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(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.國(guó)家深?；毓芾碇行?， 山東 青島 266200)

0 引 言

海床基作為一種坐底式海洋監(jiān)測(cè)裝置，具有連續(xù)、長(zhǎng)期、受海況影響小以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠等優(yōu)勢(shì)，是獲取水下長(zhǎng)期綜合觀測(cè)資料的重要技術(shù)手段。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展及海洋資源開發(fā)的不斷深入，各國(guó)對(duì)海流、波浪、潮汐等海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)日益重視，海床基以其監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)正逐步成為海洋技術(shù)領(lǐng)域研究的重要方面[1-2]。

對(duì)于坐底式海床基監(jiān)測(cè)平臺(tái)海床基技術(shù)，國(guó)外經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展取得了一系列成果。MSI[3]公司生產(chǎn)了三角形底座式淺海型海床基Tripod Mount；Ocean Science[4]公司生產(chǎn)了三腿底座式淺海型海床基Sea Spider；Proteco Sub[5]公司生產(chǎn)了四邊形淺?？雇暇W(wǎng)海床基Barny Sentinel；INGL[6]公司生產(chǎn)了四邊形深海觀測(cè)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(EMOS)海床基GEOSTAR等。國(guó)外對(duì)海床基研究已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，形成了多個(gè)海洋儀器公司和科研機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)方面，近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)海洋技術(shù)方面的重視，海床基的研究工作也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，于凱本等[7]設(shè)計(jì)了浮體一體化抗拖網(wǎng)海床基；張志平等[8]設(shè)計(jì)了一種擺動(dòng)式防淤泥海床基；張存勇[9]發(fā)明了一種淤泥質(zhì)海底ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)聲學(xué)觀測(cè)海床基；陳偉斌等[10]發(fā)明了一種自平衡抗吸附海床基。國(guó)內(nèi)對(duì)海床基的研究正在不斷深入，但是與國(guó)外還存在一定差距，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化。

隨著海床基的廣泛應(yīng)用，其在設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題與不足也日益突出，主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：(1)海床基搭載設(shè)備的單一性在很大程度上制約海床基應(yīng)用范圍，難以滿足現(xiàn)階段對(duì)海洋波、潮、流以及鹽度等多方面的綜合監(jiān)測(cè)要求。(2)海床基浮體與搭載設(shè)備設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，浮體上設(shè)計(jì)有儀器設(shè)備接口用于設(shè)備的固定。由于海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備種類繁多，同一種產(chǎn)品不同型號(hào)或者同一型號(hào)不同商家都存在一定的尺寸差異，浮體儀器一體化設(shè)計(jì)難以保證其通用性。(3)海床基的布放問(wèn)題，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的海床基的布放主要采用吊裝方式布放。布放用聲學(xué)釋放器一端與海床基布放裝置連接，另一端與A型架掛鉤連接，并且在A型架掛鉤一端連接有浮球便于回收掛鉤及聲學(xué)釋放器，海床基通過(guò)A型架吊起緩緩放入水中，海床基在絞車的作用下釋放到海底，然后由聲學(xué)釋放器甲板單元向水下發(fā)送釋放信號(hào)，布放聲學(xué)釋放器掛鉤打開，在浮球的作用下實(shí)現(xiàn)掛鉤及聲學(xué)釋放器的回收[11]。這種吊裝布放方式步驟繁瑣，并且海床基入水姿態(tài)一般為傾斜姿態(tài)，若在淤泥質(zhì)海域，海床基極易陷入淤泥之中，難以保證搭載設(shè)備的安全回收。

針對(duì)海床基的缺點(diǎn)與不足，本文設(shè)計(jì)一種多功能抗拖網(wǎng)海床基，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程做了詳細(xì)說(shuō)明，能夠有效地改善傳統(tǒng)海床基搭載設(shè)備單一性及局限性的劣勢(shì)，為海床基的發(fā)展提供一定的參考。

