空投波浪测量浮标降落仿真与结构强度分析

尼建军，李宏武，魏晓辉，刘 宁*，董 涛

（1.海军装备部驻天津地区第一军事代表室，天津 300131；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

波浪测量浮标作为观测和收集海浪数据的主要仪器，可以长期、自动、定点、定时、全天候地对海浪高度、传播方向、波浪周期、功率谱和方向谱等水文要素进行观测和数据收集[1]。波浪测量浮标通过分析其在海面上的运动状态，以此来反映出海浪的情况[2]，现在的波浪测量浮标有两种，一种是基于加速度传感器的波浪测量浮标，另一种是基于GPS的波浪测量浮标。

在浮标和测波仪器方面，最著名的是荷兰Datawell公司的Directional Waverider 测波浮标系列，其中MkIII型波浪浮标，内部有罗盘和加速度传感器，内部电池可以支持工作3年左右，而另一型号测波浮标DWR-G型波浪浮标是利用GPS测量波浪[3-4]；美国InterOcean公司研制的S4ADW系列方向波浪测量仪，利用高分辨率压力传感器来测量海绵波引起的波动，进而反馈波浪参数；另外还有挪威Fugro Oceanor公司的Wavescan型浮标，挪威Aanderaa公司生产的DB4700型浮标，它们基本都配有一个单轴加速度传感器、一个电磁罗盘和一个双周倾角传感器。

近年来，国家海洋技术中心研制了SBF6-1型波浪浮标、SBF7-1型波浪浮标，山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了SBF3型波浪浮标遥测系统，中国海洋大学研制了SZF型波浪测量浮标。这几款波浪浮标均是的利用重力加速度传感器来测量波浪[5-7]。

这些传统的波浪测量浮标均是通过船载、人工的方式进行布放，海上作业的时间较长，有较大的风险。为了改变这种浮标布放方式，将航空技术与波浪浮标结合，通过无人机或其它飞行器投放。本文设计了一种新型空投波浪测量浮标，从而实现目标海域的波浪快速实时观测。对于空投浮标的研究，大部分基于反潜声呐浮标的研制，其它类型浮标的研究资料较少。

该型号空投波浪测量浮标利用MEMS加速度传感器反馈浮标的运动状态，从而获得波浪参数。本文对浮标的结构进行设计与研究，利用有限元方法和Python软件对降落过程进行了数值模拟，并校核其关键部位强度，论述了浮标空投的可行性与安全性。

1 AWMB结构设计

1.1 AWMB的设计要求及工作原理

AWMB设计的要求如下：（1）拥有较高的自动化，发射后无需人为控制；（2）满足从空中投放的要求，安全入水；（3）准确采集处理海浪的参数；（4）通过卫星通信。其工作原理如图1所示。

图1 AWMB的工作原理

1.2 结构设计

考虑到AWMB的运输载具是飞行器，机载吊舱对浮标的结构外形和尺寸有着严格的限制，所以浮标体的外形确定为圆柱形。虽然圆柱状的物体在海洋工程领域应用广泛，对于圆柱绕流现象的研究发展也比较快，但如果利用柱状浮标来监测海浪，由于其为细长型的漂浮圆柱体，要注意3点：随波性、卫星通信和运载方式。

1.2.1 随波性

根据横摇经典理论，橫摇角相对于波面角的幅频响应函数为[8]：

浮标的直径相对于波长较小，浮标的初稳心高很高，橫摇的固有周期很短，其橫摇角近似于波面角，即随波漂流。

1.2.2 卫星通信

由于此型号浮标采用的是北斗卫星通信的方式，因此对浮标的橫摇运动的稳定性提出了更加严格的要求。较小的橫摇角度能够降低天线束宽的要求，提高天线增益，增加系统的通信质量[9-10]。

