可潜浮式沉积物捕获器结构设计与稳性分析.pdf
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1、网络首发地址:https:/ J.中国舰船研究,2023,18(5):104110.WANG R,YU C Y,ZHONG Y M,et al.Structure design and stability analysis of free-diving sediment trapJ.ChineseJournal of Ship Research,2023,18(5):104110.可潜浮式沉积物捕获器结构设计与稳性分析扫码阅读全文王瑞1,于曹阳*1,钟一鸣1,连琏1,21 上海交通大学 海洋学院,上海 2000302 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 2002408103mxg(61
2、03m,3103m)yg(1103m,7103m)(1.5,16.6)(2.6,16.8)=14.7,=13摘 要:目的目的针对可潜浮式沉积物捕获器(FST)的时变姿态会影响采样效率的问题,对全采样流程内FST 的质心偏移规律及姿态角变化进行定量分析与评估。方法方法设计一种包含采样模块及浮力调节模块的 FST,然后利用 SolidWorks 软件进行建模,建立坐标系;通过 Matlab 软件完成静力学分析,模拟得到全流程内各时刻 FST 质心相对于坐标原点的偏移量;基于力矩平衡公式,推导因质心偏移造成的机体姿态变化;运用平面射影定理,定量分析姿态变化对有效采集面积的影响。结果结果结果显示,质心
3、偏移被限制在以载体坐标系原点为圆心、半径为的圆内,质心坐标域为,;姿态角变化域为俯仰角,横滚角;当时,有效采集面积缩减为捕获装置面积的 94.27%,为最小值,当其他条件相同时,捕获相同质量的沉降颗粒所需时间比100%实采面积所需捕获时间多 0.057 8 倍。结论结论研究工作可为 FST 的稳性分析和浮力调节系统设计提供有益的参考。关键词:可潜浮式沉积物捕获器;结构设计;稳性分析中图分类号:U662.2文献标志码:ADOI:10.19693/j.issn.1673-3185.02946 Structure design and stability analysis of free-divin
4、g sediment trapWANG Rui1,YU Caoyang*1,ZHONG Yiming1,LIAN Lian1,21 School of Oceanography,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China2 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China8103mxg(6103m,3103m)yg(1103m,7103m)(1.5,16.6)(2.6,16.8)=14.7and =
5、13Abstract:ObjectivesThis study focuses on how the sampling efficiency of a free-diving sediment trap(FST)is affected by its body posture,and uses quantitative analysis to describe the changes of the center ofgravity and attitude angles.MethodsAn FST is designed which consists of a sampling module a
6、nd abuoyancy control system.A 3D model of the FST is built using SolidWorks.Kinematic analysis is completedusing Matlab,and the offset of the center of gravity at each moment in the whole working cycle is obtained bysimulation.The principle of moments is used to derive its attitude changes caused by
7、 the offset of the center ofgravity.The influence of the attitude changes on the effective collection area is then quantitatively analyzedusing projective transformation.ResultsThe result shows that the offset of the center of gravity is limitedto a circle with the origin of the body-fixed coordinat