1 外罩選擇

1.1 海床基外罩模型的建立

一套完整的海床基系統(tǒng)包括外罩、浮體、儀器艙、繩索艙、回收繩索、布放裝置、監(jiān)測(cè)儀器及聲學(xué)釋放單元。外罩是海床基的重要組成部分，合理的海床基外罩能夠減少海床基坐底狀態(tài)下對(duì)海流的影響，防止海床基由于海流作用而產(chǎn)生平臺(tái)下部泥沙掏空或者平臺(tái)傾覆現(xiàn)象[12]。

為了選擇合適的外罩形式，本文利用CFD軟件對(duì)圓臺(tái)、四棱臺(tái)及八棱臺(tái)外罩進(jìn)行流場(chǎng)分析。由于本文主要進(jìn)行外部流場(chǎng)數(shù)值模擬，所以忽略內(nèi)部結(jié)構(gòu)，海床基模型形式如圖1所示。

圖1 不同海床基外形模型

1.2 海床基外部速度場(chǎng)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[13]資料數(shù)據(jù)，膠州灣內(nèi)中部水域水流速度為40～60 cm/s，所以本文選取模擬水流速度為0.5 m/s，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 海床基不同外形外部海流速度矢量圖

從圖2中可以看出：(1)海流通過(guò)海床基時(shí)由于海床基的阻礙作用使海水流速發(fā)生改變。海床基迎流面底部處流速下降，海床基頂部及兩側(cè)速度明顯上升，最大速度分別為0.810 m/s(圓臺(tái))、1.010 m/s(四棱臺(tái))和0.932 m/s(八棱臺(tái))。(2)在海床基迎流面與背流面存在較大的速度差，由于速度差的存在會(huì)使底部泥沙流動(dòng)形式發(fā)生改變，出現(xiàn)海床基底部掏空，海床基傾覆現(xiàn)象。所以，圓臺(tái)型海床基外罩對(duì)海水流速的改變最小，其效果最佳，其次為八棱臺(tái)，四棱臺(tái)對(duì)海水流速的改變最大。

1.3 海床基外部壓力場(chǎng)分析

不同海床基外形壓力云圖如圖3所示，可以看出：海床基最大壓力均處在海水流速最小處，大小分別為117.0 Pa(圓臺(tái))、156.1 Pa(四棱臺(tái))和140.6 Pa(八棱臺(tái))。最大負(fù)壓力分布于海流流速最大處，其壓力大小分別為-259 Pa(圓臺(tái))、-472 Pa(四棱臺(tái))和-320 Pa(八棱臺(tái))。3種外罩形式中圓臺(tái)所受壓力最小，其次為八棱臺(tái)，四棱臺(tái)所受壓力最大。

圖3 不同海床基外形壓力云圖

1.4 數(shù)據(jù)對(duì)比及外罩形式選擇

3種海床基外罩形式下海流速度和壓力情況見表1。

表1 3種海床基外罩模擬數(shù)據(jù)

由表1可以看出：圓臺(tái)狀海床基外罩受海水流動(dòng)的影響最小，安全性最高。但是由于圓臺(tái)形外罩制作工藝復(fù)雜，加工難度較大，而八棱臺(tái)外罩雖然受海水流動(dòng)的影響優(yōu)勢(shì)不如圓臺(tái)外罩但是優(yōu)于四棱臺(tái)，且其加工方便，可以由4塊矩形板和4塊等腰三角板組成，性價(jià)比較圓臺(tái)形外罩好，所以本文選擇八棱臺(tái)形式作為海床基外罩，并且矩形板開設(shè)透水孔，最大限度地降低水流對(duì)海床基的影響。

2 海床基框架

2.1 框架設(shè)計(jì)

