胡慶松， 包 寧， 陳雷雷， 李 俊， 曹佳瑞， 鄭 波

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

海洋儀器設(shè)備能夠定型的前提是需要進行大量的海洋現(xiàn)場測試。中國海洋試驗場建設(shè)主要位于威海、青島、珠海等海域，其海況較好，能夠滿足較多測試需求[1-2]，但在復(fù)雜海況環(huán)境的測試方面還有一定的不足。長江口海域營養(yǎng)鹽豐富、濁度大、鹽度變化范圍大[3-4]，傳感器等海洋儀器設(shè)備在長江口海域進行測試將有助于縮短測試周期、更好的反映被測對象的實際性能。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，構(gòu)建了以九段沙、南槽東、大戢山、唐腦山和蘆潮港組成的海上試驗場，通過4G微波實現(xiàn)了五個站點間的互聯(lián)互通。五個站點海況特點各不相同，能夠?qū)崿F(xiàn)同一型號傳感器在五個站點的同時測試和比對，為所研發(fā)對象的定型提供較為扎實的數(shù)據(jù)支持。

試驗場五個站點中，除蘆潮港站點采用固定式裝備外，其余四個站點采用浮標(biāo)式測試裝備[5]。該專用浮標(biāo)具有升降式機構(gòu)，能夠定時將被測儀器上升供視頻拍攝生物附著和腐蝕情況。試驗場中專用浮標(biāo)具有回收頻率高的特點，要求運輸、投放、回收等便利且成本低。EVA(Ethylene Vinyl Acetate Copolymer)材料抗腐蝕和沖擊能力強，密度低，易于加工，后期改造容易，適合作為浮標(biāo)體材料[6-7]，采用EVA為主體材料進行設(shè)計是可行性方案之一?？紤]到能量供應(yīng)、通訊、控制器密封、配重等功能要求，采用了三段式結(jié)構(gòu)設(shè)計，EVA浮標(biāo)體在結(jié)構(gòu)中的受力是確保裝備可靠的關(guān)鍵。通過專用浮標(biāo)在吊裝、錨系水下牽引等大受力環(huán)節(jié)進行分析[8-10]，得到吊裝過程單耳吊裝點為最大受力點。

基于可靠性分析需要，本文對吊裝過程受力進行了分析，建立了受力模型，確立了支撐桿受力過渡點的驅(qū)動性價值。通過實驗校核了過渡點的位置，基于此進行了受力分布計算，獲得了連接桿上端最大受力點的數(shù)值。對不同密度EVA材料進行了實驗測試，獲得了破壞性應(yīng)力值。理論分析和實際測試表明，專用浮標(biāo)所選EVA材料能夠滿足要求?；谒岢鲇嬎隳Ｐ?，對更大直徑的浮標(biāo)的強度進行了分析，通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，獲得了3 m以內(nèi)浮標(biāo)具有通用意義的專用浮標(biāo)設(shè)計方法。

1 海上試驗場傳感器測試浮標(biāo)設(shè)計

試驗場專用測試浮標(biāo)由三部分組成，如圖1所示，上部分為支架，安裝有控制箱、電瓶、太陽能板、以及水質(zhì)傳感器；中間為EVA聚合材料浮標(biāo)體，EVA浮體表面包裹一層較厚的聚脲，聚脲具有防水、防腐蝕、耐磨、極好的抗寒性等特性，使浮標(biāo)體更好地適應(yīng)海水的低溫環(huán)境；下部分為配重裝置，主要起到降低重心，減小橫搖角的功能，三部分由6根螺桿進行連接，如圖2所示。

(1—避雷針；2—航標(biāo)燈；3—GPS;4—太陽能板；5—升降牽引裝置；6—升降平臺；7—浮標(biāo)體；8—不銹鋼內(nèi)孔；9—底部固定裝置；10—配重塊；11—全向天線；12—海況觀測裝置；13—控制箱；14—控制箱固定架；15—艙門；16—蓄電池及壓蓋；17—傳感器觀測裝置；18—固定光桿；19—底座。1—Lightning rod; 2—Navigation light; 3—GPS; 4-solar panels; 5—Lifting device; 6—Lifting platform; 7—Buoy body; 8—Stainless steel inner hole; 9—Bottom fixture; 10—Clump weight; 11—Omnidirectional antenna; 12—The sea state observation device; 13—Control box; 14—Control box holder; 15—Cabin door; 16—Battery and gland; 17—Sensor observation device; 18—Fixed polished rod; 19—Base.)

