CN111046537B - 一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法，涉及潜标技术领域，能够通过对潜标系统在布放过程中各个阶段浮体和锚的运动曲线计算系留索的最大张力，从而得到系留索的设计强度。潜标系统初始状态为浮体置于杯状空间内；潜标系统的布放过程顺次包括三个阶段；第一阶段为进入海水后，潜标系统总体下沉运动；第二阶段为潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离，浮体向上运动以及锚向下运动；第三阶段为系留索受力后，浮体和锚在系留索的作用下联合运动直至锚着底。根据潜标系统在布放过程中三个阶段的运动规律，分别按照动力学理论确定数学模型，然后求解出系留索上的最大张力，从而得到系留索的设计强度。

Description

一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法

技术领域

本发明涉及潜标技术领域，具体涉及一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法。

背景技术

潜标用于海洋勘测，必须将潜标布放于一定范围、深度的海域水中，由于潜标系统的体积庞大，海况的不确定性也很大，因此布放过程难度大，往往布放前将潜标系统组装成一个整体，通过科考船将潜标整体布放入水，然后整体自动下沉、浮体与锚分离、系留索受力、锚牵引浮体下沉，锚着底，整个过程非常复杂，其中一点就是总体分离时由于潜标浮体的正浮力和锚的负浮力使浮体与锚之间的系留索受到拉力的作用，要求这个拉力必须满足系留索的强度要求，不允许被拉断。

因此，在布放前，必须根据浮体和锚的衡重参数以及系留索的弹性系数，海水的密度等物理参数以及布放过程中分离特性，计算出系留索的最大拉力，确保能够满足索的强度要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法，能够通过对潜标系统在布放过程中各个阶段浮体和锚的运动曲线计算系留索的最大张力，从而得到系留索的设计强度。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法，潜标系统包括浮体、锚、系留索以及尼龙缓冲索，浮体通过系留索以及尼龙缓冲索与锚相连，锚为杯式锚，上部具有杯状空间，仿真方法具体为：

潜标系统初始状态为浮体置于杯状空间内；潜标系统的布放过程顺次包括三个阶段；第一阶段为进入海水后，潜标系统总体下沉运动；第二阶段为潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离，浮体向上运动以及锚向下运动；第三阶段为系留索受力后，浮体和锚在系留索的作用下联合运动直至锚着底。

在第一阶段，构建潜标系统总体运动曲线，计算获得潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离时，潜标系统总体的分离位移与分离速度作为第二阶段的初始条件。

在第二阶段，构建第二阶段浮体运动曲线和第二阶段锚运动曲线，计算系留索受力开始时刻浮体的位移和速度以及锚的位移和速度作为第三阶段的初始条件。

在第三阶段，构建第三阶段浮体运动曲线和第三阶段锚运动曲线，解算系留索的张力曲线，取系留索的张力曲线中最大值为最大张力，并依据最大张力设计系留索的强度。

进一步地，在第一阶段，构建潜标系统总体运动曲线，具体为：

其中M_z为潜标系统总体的质量；y_z为潜标系统总体的位移；F_z为潜标系统总体浮力；g为自由落体加速度；ρ为海水密度；S_z为潜标系统总体迎流面积；C_z为潜标系统总体阻力系数。

在第一阶段，y_z＜y_f；y_f为潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离时，潜标系统总体的分离位移。

初始条件为从海水平面开始，潜标系统总体的速度初始值为0。

进一步地，在第二阶段，构建第二阶段浮体运动曲线和第二阶段锚运动曲线，具体为：

所构建的第二阶段浮体运动曲线为：

所构建的第二阶段锚运动曲线为：

其中M₁为浮体的质量；y₁为浮体的位移；M₂为锚的质量；y₂为锚的位移；f₁为浮体的浮力；f₂为锚的浮力；S₁为浮体的迎流面积；C₁为浮体的阻力系数；S₂为锚的迎流面积；C₂为锚的阻力系数。

在第二阶段，满足y₂-y₁＜l₁+l₂；其中l₁为系留索初始长度；l₂为尼龙缓冲绳的初始长度。

第二阶段的初始条件为，y₁₀＝y₂₀＝y_f；dy₁₀＝dy₂₀＝dy_zf。

其中：y₁₀为第二阶段浮体的初始位移；y₂₀为第二阶段锚的初始位移；dy₁₀为第二阶段浮体的初始速度；dy₂₀为第二阶段锚的初始速度；dy_zf为潜标系统总体分离时的速度。