由于本文選擇的海床基外罩形式為八棱臺(tái)，所以依據(jù)分析結(jié)果對(duì)海床基框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效果如圖4所示。底座框架由316不銹鋼角鋼焊接而成，角鋼型號(hào)選擇20 mm×20 mm，為了保證框架的焊接強(qiáng)度，焊接后要對(duì)焊縫進(jìn)行清渣及拋光處理，并進(jìn)行焊縫檢查。同時(shí)，由于海水是一種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，海洋環(huán)境中設(shè)備極易受到海水腐蝕，雖然316不銹鋼本身具有耐海水腐蝕的能力，但是為了加強(qiáng)底座框架的可靠性，對(duì)框架采用厚漿型重防式涂料處理，并在底部安裝犧牲陽(yáng)極裝置。

框架底部焊接由壓艙板到壓艙塊，壓艙板上開設(shè)有注水孔及排水孔，增加海床基在布放和回收時(shí)的穩(wěn)定性。壓艙板材料由玻璃鋼制作而成，厚度選擇5 mm。壓艙塊及底部板選擇316L不銹鋼，厚度選擇10 mm，壓艙塊尺寸為340 mm×500 mm，厚度為150 mm，質(zhì)量為168 kg。底座質(zhì)量集中于壓艙塊上，加大了重心與浮心距離，增加了海床基在下沉過(guò)程中傾斜狀態(tài)下的恢復(fù)力矩。

底座框架均布4個(gè)布放吊環(huán)，底部設(shè)計(jì)有支腳，增加海床基坐底狀態(tài)下的穩(wěn)定性。同時(shí)，整體外框架進(jìn)行光滑處理，增加海床基抗拖網(wǎng)能力。

圖4 下框架結(jié)構(gòu)圖

圖5 底座框架簡(jiǎn)化模型

2.2 框架強(qiáng)度分析

為了分析底座支架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，本文對(duì)海床基底座框架進(jìn)行靜力學(xué)分析。為了便于分析，除去了海床基框架上的布放裝置，補(bǔ)全小孔結(jié)構(gòu)，并將壓艙板進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖5所示。

由于海床基設(shè)計(jì)質(zhì)量為600 kg，均布4個(gè)布放吊環(huán)可以實(shí)現(xiàn)水平布放及單側(cè)布放。由于單側(cè)布放對(duì)框架結(jié)構(gòu)的要求更高，所以本文利用單側(cè)布放方式進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖6所示，可以看出：在單側(cè)提升力的作用下底座框架最大應(yīng)力為143.309 MPa，小于316L不銹鋼板的最大屈服極限170 MPa，所以底座框架設(shè)計(jì)安全可靠。

圖6 底座框架模擬結(jié)果

圖7 儀器支架結(jié)構(gòu)圖

3 其他部件設(shè)計(jì)

3.1 儀器支架設(shè)計(jì)

為了解決海床基搭載儀器數(shù)量單一、儀器類型通用性差的問(wèn)題，將儀器與浮體單獨(dú)設(shè)計(jì)，儀器支架由Φ10 mm 316L不銹鋼棒彎制、焊接而成，焊縫處理工藝與底座框架做同樣處理。儀器支架結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

由圖7可以看出：框架式結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)在于其可以有效地?cái)U(kuò)大搭載儀器空間，同時(shí)框架式結(jié)構(gòu)通用性較強(qiáng)，對(duì)于不同型號(hào)及不同尺寸的設(shè)備只要改變夾套尺寸的大小即可。同時(shí)，儀器支架上設(shè)計(jì)有浮體連接耳，通過(guò)螺栓與浮體連接，回收時(shí)儀器支架與浮體作為整體首先回收，其效果與浮體儀器一體式結(jié)構(gòu)相同。儀器支架底部設(shè)計(jì)有固定法蘭，其與儀器支架支撐板上的定位銷配合，固定儀器支架的相對(duì)位置。儀器支架上設(shè)置有2個(gè)聲學(xué)釋放器，并聯(lián)設(shè)計(jì)，與底座框架上聲學(xué)釋放器連接環(huán)連接，構(gòu)成海床基釋放機(jī)構(gòu)。

圖8 繩索艙

圖9 海床基總裝圖

3.2 繩索艙設(shè)計(jì)