1.2.3 运载方式

首先，浮标的整体质量不能太大，尽量减轻浮标的重量，无论对于搭载数量，还是降落过程中的冲击，都是至关重要的。其次，需要合适的减速装置，减缓降落过程中受到的冲击。

综合以上3点，省去降落伞及其复杂的开伞和剪伞装置，用一个可以展开的减速板替代，不仅提高了浮标的可靠性，还可以增大初稳心高，优化随波性能[11-12]和通信质量。同时，扩展出来的减速板，可以增大浮标摆动的阻尼，以防止被海浪打翻。浮标的主体结构采用厚度为2 mm的铝合金圆筒，而减速板是由8根主梁和544航空伞布制成，其中，主梁是由固体浮力材料加工制成，密度仅为500 kg/m3，极大地增加了浮标的储备浮力，提高了稳定性。

浮标由4部分组成，从上到下依次为：天线舱、电路模块舱、电池舱和减速板及其启动装置模块。天线舱内部装有北斗卫星天线，加速度传感器、数据处理电路和北斗天线电路装于电路模块舱，电池舱的下部是减速板的启动模块，减速板覆盖于电路模块舱和电池舱表面，如图2所示。

图2 AWMB总体布置图与减速板结构及外形

浮标总长0.887 m，减速板闭合状态时最大直径为0.124 m，展开状态时最大直径为0.89 m，续航时间至少一周。以浮标减速板展开状态下所在平面为基平面，浮标的重心高度为-0.229 m，浮心高度为-0.136 m，浮标水线面与基平面重合，初稳心高为+0.152 m，排水量为4.36 kg。

2 降落过程分析

2.1 减速板展开过程中阻力系数计算

2.1.1 理论方法及预处理

为了确定浮标在降落过程中减速板展开时的受力情况，在减速板不同的展开角度状态下，进行计算分析，获得不同状态下浮标受到的空气阻力，利用式（2）得到减速板展开过程中阻力系数的变化趋势。

式中：Fw为浮标所受到的空气阻力；d为减速板沿浮标降落方向投影面的直径；ρ为空气的密度；v为浮标降落的速度；r为电路模块舱的半径；R为减速板主梁的长度；θ为减速板主梁与浮标轴线的角度。

设定浮标的降落速度为12 m/s，在减速板展开过程中，会形成伞状锥形区域，因此，此时的流体并不是理想流体，而是有旋、无粘的，湍流模型采用标准k-e模型。以减速板主梁与浮标轴线的角度为变量，每隔7.5度，计算在此状态下浮标沿轴线方向的压力状况，获得降落的空气阻力。

计算网格采用四面体网格，采用ICEM CFD进行网格划分。浮标与流体界面的网格如图3所示。

图3 13种状态下的网格分布图

2.1.2 计算结果及分析

各种状态下，浮标所受到的空气阻力以及对应的阻力系数如表1所示。阻力系数随角度变化的趋势如图4所示（0至15°的计算结果无效）。

表1 计算结果

图4 阻力系数随角度变化的趋势图

由图4可知，对于圆锥面物体，当圆锥母线与轴线之间的角度小于15°时，已经不符合式（2）定义的空气阻力系数的计算；而对于大于15°的，阻力系数将随角度增大而先增大后减小，在75°处，阻力系数达到最大。对数据进行三次曲线拟合，获得阻力系数随角度变化的函数：

2.2 浮标降落过程的运动状态

减速板的展开机构为曲柄滑块机构，如图5所示。其中，杆AB为减速板的主梁，杆BC为支撑杆，用于将减速板撑起，滑块附着在浮标电池舱上，与支撑杆相连。当滑块沿着浮标体作竖直向上的运动时，通过支撑杆将减速板的伞面骨架撑起，从而达到减速板展开的目的。

图5 减速板的展开机构示意图

减速板的展开速度决定了整个浮标空投的最低高度、减速状态以及入水速度，因此，对减速板展开速度的分析尤为重要。图5中的P点为主梁AB与滑块的速度瞬心，B点的运动矢量方程为：