进一步地，在第三阶段，构建第三阶段浮体运动曲线和第三阶段锚运动曲线，解算系留索的张力曲线，具体为：

所构建的第三阶段浮体运动曲线为：

所构建的第三阶段锚运动曲线为：

张力曲线为：

f＝(y₂-y₁)k。

其中f为系留索上的张力；k为尼龙缓冲绳弹性系数；Δl为尼龙缓冲绳最大形变；k为尼龙缓冲绳弹性系数；a为尼龙缓冲绳伸长率；F₁为尼龙缓冲绳破断拉力。

第三阶段，满足l₁+l₂+Δl＞y₂-y₁＞l₁+l₂；

初始条件为：

y1₀为当系留索受力开始时刻的浮体运动位移；y2₀为当系留索受力开始时刻的锚运动位移；dy1₀为当系留索受力开始时刻的浮体运动速度dy2₀为当系留索受力开始时刻的锚运动速度。

有益效果：

本发明提供了一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法，能够根据潜标系统在布放过程中各个部分的运动规律，分别按照动力学理论确定数学模型，然后求解出系留索上的最大张力，从而得到系留索的设计强度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法流程图；

图2为本发明实施例中第一阶段潜标系统状态示意图；

图3为本发明实施例中第二阶段潜标系统状态示意图；

图4为本发明实施例中第三阶段潜标系统状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法，具体流程如图1所示，潜标系统包括浮体、锚、系留索以及尼龙缓冲索，浮体通过系留索以及尼龙缓冲索与锚相连，锚为杯式锚，上部具有杯状空间，仿真方法具体为：

潜标系统初始状态为浮体置于杯状空间内，如图2所示。潜标系统的布放过程顺次包括三个阶段；第一阶段为进入海水后，潜标系统总体下沉运动，如图2所示；第二阶段为潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离，浮体向上运动以及锚向下运动，如图3所示；第三阶段为系留索受力后，浮体和锚在系留索的作用下联合运动直至锚着底，如图4所示。

潜标总体入水后，由于总体是负浮力，总体会下沉，当到达一定的深度时，潜标浮体内的控制器控制分离机构将浮体与锚分离，此时由于浮体的正浮力作用，浮体将改变方向朝水面运动，锚具有负浮力，将加速向水底运动，当浮体与锚的距离达到钢丝绳与缓冲绳的长度时，系留索上就会产生巨大的冲击力，因为有缓冲绳的存在，对冲击力进行缓冲，使得系留索上的力变得很小，从而保护了系留索不至于断裂。

在第一阶段，构建潜标系统总体运动曲线，计算获得潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离时，潜标系统总体的分离位移与分离速度作为第二阶段的初始条件。

具体为：

其中M_z为潜标系统总体的质量；y_z为潜标系统总体的位移；F_z为潜标系统总体浮力；g为自由落体加速度；ρ为海水密度；S_z为潜标系统总体迎流面积；C_z为潜标系统总体阻力系数。

在第一阶段，y_z＜y_f；y_f为潜标系统总体达到预定深度后，浮体与锚分离时，潜标系统总体的分离位移。

初始条件为从海水平面开始，潜标系统总体的速度初始值为0。

在第二阶段，构建第二阶段浮体运动曲线和第二阶段锚运动曲线，计算系留索受力开始时刻浮体的位移和速度以及锚的位移和速度作为第三阶段的初始条件；

具体为：

所构建的第二阶段浮体运动曲线为：

所构建的第二阶段锚运动曲线为：

其中M₁为浮体的质量；y₁为浮体的位移；M₂为锚的质量；y₂为锚的位移；f₁为浮体的浮力；f₂为锚的浮力；S₁为浮体的迎流面积；C₁为浮体的阻力系数；S₂为锚的迎流面积；C₂为锚的阻力系数。

在第二阶段，满足y₂-y₁＜l₁+l₂；其中l₁为系留索初始长度；l₂为尼龙缓冲绳的初始长度。

第二阶段的初始条件为，y₁₀＝y₂₀＝y_f；dy₁₀＝dy₂₀＝dy_zf。

其中：y₁₀为第二阶段浮体的初始位移；y₂₀为第二阶段锚的初始位移；dy₁₀为第二阶段浮体的初始速度；dy₂₀为第二阶段锚的初始速度；dy_zf为潜标系统总体分离时的速度。