回收繩索作為浮體與底座連接部件對(duì)浮體及底座框架回收起重要作用。海床基回收繩索選用荷蘭DSM公司生產(chǎn)的Dyneema高強(qiáng)度纖維船用纜繩，這種高分子聚乙烯纖維具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)?；诶K索的這種特性，當(dāng)繩索放于海底時(shí)，會(huì)由于浮力的作用出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象，繩索容易打結(jié)或纏繞在框架上，對(duì)回收成功率造成極大的影響。所以本文針對(duì)傳統(tǒng)的繩索艙，增加了繩索固定裝置，杜絕繩索漂浮現(xiàn)象，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖8可以看出：繩索艙較傳統(tǒng)的裝置新增了繩索固定裝置，固定裝置由彈簧、壓繩桿和螺母組成。將繩索一端通過(guò)繩索連接孔連接到底座框架上，繩索盤于繩索艙內(nèi)用壓繩桿壓緊固定，壓緊力依靠壓繩桿自身的重力提供，這樣可以防止由于壓緊力太大而影響海床基的正常回收。海床基總裝圖如圖9所示。

4 海床基組裝布放

4.1 海床基組裝

合理的海床基組裝順序能提高工作效率，增強(qiáng)設(shè)備工作的可靠性。海床基的組裝過(guò)程為：(1)儀器支架的組裝。將2套聲學(xué)釋放器溫鹽深儀(Conductance, Temperature, Depth， CTD)、多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)和海流計(jì)依靠各自適合的夾套固定在儀器支架上。(2)將浮體與儀器支架上浮體連接吊耳通過(guò)螺栓連接。(3)將繩索艙安裝到底座框架的壓艙板上，通過(guò)螺栓固定。然后將繩索放置于繩索艙內(nèi)，繩索一端通過(guò)繩索連接孔與底座框架連接，另一端與儀器支架上的連接環(huán)連接。(4)將儀器支架與底座框架連接，使聲學(xué)釋放器與壓艙板上的聲學(xué)釋放器固定環(huán)相連，組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。(5)安裝海床基4個(gè)正方形及4個(gè)等腰三角形外罩板。(6)檢查各部件的安裝及連接情況是否可靠合理。

4.2 海床基布放回收

海床基的布放需要利用甲板A架和絞車然后配合聲學(xué)釋放器吊裝布放，將聲學(xué)釋放器一端與海床基吊環(huán)連接，另一端與吊裝鋼絲相連。海床基通過(guò)A型架及絞車將海床基吊起放入水中，待海床基進(jìn)水充滿設(shè)備艙之后，由聲學(xué)釋放器甲板單元向海床基發(fā)射釋放指令，聲學(xué)釋放器掛鉤打開，海床基依靠自身重力下沉，布放至海底。

海床基中并聯(lián)安裝有2臺(tái)聲學(xué)釋放器，當(dāng)海床基工作完成之后，利用甲板上聲學(xué)釋放單元向聲學(xué)釋放器發(fā)射釋放指令，浮體攜帶儀器及回收繩索首先上浮，保證設(shè)備的安全。將海床基儀器及浮體回收之后，依靠回收繩索將底座回收，回收完成。

5 結(jié) 論

結(jié)合現(xiàn)有海床基設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題，對(duì)不同外罩形式海床基的流體及性價(jià)比進(jìn)行比較，選擇了八棱臺(tái)海床基結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)外罩形式設(shè)計(jì)海床基底座框架，通過(guò)ANSYS分析，驗(yàn)證底座框架設(shè)計(jì)的可靠性；為了增加海床基搭載設(shè)備的通用性及多樣性，將海床基儀器搭載設(shè)備設(shè)計(jì)為框架式結(jié)構(gòu)，并在繩索艙中增加了繩索固定裝置。多功能自重下沉式海床基可以有效簡(jiǎn)化海床基布放步驟，增加海床基的通用性，對(duì)海床基的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

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