新型多功能抗拖网海床基设计

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(1.青岛科技大学 机电工程学院， 山东 青岛 266100； 2.国家深海基地管理中心， 山东 青岛 266200)

0 引 言

海床基作为一种坐底式海洋监测装置，具有连续、长期、受海况影响小以及监测数据质量可靠等优势，是获取水下长期综合观测资料的重要技术手段。随着海洋技术的发展及海洋资源开发的不断深入，各国对海流、波浪、潮汐等海洋数据的监测日益重视，海床基以其监测优势正逐步成为海洋技术领域研究的重要方面[1-2]。

对于坐底式海床基监测平台海床基技术，国外经过十几年发展取得了一系列成果。MSI[3]公司生产了三角形底座式浅海型海床基Tripod Mount；Ocean Science[4]公司生产了三腿底座式浅海型海床基Sea Spider；Proteco Sub[5]公司生产了四边形浅海抗拖网海床基Barny Sentinel；INGL[6]公司生产了四边形深海观测网节点(EMOS)海床基GEOSTAR等。国外对海床基研究已初步实现产业化，形成了多个海洋仪器公司和科研机构。国内方面，近年来随着国家对海洋技术方面的重视，海床基的研究工作也取得了长足的进展，于凯本等[7]设计了浮体一体化抗拖网海床基；张志平等[8]设计了一种摆动式防淤泥海床基；张存勇[9]发明了一种淤泥质海底ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)声学观测海床基；陈伟斌等[10]发明了一种自平衡抗吸附海床基。国内对海床基的研究正在不断深入，但是与国外还存在一定差距，没有形成产业化。

随着海床基的广泛应用，其在设计方面存在的问题与不足也日益突出，主要表现在几个方面：(1)海床基搭载设备的单一性在很大程度上制约海床基应用范围，难以满足现阶段对海洋波、潮、流以及盐度等多方面的综合监测要求。(2)海床基浮体与搭载设备设计为一体式结构，浮体上设计有仪器设备接口用于设备的固定。由于海洋监测设备种类繁多，同一种产品不同型号或者同一型号不同商家都存在一定的尺寸差异，浮体仪器一体化设计难以保证其通用性。(3)海床基的布放问题，现阶段国内设计的海床基的布放主要采用吊装方式布放。布放用声学释放器一端与海床基布放装置连接，另一端与A型架挂钩连接，并且在A型架挂钩一端连接有浮球便于回收挂钩及声学释放器，海床基通过A型架吊起缓缓放入水中，海床基在绞车的作用下释放到海底，然后由声学释放器甲板单元向水下发送释放信号，布放声学释放器挂钩打开，在浮球的作用下实现挂钩及声学释放器的回收[11]。这种吊装布放方式步骤繁琐，并且海床基入水姿态一般为倾斜姿态，若在淤泥质海域，海床基极易陷入淤泥之中，难以保证搭载设备的安全回收。

针对海床基的缺点与不足，本文设计一种多功能抗拖网海床基，并对设计过程做了详细说明，能够有效地改善传统海床基搭载设备单一性及局限性的劣势，为海床基的发展提供一定的参考。

1 外罩选择

1.1 海床基外罩模型的建立

一套完整的海床基系统包括外罩、浮体、仪器舱、绳索舱、回收绳索、布放装置、监测仪器及声学释放单元。外罩是海床基的重要组成部分，合理的海床基外罩能够减少海床基坐底状态下对海流的影响，防止海床基由于海流作用而产生平台下部泥沙掏空或者平台倾覆现象[12]。

为了选择合适的外罩形式，本文利用CFD软件对圆台、四棱台及八棱台外罩进行流场分析。由于本文主要进行外部流场数值模拟，所以忽略内部结构，海床基模型形式如图1所示。

图1 不同海床基外形模型

1.2 海床基外部速度场分析

根据文献[13]资料数据，胶州湾内中部水域水流速度为40～60 cm/s，所以本文选取模拟水流速度为0.5 m/s，模拟结果如图2所示。

图2 海床基不同外形外部海流速度矢量图

从图2中可以看出：(1)海流通过海床基时由于海床基的阻碍作用使海水流速发生改变。海床基迎流面底部处流速下降，海床基顶部及两侧速度明显上升，最大速度分别为0.810 m/s(圆台)、1.010 m/s(四棱台)和0.932 m/s(八棱台)。(2)在海床基迎流面与背流面存在较大的速度差，由于速度差的存在会使底部泥沙流动形式发生改变，出现海床基底部掏空，海床基倾覆现象。所以，圆台型海床基外罩对海水流速的改变最小，其效果最佳，其次为八棱台，四棱台对海水流速的改变最大。

