系泊系统建模

系泊系统的设计

摘要

本文通过建立数学模型，对系泊系统的传输节点示意图进行受力分析，建立了静力学模型，并通过增加风力、水流力等对系泊系统进行更优化的设计。

对于问题一，在海平面处于静止状态下，对风速为12m/s和24m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标吃水深度和浮标游动区域的计算，首先对锚链运用微元法对其中一节进行分析，再对其他物体进行受力分析和力矩平衡，得到静力学平衡的方程组，使用MATLAB对其求解，可得锚链形状（见图1和图2）其它求解结果：风速12m/s时，钢桶的倾斜角度为1.1023°，从上到下的倾斜角度为1.0746°1.0814°1.0882°1.0953°，吃水深度为0.7045（m）,游动区域为14.785（m）。风速24m/s时，钢桶的倾斜角度为4.0641°，从上到下的倾斜角度为3.968°3.9916°4.0155°4.0397°，吃水深度为0.7287（m）,游动区域为17.9502（m）。

对于问题二，在风速为36m/s时，钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、和浮标游动区域的计算问题，首先利用问题1中的算法求解出结果，发现在风速为36m/s时，钢桶的倾斜角度超过了5度，锚链在锚点与海床的夹角超过了16度，调节重物球的质量为3000kg，其调节前和调节后36m/s的求解结果，调节前：钢桶的倾斜角度为8.0293°从上到下的倾斜角度为 2.1008°2.1061°2.1114°2.1168°，游动区域为15.5842（m）。调节后：钢桶的倾斜角度为2.1222°从上到下的倾斜角度为7.8575°7.8998°7.9425°7.9856°，游动区域为16.7009（m）。

对于问题三，在考虑风力和水流力的情况下，本文基于风力和水流力为一对阻力的基础上，在布放点水的深度变化下，首先分别对浮标、钢管、钢桶及重物球系统进行受力分析，重新建立静力学模型，再利用软件进行求解出在水深为下，钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域（结果见文中），同时推出更合理的系泊系统的设计。

关键词：系泊系统的设计静力学模型单目标优化力学方程组

1 问题重述

1.1 问题背景

近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成（如图1所示）。某型传输节点的浮标系统可简化为底面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。锚的质量为600kg，锚链选用无档普通链（链环中间没有档撑的0型环）环，近浅海观测网的常用型号及其参数在附表中列出。钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。要求锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，致使节点移位丢失。水声通讯系统安装在一个长1m、外径30cm的密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为100kg。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度（钢桶与竖直线的夹角）超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。

1.2问题提出

问题一：假设海水静止时，在题中所给的浮标、钢管、钢桶、重物球、锚链、锚的相关数据，分别别计算海面风速为12m/s和24m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。

问题二：在问题1的假设下，计算海面风速为36m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状和浮标的游动区域。请调节重物球的质量，使得钢桶的倾斜角度不超过5度，锚链在锚点与海床的夹角不超过16度。

问题三：由于潮汐等因素的影响，布放海域的实测水深介于16m~20m之间。布放点的海水速度最大可达到1.5m/s、风速最大可达到36m/s。请给出考虑风力、水流力和水深情况下的系泊系统设计，分析不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。

2 问题分析

问题要求锚链末端与锚的连接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，且对于钢桶的倾斜角度超过5度时，设备的工作效果较差，为此，我们要通过确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得浮标的吃水深度与游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。

2.1问题1的分析

问题要求在海水静止时，分别计算海面为12m/s和24m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。为此，首先对传输节点示意图进行整体分析进而分析浮标的受力情况，由立体几何中的相关知识平面直角坐标系，对浮标、钢管、锚链、钢桶及重物球系统进行局部受力分析，然后通过牛顿第一定律保持平衡静止，进而建立了静力学模型。对于吃水深度，通过水的深度来计算，而浮标的游动区域，通过各个物体在水平方向的投影长度求解出游动区域半径，然后利用MATLAB软件，求解出风速为12m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域，风速为24m/s以此类推。

2.2 问题2的分析

问题2是在问题1的假设下，求出风速为36m/s时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状和浮标的游动区域；首先利用问题1的模型进行求解，发现钢桶的倾斜角度超过5度，锚链在锚点与海床的夹角超过16度，为此，可将问题2建立一个优化模型，并对所建立的模型，，在满足钢桶的倾斜角度不超过 5 度、锚链在锚点与海床的夹角不超过16度的情况下，利用MATLAB软件求解出尽可能小的浮标吃水深度、钢桶倾斜角度及游动区域所对应的的重物球质量。

2.3 问题3的分析

对于问题三，因为受到潮汐等因素的影响，布放点的海水速度最大可达到1.5m/s、风速最大可达到36m/s，为此，在考虑风力、水流力和水深情况下的系泊系统的设计，本文将在第一问的基础上，加上风力、水流力和水深情况，再对各个物体进行受力分析，重新建立静力学模型。然后，以此模型为背景，设计出更加合理的系泊系统。

3 模型假设

1.假设海水的密度是分布均匀的。

2.假设各个深度的水流的流速近似相等。

3.假设不考虑锚链自身的弹性伸长。

4.假设所用的重力加速度为9.8kg/m。

5. 假设一切阻力忽略不计。