圖2 浮標(biāo)三段連接方式Fig.2 Three-segment connection mode of the buoy

疲勞是海洋結(jié)構(gòu)物破壞的原因之一[11]，浮標(biāo)體在海洋中受到的載荷有主動力、靜水浮力、風(fēng)力、流力、系泊力、波浪力、由于波浪引起的附加浮力以及由加速度引起的慣性力[12-14]。浮標(biāo)受陣風(fēng)作用產(chǎn)生橫向飄移，水下部分則受到水阻力，穩(wěn)定狀態(tài)下兩個力大小相等力相反，形成了橫傾力矩。浮標(biāo)受到波浪作用下產(chǎn)生搖擺時又受到風(fēng)的聯(lián)合作用，使其擺動幅度增大。

浮標(biāo)在水中作業(yè)時，多為浪擊、風(fēng)力對浮標(biāo)外部的破壞，以及上下部分扭轉(zhuǎn)力，拉伸撕裂的程度較小。在浮標(biāo)的投放過程中，與雙耳吊裝方式相比，采用單耳吊裝方式適合于小型船舶搭載的起重設(shè)備力臂較小的實際情況。這種情況下，由于浮標(biāo)整體重量全部施加于吊耳，在該點對于浮體材料的拉力最大，遠超波浪環(huán)境中錨系對于浮標(biāo)體拉扯所帶來的應(yīng)力?；诖?，對浮標(biāo)單耳吊裝過程中受力分析可以滿足使用過程中的最大強度需求。

2 單耳吊裝受力分析與數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

單耳吊裝過程中，根據(jù)浮標(biāo)體的重心，可以得到浮標(biāo)體軸線與鉛錘方向為角。通過分析可知，與吊裝連接的螺桿周圍EVA材料所受拉力最大。螺桿受浮標(biāo)重力衍生力，作用面為螺桿與浮體接觸面，由力的作用力與反作用的原理，浮體材料受到螺桿線性非均布力，力的方向垂直于接觸面向內(nèi)，位于螺桿頂部浮體端口處受到的拉伸撕扯力最大[15]。由于應(yīng)力集中，材料撕裂多從邊緣或頂點處開始，即螺桿端部的浮體材料所受拉伸壓強需小于材料的拉伸強度，且有一定的安全余量。螺桿受力分析如圖3所示。

圖3 浮標(biāo)吊裝過程中受力分析Fig.3 Force analysis of the buoy during the hoisting process

吊繩拉力為N，整個浮標(biāo)的重力為G，螺桿的長為L。由浮標(biāo)重力衍生出，螺桿底部承受垂直于螺桿的向下壓力為P，螺桿側(cè)面承受垂直于螺桿的線性非均布力為F(a)。設(shè)螺桿上拉、壓力過渡支點距離螺桿的上頂端為x。吊裝過程中螺桿處于平衡狀態(tài)，根據(jù)受力平衡、力矩平衡可以獲得如下公式。

受力平衡：

N=G；

(1)

(2)

力矩平衡：

(3)

考慮到受力分布為線性，設(shè)螺桿上端點的單位點載荷為q1，下端點的單位點載荷為q2，在x-y坐標(biāo)系下可得如下公式：

受力平衡：

∑Fy=0;Ncosθ=P；

(4)

(5)

力矩平衡：

(6)

q1與q2關(guān)系:

(7)

由前式得：

(8)

(9)

進一步得：

(10)