1.3 海床基外部压力场分析

不同海床基外形压力云图如图3所示，可以看出：海床基最大压力均处在海水流速最小处，大小分别为117.0 Pa(圆台)、156.1 Pa(四棱台)和140.6 Pa(八棱台)。最大负压力分布于海流流速最大处，其压力大小分别为-259 Pa(圆台)、-472 Pa(四棱台)和-320 Pa(八棱台)。3种外罩形式中圆台所受压力最小，其次为八棱台，四棱台所受压力最大。

图3 不同海床基外形压力云图

1.4 数据对比及外罩形式选择

3种海床基外罩形式下海流速度和压力情况见表1。

表1 3种海床基外罩模拟数据

由表1可以看出：圆台状海床基外罩受海水流动的影响最小，安全性最高。但是由于圆台形外罩制作工艺复杂，加工难度较大，而八棱台外罩虽然受海水流动的影响优势不如圆台外罩但是优于四棱台，且其加工方便，可以由4块矩形板和4块等腰三角板组成，性价比较圆台形外罩好，所以本文选择八棱台形式作为海床基外罩，并且矩形板开设透水孔，最大限度地降低水流对海床基的影响。

2 海床基框架

2.1 框架设计

由于本文选择的海床基外罩形式为八棱台，所以依据分析结果对海床基框架进行设计，设计效果如图4所示。底座框架由316不锈钢角钢焊接而成，角钢型号选择20 mm×20 mm，为了保证框架的焊接强度，焊接后要对焊缝进行清渣及抛光处理，并进行焊缝检查。同时，由于海水是一种强腐蚀介质，海洋环境中设备极易受到海水腐蚀，虽然316不锈钢本身具有耐海水腐蚀的能力，但是为了加强底座框架的可靠性，对框架采用厚浆型重防式涂料处理，并在底部安装牺牲阳极装置。

框架底部焊接由压舱板到压舱块，压舱板上开设有注水孔及排水孔，增加海床基在布放和回收时的稳定性。压舱板材料由玻璃钢制作而成，厚度选择5 mm。压舱块及底部板选择316L不锈钢，厚度选择10 mm，压舱块尺寸为340 mm×500 mm，厚度为150 mm，质量为168 kg。底座质量集中于压舱块上，加大了重心与浮心距离，增加了海床基在下沉过程中倾斜状态下的恢复力矩。

底座框架均布4个布放吊环，底部设计有支脚，增加海床基坐底状态下的稳定性。同时，整体外框架进行光滑处理，增加海床基抗拖网能力。

图4 下框架结构图

图5 底座框架简化模型

2.2 框架强度分析

为了分析底座支架的设计强度，验证设计的合理性，本文对海床基底座框架进行静力学分析。为了便于分析，除去了海床基框架上的布放装置，补全小孔结构，并将压舱板进行简化，简化模型如图5所示。

由于海床基设计质量为600 kg，均布4个布放吊环可以实现水平布放及单侧布放。由于单侧布放对框架结构的要求更高，所以本文利用单侧布放方式进行模拟。模拟结果如图6所示，可以看出：在单侧提升力的作用下底座框架最大应力为143.309 MPa，小于316L不锈钢板的最大屈服极限170 MPa，所以底座框架设计安全可靠。

图6 底座框架模拟结果

图7 仪器支架结构图

3 其他部件设计

3.1 仪器支架设计

为了解决海床基搭载仪器数量单一、仪器类型通用性差的问题，将仪器与浮体单独设计，仪器支架由Φ10 mm 316L不锈钢棒弯制、焊接而成，焊缝处理工艺与底座框架做同样处理。仪器支架结构图如图7所示。

由图7可以看出：框架式结构的最大优势在于其可以有效地扩大搭载仪器空间，同时框架式结构通用性较强，对于不同型号及不同尺寸的设备只要改变夹套尺寸的大小即可。同时，仪器支架上设计有浮体连接耳，通过螺栓与浮体连接，回收时仪器支架与浮体作为整体首先回收，其效果与浮体仪器一体式结构相同。仪器支架底部设计有固定法兰，其与仪器支架支撑板上的定位销配合，固定仪器支架的相对位置。仪器支架上设置有2个声学释放器，并联设计，与底座框架上声学释放器连接环连接，构成海床基释放机构。

图8 绳索舱

图9 海床基总装图

3.2 绳索舱设计

回收绳索作为浮体与底座连接部件对浮体及底座框架回收起重要作用。海床基回收绳索选用荷兰DSM公司生产的Dyneema高强度纤维船用缆绳，这种高分子聚乙烯纤维具有重量轻、强度高等优点。基于绳索的这种特性，当绳索放于海底时，会由于浮力的作用出现漂浮现象，绳索容易打结或缠绕在框架上，对回收成功率造成极大的影响。所以本文针对传统的绳索舱，增加了绳索固定装置，杜绝绳索漂浮现象，具体结构如图8所示。