主梁转动的角速度：

为了提高其安全系数，设定浮标的质量为4.5 kg。同时，可以对减速板展开过程的受力简化，即阻力垂直于减速板。其受力面积为减速板垂直方向上投影的面积：

浮标在降落过程中所受到的空气阻力和降落速度为：

将式（4）代入式（11），可以得到关于θ的一元三次函数。现设定浮标在高度800 m处无初速度释放，释放1.5 s后，减速板开始作展开运动，假设为无风状态，浮标此时仅受到重力和空气阻力的作用。利用Python进行数值模拟，可以得出减速板的展开过程中浮标所受到的空气阻力，如图6所示；浮标下降过程中速度变化和高度变化如图7所示。

图6 浮标降落过程中所受到的空气阻力

由图7可知，浮标从高度为800 m处释放后，到达719.2 m时，减速板完全展开，之后在很短时间内达到匀速运动，因此，可以认为719.2 m时，就开始作匀速运动了。浮标从释放到入水的过程，耗时71 s，实际情况下，所用时间可能会更短。

图7 浮标降落的速度与高度的变化曲线

3 减速板主梁的强度分析

最容易损坏的地方是减速板的主梁结构，由于玻璃微珠复合材料的脆性，会使它在降落过程和入水过程中会出现折断现象，尤其在降落过程中，主梁一旦损坏，必将导致整个浮标的坠毁。如果在入水过程中主梁损坏，因为柔性伞布的包裹，减速板整体依旧可以保持一个拥有浮力的平板，不会影响测波性能。因此，降落过程中，减速板主梁的完整是保证浮标安全性和完整性的关键。减速板主梁采用的海洋固体浮力，如图8所示。

图8 海洋固体浮力材料

在第2节中，已经分析得出了在减速板展开的过程中，会受到最大阻力，其值为64.02 N。此时的减速板还未完全展开，假设圆锥形减速板内部的压力均垂直于板面，所以，可以简化为一个外径为R1内径为R2的圆环，受到垂直于板面向上的压力。因为减速板是由8根梁支撑起来的，所以单根梁的单位长度上所受到阻力为：

网格采用六面体线性单元，整体节点之间的尺寸约为4 mm，对应力集中的部位添加节点，特别是中部和凹槽相交的孔，增加其网格密度，总共5 990个单元，如图9所示。

图9 网格划分和局部细化

图10 主梁的应力云图

仿真的应力云图如图10所示。最大应力位于中部孔的位置，大小为36.1 MPa。根据材料的力学性能报告（图11），所选用的玻璃微珠复合材料的拉伸强度为23 MPa，因此，这种结构是无法满足要求的。

图11 力学测试报告

为了能够保证减速板主梁在降落展开过程中不会断裂，特别是中部孔的位置，采取两根复合材料梁夹一根钢板的结构，如图12所示。优化后的结构，既可以弥补玻璃微珠复合材料抗拉强度低的缺点，又可以改善材料脆性大的特点，提高了浮标的安全性。而且，经过对浮标进行漂浮实验，新的主梁结构对浮标的重浮心位置影响很小，水面线仍与减速板重合，如图13所示。

图12 减速板主梁的新结构

图13 AWMB的漂浮状态

4 结 论

本文结合现代航空技术，设计了一款新型无需降落伞的空投波浪测量浮标，并对浮标空中运动过程进行了计算分析，探究了其结构的强度和安全性问题，并提出了可行的解决方案。结合计算结果分析，得出以下研究结论：

（1）提出了新型空投波浪测量浮标结构组成和设计参数，在理论上验证了浮标安全降落的可行性，并优化了减速板结构；（2）对于减速板不同的开合角度，其沿轴线方向的投影面对应的阻力系数基本保持不变，仅仅在角度比较小的时候不适用，为锥形面的流体阻力计算提供了较为方便的简化方法；（3）该型浮标减速板主梁采用的玻璃微珠复合材料，减轻了浮标的重量，为浮标提供额外的浮力，并初次将这种脆性材料作为功能结构件使用，通过在中部添加韧性材料，很好地解决了材料的强度与脆性问题。

为了更加准确检验浮标降落过程的安全性，今后将进一步开展低空投放试验，对浮标空中运动状态和入水状态进行评测。另外，此类浮标不但适用于机载投放，也可用于船载和水下平台搭载，用于应急情况下的使用。