由公式(8～10)可以得x、q1、q2的值。為驗證所設(shè)計計算的x值是否正確，進一步判斷計算模型的準(zhǔn)確性，對加工完成的浮標(biāo)進行了實際測試。利用貼片壓力傳感器對螺桿所受壓力進行測試，獲得過渡點x的值，測試過程如圖4所示。

FlexiForceA201壓力傳感器厚度小，靈敏度高，量程為450 N，滿足實際測試需求。該傳感器采用Ardunino軟件進行編程來讀取傳感器測試數(shù)據(jù)，輸出的數(shù)據(jù)為實際壓力的10倍，能夠更好地觀測數(shù)據(jù)的變化情況。

3 EVA材料應(yīng)力拉伸實驗測試

EVA材料的物理性質(zhì)與其密度具有很強的相關(guān)性，對不同密度的EVA材料進行拉壓性能測試是選擇合適型號EVA材料的基礎(chǔ)。

3.1 原材料及儀器

EVA聚合軟質(zhì)材料、EVA專用膠、CSS-44300電子萬能試驗機。

圖4 FlexiForceA201壓力傳感器及測試過程Fig.4 FlexiForceA201 pressure sensor and testing process

3.2 夾具的設(shè)計

本實驗采用專用夾具，由一個長40 mm的304不銹鋼鐵柱和邊長為50 mm的304不銹鋼平板焊接，鐵柱的軸線垂直平板且經(jīng)過不銹鋼板的對稱中心。用4個沉頭螺釘將一塊邊長為50 mm的粘接板固定在不銹鋼板上，如圖5所示。

(1-EVA材料；2-粘接板；3-不銹鋼柱；4-M4沉頭螺釘。1-EVA material；2-Bonding board；3-Stainless steel column；4-M4 countersunk head screw.)

3.3實驗條件

(1)采用EVA材料試樣，粘接面為有一定粗糙度的平整切割面，且表面干燥。

(2)采用的EVA膠水作為膠粘劑，確保不銹鋼粘接板與EVA試樣的粘接強度大于EVA自身的拉伸強度。

3.4材料的預(yù)處理

(1)用專用刀具切割出試件為邊長為50 mm的立方塊，尺寸可以略大于一點，尺寸誤差在1 mm以內(nèi)，用砂紙打磨粘接面，確保粘接面有一定粗糙度，且表面干燥。

(2)將EVA試件與不銹鋼粘接板的粘接面均勻涂上EVA膠水，等待約5 min左右，待EVA膠水不沾手且似干非干的時候，將EVA泡沫試件與不銹鋼粘接板粘接。

(3)用塑料袋裝一定量的沙子封死，壓在EVA泡沫試件上，給予負(fù)重，由于沙子的流動性，可以確保EVA泡沫試件和不銹鋼間的均勻受力。

(4)粘接試件需在溫度為(25±3) ℃、濕度為40%～60%的環(huán)境中持續(xù)24 h，待粘接劑固化后進行拉伸強度試驗。

3.5 試驗分組

不同密度的EVA材料塊共5組，每組5塊，用邵氏硬度計測量器硬度，取平均值；在這5塊進行拉壓試驗,結(jié)果平均值。

對于EVA軟泡拉伸強度的測試，當(dāng)溫度變化范圍在21～25 ℃，相對濕度在(50±5)%，溫度和濕度對試驗結(jié)果的影響可以忽略不計；能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果產(chǎn)生影響的因素主要有重復(fù)測試、試樣截面積變化、載荷測試的精度以及測定結(jié)果的數(shù)據(jù)修正。

如圖6以密度為35 kg/m3的試件為例，從CSS-44300電子萬能試驗機的圖像數(shù)據(jù)輸入中顯示，在位移7 mm以內(nèi)的時候，力與位移呈正比線性關(guān)系，此區(qū)間為彈性區(qū)間(比例階段)。從位移7 mm開始，材料開始發(fā)生變形，力與位移呈非線性關(guān)系，從7 mm到力的峰值之間，曲線的斜率逐漸減小。當(dāng)力于峰值的時候，材料發(fā)生了斷裂或者撕裂，受力面積縮小，抗拉力能力下降，很容易拉裂撕裂，力隨之急劇下降。實驗過程如圖7所示。