在第三阶段，构建第三阶段浮体运动曲线和第三阶段锚运动曲线，解算系留索的张力曲线，取系留索的张力曲线中最大值为最大张力，并依据最大张力设计系留索的强度。

具体为：

所构建的第三阶段浮体运动曲线为：

所构建的第三阶段锚运动曲线为：

张力曲线为：

f＝(y₂-y₁)k；

其中f为系留索上的张力；k为尼龙缓冲绳弹性系数；Δl为尼龙缓冲绳最大形变；k为尼龙缓冲绳弹性系数；a为尼龙缓冲绳伸长率；F₁为尼龙缓冲绳破断拉力；

第三阶段，满足l₁+l₂+Δl＞y₂-y₁＞l₁+l₂；

初始条件为：

y1₀为当系留索受力开始时刻的浮体运动位移；

y2₀为当系留索受力开始时刻的锚运动位移；

dy1₀为当系留索受力开始时刻的浮体运动速度

dy2₀为当系留索受力开始时刻的锚运动速度。

由于钢丝绳的弹性系数超大于尼龙绳的弹性系数，这里为了计算简便，在钢丝绳与尼龙绳串连时，至考虑尼龙绳的弹性系数。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种潜标系统布放时水下分离系留索强度仿真方法，其特征在于，所述潜标系统包括浮体、锚、系留索以及尼龙缓冲索，所述浮体通过所述系留索以及所述尼龙缓冲索与所述锚相连，所述锚为杯式锚，上部具有杯状空间，所述仿真方法具体为：

所述潜标系统初始状态为所述浮体置于所述杯状空间内；所述潜标系统的布放过程顺次包括三个阶段；第一阶段为进入海水后，潜标系统总体下沉运动；第二阶段为所述潜标系统总体达到预定深度后，所述浮体与所述锚分离，浮体向上运动以及锚向下运动；第三阶段为系留索受力后，浮体和锚在系留索的作用下联合运动直至锚着底；

在所述第一阶段，构建潜标系统总体运动曲线，计算获得所述潜标系统总体达到预定深度后，所述浮体与所述锚分离时，所述潜标系统总体的分离位移与分离速度作为所述第二阶段的初始条件；

在所述第二阶段，构建第二阶段浮体运动曲线和第二阶段锚运动曲线，计算所述系留索受力开始时刻所述浮体的位移和速度以及所述锚的位移和速度作为所述第三阶段的初始条件；

在所述第三阶段，构建第三阶段浮体运动曲线和第三阶段锚运动曲线，解算所述系留索的张力曲线，取所述系留索的张力曲线中最大值为最大张力，并依据所述最大张力设计所述系留索的强度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一阶段，构建潜标系统总体运动曲线，具体为：

其中M_z为所述潜标系统总体的质量；y_z为所述潜标系统总体的位移；F_z为所述潜标系统总体浮力；g为自由落体加速度；ρ为海水密度；S_z为所述潜标系统总体迎流面积；C_z为所述潜标系统总体阻力系数；

在所述第一阶段，y_z＜y_f；y_f为所述潜标系统总体达到预定深度后，所述浮体与所述锚分离时，潜标系统总体的分离位移；

初始条件为从海水平面开始，所述潜标系统总体的速度初始值为0。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述第二阶段，构建第二阶段浮体运动曲线和第二阶段锚运动曲线，具体为：

所构建的第二阶段浮体运动曲线为：

所构建的第二阶段锚运动曲线为：

其中M₁为浮体的质量；y₁为浮体的位移；M₂为锚的质量；y₂为锚的位移；f₁为浮体的浮力；f₂为锚的浮力；S₁为浮体的迎流面积；C₁为浮体的阻力系数；S₂为锚的迎流面积；C₂为锚的阻力系数；

在所述第二阶段，满足y₂-y₁＜l₁+l₂；其中l₁为系留索初始长度；l₂为尼龙缓冲绳的初始长度；

第二阶段的初始条件为，y₁₀＝y₂₀＝y_f；dy₁₀＝dy₂₀＝dy_zf：

其中：y₁₀为第二阶段浮体的初始位移；y₂₀为第二阶段锚的初始位移；dy₁₀为第二阶段浮体的初始速度；dy₂₀为第二阶段锚的初始速度；dy_zf为潜标系统总体分离时的速度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述第三阶段，构建第三阶段浮体运动曲线和第三阶段锚运动曲线，解算所述系留索的张力曲线，具体为：

所构建的第三阶段浮体运动曲线为：

所构建的第三阶段锚运动曲线为：

所述张力曲线为：

f＝(y₂-y₁)k；

其中f为系留索上的张力；k为尼龙缓冲绳弹性系数；

第三阶段，满足l₁+l₂+Δl＞y₂-y₁＞l₁+l₂；

Δl为尼龙缓冲绳最大形变。

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