增加其传播速度也将增加。由于速度的不稳定性海洋里的声波总是偏离某个方向,在这个方向上传播速度很小。由于温度楔的存在声音传播线可能发生
36、一定程度的弯曲,这就形成了声影区,任何直线光都不能通过该区域。声波速度按照压力的增加随深度增长,除了少数极带区海洋热结构的作用将导致声波速度深度减小。近海面这种作用比深海里表现得大得多。压力和温度的综合影响通常导致这样的现象:在某一地方海平面到海底间的中间某处声波速度最小。 这个声音速度最小的层称为声音通路,因此声音路径总是在小传播速度层上发生弯曲,并且最小速度层使声音多路通过。海洋中声音通路具有连续特性。实际上,在极带区域声音通路在水面附近,在巴尔杜噶林岸边声音通路在2Km深度,声音通路的平均深度为700m。尽管海水对于声波足够清澈,但它仍然能减弱声音。在大部分声音频带上减弱值同频率的立方成
37、正比。海流的速度可达到12m/s,它可影响拖曳系统的运动参数,以及引起作用在拖曳系统元件上的附加水动力载荷。在海流速度沿深度方向发生变化时拖曳系统位置同静水中相比发生了很大的偏移。于是对比较低速系统更应考虑海流的作用。在停车工作时海流决定拖曳系统在海水中的特征参数,即决定系统的操作特性。风浪是由风及风持续作用引起的海浪。海浪传播的方向同风吹的方向是不同的。由于风向周期变化引起的列风和中等风力作用时,海浪具有三维特性,即轴不运动而尾部运动。必须注意到,波浪并不移动,而是波面在移动,此时水粒子或者完全不移动,或者波面缓慢移动。风波是各种范围波浪系统的总和,风波的特性如表2所示120。实际上,海中波
38、形是连续变化的,后续一个跟一个的波浪是不同的,并且波浪周期不具备严格的一致性。这样的波浪是不规则的,而微波具有很大的规则性。图5 船舶摆动的动力学系数kD 同波浪无因次频率间的关系 规则波 - 不规则波表2 风波特性强度,等级带保证度3%的波高h3%,m波浪特性12345678911弱适度较大较大强烈强烈非常强烈非常强烈罕见在规则波浪的作用下,船舶在波浪表面摆动,这些波是由小振幅平面波叠加而成的。它们具有高h(从波谷到波峰的距离),波长(两个波峰或波谷间的距离),周期(两个连续波峰通过静止海平面同一静止点的时间间隔),波浪的最大倾斜角0(波面、水平面间切线的最大角)。我们所记录的罕见的最大波浪
39、具有波长900m、波高18-20m,海中最常见的波浪具有波长90-100m、波高4-5m、周期7-9s。根据观测资料,海中波高同波长间的关系为:h=0.170.75。表面波从液体的自由表面向深处传播,但是其波高随深度的增加迅速减少,它们间存在下述关系: (2-1)其中圆形轨道的半径,该轨道是用来描述组成自由平面的液体粒子;液面下粒子轨道运动中心的下潜深度;从式(2-1)可看出,在时波高仅为水面的0.043倍。.对不规则波进行了近似的评价,晚些时候.在研究不规则波左右摆动时做了如下假设:船舶的不规则波动由各种频率的正弦波叠加而成,并且具有相同的最大倾角。其计算结果如图5所示,图中给出了动力系数同
40、波浪相对频率的关系。在研究不规则波振动时使用了波谱方法,并提出海洋波浪的复杂过程是由大量简单波作用形成的。在一定情况下振动过程可以看成各种频率振动的和。按这些频率组成谐波振幅的分布即是振动过程的波谱。文献19、120、126给出了一组波谱的表达式,海浪波谱的广义形式可用下列形式表示:,其中A、B、k、n同波浪形成条件有关的参数;表3126给出了k=6、k=4时波谱的主要参数,实验数据表明,波浪纵坐标的分布满足正态规律。表3 波浪的概率特性参数波浪强度,等级345678波高h3%,m波浪平均周期,s波浪纵坐标方差Dy,m2波浪的平均频率,s-1最大波谱频率max,s-11.253.70.0591
41、.71.3124.50.1431.41.083.560.4381.050.80967.61.290.8270.6368.58.72.580.7220.555119.54.330.6610.508船舶振动同波浪间的关系可根据.理论建立:,其中S、S船舶振动和波浪振动相应的波谱密度;线性振动系统的传递函数。船舶在波浪上振动将引起拖曳系统的强迫参数振动,这将导致操纵性变坏和结构疲劳损坏。2.2 静水中的拖曳载荷拖曳系统运动时在它的每个元件(缆索部分、拖曳体等)上都产生决定拖曳载荷的流体动力。拖曳载荷可分为静态的和瞬态的,其中静态力对应拖曳系统匀速稳定运动,而瞬态力是在不稳定拖曳、以及出现涡流破坏引起
42、的作用在拖曳系统元件上的周期力时产生的。在流体动力和重力作用下海流中的柔性连接满足缆平衡的一些曲线形式。船舶在静水中匀速直航时,拖缆在任意点上的拉力可通过对拉力的积分确定: (2-2)其中拖缆终点的拉力; 摩擦系数; 拖缆直径;液体密度; 拖曳速度; 、拖缆任意点和终点相对船舶的滞后量、以及两点的深度;拖缆在液体中的线重量;拖缆终点的拉力可由下式确定: (2-3)其中拖曳载体的迎面阻力;拖曳载体的下沉力;拖曳载体在液体中的重量。从式(2-2)、(2-3)可看出,拖缆拉力是由拖曳速度、拖曳系统的流体动力参数和重量外形参数、以及拖曳系统平衡状态参数决定的。拖缆的拉力量是拖曳系统的重要参数之一,它决
43、定了拖曳系统的强度、寿命以及其它主要的操纵特性。发展和完善拖曳系统是和提高拖缆强度、降低作用其上的流体动力载荷工作密切相关的。众所周知,圆柱体在某一频率(该频率取决于流速、流体粘度和圆柱体的直径)振动时引起的环流实验图不会是稳态的79,而是变化的:在圆柱体的尾部,时而从其表面的一方,时而从另一方出现由于圆柱体阻泄造成的液体等效涡流质量。考虑在圆柱体表面的边界层产生的内部现象,圆柱体在匀速流的作用下产生的振动导致液体质量同圆柱体表面明显分离,这种振动属于自激振动范畴。可以在所有出现不好环流物体上观察到这种现象,实际上在一定的条件下在所有物体上都能观察到这种现象131。在液体中出现的这些周期过程将导致其中物体的振动40、41。捷克物理学家斯特鲁哈里在19世纪末发现,振动频率、圆柱体的直径、流速的单项式组合将保持一确定不变值,它被称为斯特洛哈尔数,其值接近于2。拖曳系统元件的高频振动将具有重大危险性,因为它引起拖曳系统机组的疲劳损坏;加大缆索及安装在其上设备的磨损;破坏连接元件和装置;拖缆的振动大大增加流体动力学阻力;由于传感器的振动提高了声音干扰量;振动缆索将吸引海洋动物和鱼,这些动物将使拖曳系
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2881140.html