圖6 CSS-44300電子萬能實驗機拉伸過程Fig.6 Stretch process of CSS-44300 electronic universal testing machine

圖7 EVA材料拉伸試驗過程Fig.7 EVA tensile testing process

利用Solidworks軟件中的Simulation模塊來分析材料在拉伸實驗中某一瞬間的拉伸應(yīng)力，其范式等效應(yīng)力(Von Mises)如圖8結(jié)果顯示，EVA軟質(zhì)材料中間部位的邊緣處的應(yīng)力值高，拉伸應(yīng)力比較集中，尤其是側(cè)棱中心點應(yīng)力值最大[16-19]。

圖8 EVA材料拉伸過程中應(yīng)力分析Fig.8 Stress analysis of EVA stretching process

3.6 EVA材料的拉伸試驗結(jié)果

實驗過程中，每組取5個有效值。表1為5次重復(fù)測試的數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求計算結(jié)果以算術(shù)平均值表示。圖9為實驗數(shù)據(jù)折線圖，可以看出，材料密度越大，硬度越大，抗拉伸力越大，拉伸長度越短。

表1 EVA材料的拉伸試驗結(jié)果Table 1 Tensile testing results of EVA

圖9 實驗數(shù)據(jù)折線圖Fig.9 Experimental data line chart

EVA聚合軟質(zhì)材料的拉伸強度按下式計算[20]：

(11)

式中：Rm為拉伸強度，kPa；Fm為拉伸試驗中的最大載荷，N；ω為試樣寬度，mm；t為厚度，mm。

根據(jù)公式(11)計算得出5組EVA材料的拉伸強度，見表2。

表2 EVA材料的拉伸強度Table 2 Tensile strength of EVA

4 結(jié)果與討論

根據(jù)負(fù)載重量、太陽能板面積、吃水線等限制性條件，所設(shè)計的測試浮標(biāo)直徑為1 200 mm，浮體高度650 mm,三段整體高度2 600 mm，總重量為234.69 kg。根據(jù)已知條件，螺桿孔長度為0.65 m，拉力和重力為N=G=2 300(N)，θ=27.6°，由公式(8～10)得:

x≈0.43(m)，q1≈6 665.78(N/m)

q2≈3 410.4(N/m)。

取端口最頂端1 mm，受力F=6.665 N，螺桿直徑為16 mm，則端口最頂端所受拉伸強度為：

265.326(kPa)。

為驗證上述計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用FlexiForce A201貼片壓力傳感器拉、壓過渡點位置值進行了實際測量。因為一開始的彎折和螺桿與孔壁的接觸會有預(yù)壓力，吊裝前測得數(shù)據(jù)為100～110 N，減去吊裝前的數(shù)據(jù)，約為640～710 N，所以測得壓力的范圍為64～71 N左右。將傳感器深入螺桿孔深處，測得受力過渡點位置為0.41 m，與計算結(jié)果0.43 m接近，其差別由傳感器靈敏度誤差以及實驗操作造成，在允許范圍內(nèi)，說明了計算所得的數(shù)據(jù)合理性。

本文所設(shè)計專用測試浮標(biāo)的EVA材料密度為75 kg/m3，所得的拉伸強度為468.8 kPa，前述計算所得螺桿上端部頂點所受得拉伸強度為265.326 kPa，小于許用拉伸強度且有一定的安全余量，可以得出本文所設(shè)計的新型傳感器測試浮標(biāo)體具有合理的強度可靠性。

通過船載吊機，進行浮標(biāo)單耳方式投放實驗如圖10，浮標(biāo)在吊裝過程中浮體無變形破壞，且吊裝投放過程具有簡易、安全的特點；傳感器浮標(biāo)漂浮海中進行工作如圖11所示。為進一步驗證其強度可靠性，反復(fù)投放和回收12次，未發(fā)現(xiàn)變形破壞。后在長江口海洋儀器試驗場九段沙、南槽東、大戢山、唐腦山四個站點單耳吊裝投放和回收實驗，均未出現(xiàn)破壞。所設(shè)計浮標(biāo)在海上連續(xù)運行5個月，并在2018年8月17日經(jīng)歷了18號臺風(fēng)“溫比亞”的考驗，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，驗證了本文設(shè)計的EVA材料浮標(biāo)體的可靠性。

