近海海洋仪器试验场测试装备设计与分析

论文摘要

目前,我国90%以上的高端海洋监测装备仍需进口,重要的原因之一是国内海洋仪器样机研发成功后,不具备相关的产品化测试流程和环境,无法进行良好的现场试验,大量的功能样机没有定型,国产仪器设备所占市场份额极其有限。基于此,研发近海海洋仪器试验场测试装备,为在产品研发设计阶段对海洋仪器设备的可操控性、可靠性和环境适应能力测试提供海洋现场试验平台具有重要价值。本课题主要的研究工作内容及取得的成果如下:(1)对上海市近海环境监测站网各站点水质、气象、水深、浪流等历史数据进行研究,根据海洋仪器设备测试试验场建设基本原则,遴选了8个测试站点作为研究对象。对这些入选站点进行现场考察、研判。结合当地海域咸淡水变化规律、泥沙、浪流等特点,进一步开发了大戢山、九段沙、南槽东、小洋山和芦潮港5个测试站点,建立无人值守式海洋仪器设备测试网。在选点的基础上,进行海洋仪器测试装备架构总体设计方案的制定,对不同海域测试站点进行现场专用仪器测试装备的开发,包括岸站式测试装备设计方案、浮动式测试装备设计方案、工作模式以及互联互通方案的实现。(2)针对岸站式测试站点,设计了固定式立管海洋仪器自动化测试装备,由不同直径的低压聚乙烯立管以相互内嵌的机理组成主体,传感器挂载装置在最外层长度7m,内径268mm立管内部进行卷缆式升降,同时搭载最多5个直径最大50mm的不同类型传感器,实现对海洋仪器的工况监测、性能指标检测。固定式测试装备能够对海上潮位变化进行自动调节,上升/下降时间约为68s/62s;传感器监测摄像装置位于透明玻璃钢层;螺旋桨通过一定频率的旋转形成的变速涡流能有效防止生物在传感器上附着。考虑到海洋仪器测试装备在浪流环境下的冲击,为提升系统的健壮性,通过Ansys流固耦合仿真及应力分析,4m/s的流速下,立管末端最大变形量为0.0797mm,优化固定式海洋仪器测试装备结构,引入消波设计后,形变量减少了43%,有效提高了海洋仪器工作的可靠性。(3)对于非岸站式测试站点,设计了浮动式海洋仪器自动化测试装备,以直径1200mm,高度620mm的新型聚脲浮体为载体,内嵌海洋仪器升降装置、摄像监测装置、控制模块及12V能源系统等,可搭载多达3种不同类型传感器,并可进行扩展。对浮动式海洋仪器测试装备及锚系的受力、稳性、储备浮力等水动力特性进行分析计算、升降系统测试(上升/下降时间为63s/58s)、水槽试验(吃水深度220mm),验证了浮式海洋仪器测试装备工作的稳定性、可靠性。通过海洋仪器升降工作模式的设定、海洋仪器的升降误差校准及防生物附着设计,提升海洋仪器水质检测工作的能力,实现不同/同类型海洋仪器的性能指标测试。双摄像系统能够分别检测海洋仪器及周边海况,通过海洋仪器的定期升降消除传感器探头气泡和生物附着对测量值的影响,对被测仪器进行多方位拍摄,观测其实际工作状态。(4)根据近海海洋试验场测试需求,共研发设计制造5台海洋仪器测试装备,结合不同海域的实际海况,通过不同的海洋仪器升降方式实现对各类传感器的性能比测和监控。为更好的实现对海洋仪器的检测,利用不同海域的环境特点,在九段沙海域、南槽东海洋测试站点、大戢山海洋测试站点、小洋山海洋测试站点和芦潮港测试站点分别投放、安装海洋仪器测试装备,搭建了互联互通的近海海洋仪器试验场。其中,大戢山和南槽东站点为通讯中继站点。(5)海上试验与数据分析。针对课题的要求,在九段沙、南槽东、大戢山、小洋山和芦潮港、对研发装备进行现场试验,对采集到的水质数据进行收集、分析。观测分析浮式海洋仪器测试装备的吃水深度、浮心情况、升降可靠性以及固定式海洋仪器的涡激振动情况、失稳现象等。经过冬季、夏季海上试验,海洋仪器自动化测试装备在海上运行可靠,装备整体结构强度、稳性、形变和抗风浪性符合设计要求并且经受住了9级温比亚台风的侵袭,上位机端能够正常采集到水压、水温、PH等水质参数,实现海洋仪器间的性能测试和对比。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 课题研究的思路和内容

1.3.1 课题研究思路

1.3.2 课题研究内容

1.4 课题解决的关键问题

第二章海洋试验场监测网站点调研

2.1 近海海域岛礁与测站调研

2.1.1 绿华礁海域与芦潮港码头海域测试站点

2.1.2 唐脑山岛海域与九段沙海域测试站点

2.1.3 南槽东海域与碧海金沙海域测试站点

2.1.4 大戢山海域与小洋山海域测试站点

2.2 海洋仪器试验场测试站点分析与小结

第三章海洋仪器自动化测试装备总体设计与实现

3.1 引言

3.2 浮式海洋仪器自动化测试装备总体功能设计

3.3 浮式海洋仪器自动化测试装备总体方案与工艺设计

3.4 固定式海洋仪器自动化测试装备总体设计

3.5 固定式海洋仪器自动化测试装备功能实现方案设计

3.6 小结

第四章海洋仪器测试装备关键部件综合功能的分析

4.1 引言

4.2 浮式海洋仪器自动化测试装备部件设计与分析

4.2.1 浮式海洋仪器测试装备的结构设计与参数分析

4.2.2 浮式海洋仪器自动化测试装备储备浮力与稳性计算

4.2.3 浮式海洋仪器自动化测试装备浮心设计

4.2.4 浮式聚脲浮体设计与制造

4.2.5 浮式底座与配重块设计与制造

4.3 固定式海洋仪器自动化测试装备部件设计与分析

4.3.1 固定式立管消波设计与仿真分析

4.3.2 固定式螺栓组及卡箍的力学分析与校核

4.3.3 固定式HDPE立管设计制造与材料分析

4.4 装备自动化控制系统的设计与实现

4.4.1 装备控制系统总体设计方案

4.4.2 控制模式设计与实现

4.5 小结

第五章浮式与固定式自动化测试装备工艺与海上试验

5.1 引言

5.2 试验方案

5.3 浮式海洋仪器自动化测试装备工艺与水槽试验

5.4 海上试验过程

5.4.1 浮式海洋仪器自动化测试装备多站点投放试验与应用

5.4.2 固定式海洋仪器自动化测试装备工艺与海上试验

5.5 小结

第六章海上试验结果分析

6.1 引言

6.2 装备机械与控制系统分析

6.3 水质试验数据分析与采集

6.4 海洋仪器附着物分析

6.5 小结

第七章结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

作者在校科研成果

附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张宏成

导师: 胡庆松

关键词: 近海环境监测网,海洋仪器设备,多站点试验场,海洋技术,嵌入式开发

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,仪器仪表工业

单位: 上海海洋大学

分类号: TH766

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000521

总页数: 108

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