8、e system as the center and a radius of.It is seenthat the domains of x and y are,and the domains ofthe attitude angles are and.When,the effective collec-tion area is reduced to 94.27%of the original value.Compared with the 100%effective collection area,it takes1.06 times the original collection time
9、 to collect the same volume of sinking particles.ConclusionsTheresults of this study can provide useful references for FST stability analysis and buoyancy regulation systemdesign.Key words:free-diving sediment trap(FST);structure design;stability analysis收稿日期:20220604 修回日期:20221010 网络首发时间:20230313 0
10、9:19基金项目:国家自然科学基金资助项目(51909161);上海交通大学重点前瞻布局项目(2020QY10)作者简介:王瑞,女,1998 年生,硕士生。研究方向:机械设计及智能控制。E-mail:rui_于曹阳,男,1991 年生,博士,副研究员,博士生导师。研究方向:海洋机器人操纵、制导与控制。E-mail:*通信作者:于曹阳 第 18 卷 第 5 期中 国 舰 船 研 究Vol.18 No.52023 年 10 月Chinese Journal of Ship ResearchOct.2023 0 引言水中沉降颗粒物的垂直通量和组成成分有助于生物之间的消长关系及物质循环等科学问题的研究
11、。在有关颗粒物通量测量方法中,沉积物捕获器具有独特的优势,其不仅能量化具有空间、时间及深度特征的颗粒物通量,还能保存捕获的沉降颗粒以供后续的生物化学分析1。自 19 世纪发展至今,沉积物捕获器被分为 2 类:系留沉积物捕获器和中性浮力沉积物捕获器(neutrally buoyantsediment trap,NBST)。系留沉积物捕获器多为表面栓系,被固定在锚定的竖直阵列上,用于测定某一序列深度的沉降颗粒物通量。大洋表层海水常年大规模地沿一定方向稳定流动的行为对不同的沉降颗粒具有筛选作用,不仅会影响粒子的沉降速率,还会引起湍流扰动,吸引浮游动物,损害沉降颗粒样本的完整性2。因此,将系留沉积物捕
12、获器用于洋流环境下的沉降很有可能会出现采样异常3。NBST 可以将洋流对沉降颗粒样本的影响降低到无关紧要的水平,能更可靠地测量颗粒物通量。Davis 等4围绕已有的浮力控制系统开发了一种拉格朗日沉积物捕获器,用于采集漂移冰山下的沉降颗粒物。该捕获器将携带有采样管的浮标下沉至预设深度后,首先使其保持在该深度漂流,随后经预设时长后再重新浮出水面5。美国蒙特利湾海洋研究所研制了一种水下沉积物捕获器,该捕获器以拉格朗日剖面浮标为载体浮潜至目标深度,艇载的可编程控制器及密封存储机制赋予其收集多个时变样本的能力6。综上可知,NBST 多通过搭载自主水下航行器(autonomous underwater v
13、ehicle,AUV)或是剖面浮标来到达目标深度,二者的结合拓展了系留沉积物捕获器工作深度剖面的可自主按需调节性。航行器在工作时,洋流等环境扰动会使航行器产生倾斜角速度,不利于保持平稳,而航行器保持平稳的能力又将直接影响捕获器的采集效率。Cao 等7设 计 了 一 种 新 型 多 模 式 水 下 航 行 器“Smartfloat”,当该航行器在浮标模式下工作时其重心始终保持在浮心下方,可使航行器恢复至垂直稳定状态。陈虹等8设计了一种深海爬游机器人,其通过调节机器人的机械关节角度来调整本体姿态,从而改变了机器人在受到来流时的升力阻力分配,提高了稳定性。刘峰等9通过调节安装在艇体首端及尾端电磁阀的
14、开关来调度压载水,进而调整艇体姿态。考虑到在下潜过程中航行器的排水量受水域密度差异的影响,李墨竹等10设计了一种 AUV 浮力调节系统,其在考虑密度、耐压壳形变对排水量的影响的基础上,采用可变体积调节方法来调整配平状态和控制参数,使AUV 具备有更好的自主调节能力。对航行器进行动稳性预报有利于指导航行器维稳系统的设计。在航行器动稳性预报方面,冯月卫等11研究了固定外力矩作用下船舶的动稳性,其通过固定横倾角直航船模与拖曳船模间的对照实验,确定了固定横倾角船模试验所测数据的可靠性,随后通过对比实验数值与仿真数值,验证了二者之间的吻合度,并给出了多个固定横倾角下试验船的恢复力矩。蒋志勇等12建立了船
15、舶横摇运动数学模型,其在考虑随机风浪对船舶的外力矩的基础上,运用李雅普诺夫理论对方程组的解做了稳定性分析,提出了船舶安全航行的动稳性衡准,随后又进行模型实验,根据所建立的动态稳性衡准进行了稳性预报。为优化艇载 NBST 的结构,本文提出一种可潜浮式沉积物捕获器(free-diving sediment trap,FST)总体设计方法,采取在采样机构下方安装浮力调节模块的方式实现浮潜运动。该设计遵循垂直潜浮的要求,采用泵与推进器的混合驱动模式来实现对深度的精准定位。在达到目标深度后,FST 会切换为中性浮力,随波漂流并采样。为减少采样过程中洋流、FST 的质心偏移对捕获效率的影响,FST 需具备