圖10 浮標(biāo)單耳吊裝投放Fig.10 Buoy single-ear hoisting

圖11 浮標(biāo)海上工作姿態(tài)Fig.11 Buoy floating working state

利用本文對直徑為1.2 m，高為0.65 m的傳感器測試浮標(biāo)的強度驗證算法，可以方便地設(shè)計以及檢驗小型以EVA材料為浮體的海洋資料浮標(biāo)。直徑為3 m的測試浮標(biāo)的質(zhì)量要遠遠大于直徑為1.2 m的傳感器測試浮標(biāo)，以直徑1.2 mm的浮標(biāo)為模型，按比例估算3 m浮標(biāo)，L=1.6 m，N=G=31 360 N，帶入上述公式計算得，x=1.06 m，q1=44 386.46 N/m，Rm=1 766.977 kPa,已遠遠超過材料的最大拉伸強度值，無法使用。上述驗證1.2 m的小型傳感器測試浮標(biāo)的安全余量滿足不了直徑為3 m的傳感器測試浮標(biāo)的浮標(biāo)體強度要求。為解決這一問題，可以對骨架進行優(yōu)化設(shè)計。前文提到的傳感器測試浮標(biāo)是六根螺桿同時與下支架連接，只有四個螺桿是上下支架都連接，若六根螺桿全部與上下支架連接，如圖12所示。

圖12 傳感器測試浮標(biāo)優(yōu)化Fig.12 Sensor test buoy optimization

這樣在吊裝的過程中，吊裝拉力均布在六根螺桿上，與螺桿連接處的不銹鋼板孔壁的作用力也有對螺桿的支撐力，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，EVA浮體螺桿孔端口部位承受的拉伸強度小于原先單桿吊裝承受的拉伸強度，其安全余量可以滿足直徑為3 m的海洋傳感器測試浮標(biāo)要求。此外浮體的螺桿孔內(nèi)還可以安裝PVC管，減小吊裝過程中的應(yīng)力集中。

5 結(jié)語

本文主要針對所設(shè)計的傳感器測試浮標(biāo)的單耳吊裝過程進行拉力分析，通過受力分析列出平衡方程式，建立數(shù)學(xué)模型，并運用計算機軟件輔助計算，求出螺桿孔端口處拉伸強度。為判斷計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用FlexiForceA201壓力傳感器測出螺桿孔中力的過渡位置及端口壓力值，驗證計算數(shù)值結(jié)果的可靠性。

設(shè)計EVA拉伸實驗，利用CSS-44300電子萬能試驗機和專用夾具進行EVA材料拉伸，獲得不同密度材料的拉伸強度，并運用有限元方法來分析材料在拉伸實驗中的應(yīng)力，應(yīng)力分析圖清晰地顯示應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過實驗也驗證了拉伸破壞先從端口處發(fā)生，即單耳吊裝模型重點分析端口處拉伸強度具有合理性。運用船載吊機進行單耳投放實驗，并進行測試，結(jié)果表明以EVA材料為浮標(biāo)體具有可行性，能夠滿足強度要求。

通過理論分析與實驗結(jié)果對比，驗證了直徑1.2 m傳感器測試浮標(biāo)浮體的單耳吊裝的可靠性。借助1.2 m浮標(biāo)受力模型，形成了直徑3 m以內(nèi)浮標(biāo)的通用校核計算方法，并提出了采用6根螺桿閉環(huán)連接和浮標(biāo)體螺桿孔中套裝PVC管的優(yōu)化方案，為測試浮標(biāo)的設(shè)計與優(yōu)化提供了系統(tǒng)的指導(dǎo)。