由图8可以看出：绳索舱较传统的装置新增了绳索固定装置，固定装置由弹簧、压绳杆和螺母组成。将绳索一端通过绳索连接孔连接到底座框架上，绳索盘于绳索舱内用压绳杆压紧固定，压紧力依靠压绳杆自身的重力提供，这样可以防止由于压紧力太大而影响海床基的正常回收。海床基总装图如图9所示。

4 海床基组装布放

4.1 海床基组装

合理的海床基组装顺序能提高工作效率，增强设备工作的可靠性。海床基的组装过程为：(1)仪器支架的组装。将2套声学释放器温盐深仪(Conductance, Temperature, Depth， CTD)、多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)和海流计依靠各自适合的夹套固定在仪器支架上。(2)将浮体与仪器支架上浮体连接吊耳通过螺栓连接。(3)将绳索舱安装到底座框架的压舱板上，通过螺栓固定。然后将绳索放置于绳索舱内，绳索一端通过绳索连接孔与底座框架连接，另一端与仪器支架上的连接环连接。(4)将仪器支架与底座框架连接，使声学释放器与压舱板上的声学释放器固定环相连，组成并联结构。(5)安装海床基4个正方形及4个等腰三角形外罩板。(6)检查各部件的安装及连接情况是否可靠合理。

4.2 海床基布放回收

海床基的布放需要利用甲板A架和绞车然后配合声学释放器吊装布放，将声学释放器一端与海床基吊环连接，另一端与吊装钢丝相连。海床基通过A型架及绞车将海床基吊起放入水中，待海床基进水充满设备舱之后，由声学释放器甲板单元向海床基发射释放指令，声学释放器挂钩打开，海床基依靠自身重力下沉，布放至海底。

海床基中并联安装有2台声学释放器，当海床基工作完成之后，利用甲板上声学释放单元向声学释放器发射释放指令，浮体携带仪器及回收绳索首先上浮，保证设备的安全。将海床基仪器及浮体回收之后，依靠回收绳索将底座回收，回收完成。

5 结 论

结合现有海床基设计方面存在的问题，对不同外罩形式海床基的流体及性价比进行比较，选择了八棱台海床基结构；然后根据外罩形式设计海床基底座框架，通过ANSYS分析，验证底座框架设计的可靠性；为了增加海床基搭载设备的通用性及多样性，将海床基仪器搭载设备设计为框架式结构，并在绳索舱中增加了绳索固定装置。多功能自重下沉式海床基可以有效简化海床基布放步骤，增加海床基的通用性，对海床基的发展有一定的促进作用。

[1] 齐尔麦, 张毅, 常延年. 海床基海洋环境自动监测系统的研究[J]. 海洋技术, 2011, 30(02): 84-87.

[2] 胡展铭, 石文奇, 陈伟斌, 等. 海底观测平台——海床基结构设计研究进展. 海洋技术学报, 2014, 33(06): 123-130.

[3] Mooring Systems Inc. Miniaturized Trawl Resistant Bottom Mount (MTRBM) Systems [EB/OL]. [2014-04-15]. http: //www.mooringsystems.com/mounts.htm.

[4] Ocean Science. Seafloor Platforms [EB/OL]. [2014-04-15]. http://www.oceanscience.com/products/seafloor- Platforms/Home.aspx.

[5] PERKINS H, DE STROBEL F, GUALDESI L. The Barny Sentinel Trawl-Resistant ADCP Bottom Mount: Design, Testing, and Application [J]. Oceanic Engineering, 2000, 25(04): 430- 436.

[6] PAOLO F, LAURA B. Seafloor Observatories from Experiments and Projects to the European Permanent Underwater Network EMSO[J]. Instrumentation Viewpoint, 2010, 04(08): 21-25.

[7] 于凯本, 魏泽勋, 纪育强, 等. 浮体仪器一体化抗拖网海床基: CN201120092867.6[P]. 2011-03-25.

[8] 张志平, 李朗, 王立松, 等. 一种摆动式防淤泥海床基: CN201610041741.3[P]. 2016-01-22.

[9] 张存勇. 一种淤泥质海底ADCP声学观测海床基: CN201420115738.8[P]. 2014-03-06.

[10] 陈伟斌, 胡展铭, 安平, 等. 自平衡抗吸附海床基: CN201120315262.9[P]. 2011-08-26.

[11] 于凯本, 刘珂. 国外抗拖网海床基技术现状与进展[J]. 气象水文海洋仪器, 2013(02): 116-119.

[12] 刘杰, 吴承璇，吕斌，等. 基于CFD的海床基观测平台外部流场分析[J]. 山东科学, 2012, 25(01): 65-68.

[13] 李乃胜, 于洪军, 赵松龄. 胶州湾自然环境与地质演化[M] . 北京: 海洋出版社, 2016.