16、姿态调控和自稳定能力。本文将对全采样流程内 FST 的变质心特点进行定量分析,总结其质心偏移规律,并定量评估倾斜姿态对捕获效率的影响,为后续的潜浮控制与维稳设计提供关键的数据支撑。1 FST 结构设计及稳性理论 1.1 配置和机械设计1.35104m3如图 1 所示,FST 的原理样机具有开架型与流线型混合的轮廓,其下端耐压壳体由外径和高度均为 0.3 m 的亚克力圆柱形筒及 2 个圆形端盖组成,耐压壳上方为漏斗垂直安装的转盘采样模块。为减轻重量,漏斗和转盘均采用 ABS 树脂材料。漏斗上端开口直径为 0.3 m,采用偏心设计,忽略了漏斗坡面角度不对称对沉降速率的影响。转 盘 上 方 的 防
17、水 步 进 转 瓶 电 机 控 制 12 个的乙烯采样管在漏斗下方旋转,以获得预设所需时间和空间的样本。当不占据漏斗开口位置时,所有采样管瓶口均直接接触密封于顶第 5 期王瑞等:可潜浮式沉积物捕获器结构设计与稳性分析105板,以防止在布放、回收和存储期间造成样本的污染和溢出。(a)俯视图(b)正视图(c)轴二测视图图 1可潜浮式沉积物捕获器三维模型Fig.1 3D model of the FST 除防水步进转瓶电机和垂向推进器以外的电子设备均安装在耐压壳中。底层智能控制系统的功能均在 STM32F429 单片机上执行。浮力控制系统是 FST 的关键组成部分,所设计的浮力系统采用可调压载调节方
18、式,在高效下潜过程中,为增加重力,杰恒 683K 蠕动泵将水从外部泵入水囊。在高效上浮过程中,为减少重力,水囊中的水被泵回环境。当深度计检测到捕获器潜浮至目标深度设定阈值的附近域时,将由泵工作模式切换至垂向推进器工作模式,通过推进器精准快速正转或反转来实现在小范围内的高精度潜浮调整。如图 2 所示,对称分布于耐压壳下部的 4 个泵可以通过各自调整进流量来调整 FST 的质心位置,从而实现对 FST 姿态的调整。当测得俯仰角、横滚角 均为正值,即沉积物捕获器发生后仰和右倾动作时,需要增加沉积物捕获器前部及左部的重力,也即令放置在前部及左部的水泵抽水(图 2(a)。或者减少沉积物捕获器后部及右部的
19、重力,即令放置在前部及左部的水泵排水,以使 FST 保持竖直状态。其余 3 种情况同理可得。图 2 所示为水泵抽水调节思路,推进器可以通过各自调整推力的大小直接调整 FST 的姿态,二者协同提高 FST 的稳定性。1.2 FST 系统稳性分析为了探究采样过程中质心的偏移规律,以底面圆心为原点建立了如图 3 所示的载体坐标系。xzy图 3FST 载体坐标系Fig.3 Body-fixed coordinate system of the FST 记采样周期t=mV/(sfv)(1)msf1.37103式中:为悬浮颗粒物密度;V 为 1 个采样管的容积;为漏斗有效采集面积;v 为沉降颗粒物在某水环
20、境中的通量,本文取 v=m/d 进行估算13。WmWsWm将 FST 的排水量 W 分为样本排水量和固定排水量,初始时,采样管中充满经过过滤的人工海水14。的大小可以表示为|Wm|=msfvtg+w(nV sfvt)g(2)w式中:t 为总采样时间;g 为重力加速度;为水环境的水体密度;n 为采样管个数。WsGs(xs,ys,zs)WmGm(xm,ym,zm)设的作用点,即固定部分的质心坐标为,的作用点,即样本的质心坐标为,则总排水量 W 的作用点,也即整体的质心坐标计算公式为:xg=|Ws|xs+|Wm|xm|W|yg=|Ws|ys+|Wm|ym|W|zg=|Ws|zs+|Wm|zm|W|(
21、3)(x1,y1,z1)已知样本被容纳在 n 个采样管中,对转盘上的孔位进行编号,漏斗下端开口对应的孔位编号为 1,位于该位置的采样管的几何中心坐标为,顺着 z 轴正方向看,编号沿顺时针方向(a)0,0(b)0,0(c)0,0(d)0,0 xyxyxyxy图 2FST 姿态调整策略(抽水)Fig.2 Posture-adjusting strategy of the FST(pumping water intothe bag)106中 国 舰 船 研 究第 18 卷Wi(xi,yi,zi)|Wm|xm增加。设和为位置 i(i=1,2,n)处采样管中样本的排水量及其几何中心坐标,则可以表示为|W
22、m|xm=ni=1|Wi|xi(4)|Wm|xm联立式(2)和式(4),可以表示为|Wm|xm=msfvg(tkt)x1+wgV sfv(tkt)x1+Vnki=2xi,0 t tmsfvtgx1+wVgnk+1i=2xi,t=tmsfvgtni=nk+1xi+(tkt)x1+wgV sfv(tkt)x1+Vnki=2xi,t t 2tmsfvtgni=nk+2xi+x1+wVgnk+1i=2xi,t=kt(k 2)msfvgtni=nk+1xi+(tkt)x1+wgV sfv(tkt)x1+Vnki=2xi,其他(5)式中,k 为周期序号。|Wmym|Wmzm|同理,可得和。GsBGm质心变
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