（机械设计及理论专业论文）海上溢油回收人工水母模型设计及其特征分析.pdf

摘要 本项i _ ；1 来源子国家自然科学基惫资助项日( n o 5 0 3 7 9 0 2 4 ) 和i ：海i i j 教 委噩点学科资助顼封( 沪教科2 0 0 2 4 4 ) ，并且对已研究的人】水母的结构 。对潞了专利：仿坐旗姆上浮油网收装胃( i v | _ l 请专利号为2 0 0 5 2 0 0 4 0 2 2 4 1 ) 。 术项i i 为研究和盯发海上溢汕处理i 焚备抛供了有效的研究力法，存海 j ：溢汕问题受到越来越高重视的今天，浚课题的研究无疑具有重要的理论 价值和实酗i 意义。 本文的研究内容主要有两个方面：第一方面主要足根据仿生机械学的 原理，捉出了“人j ：水f 斗”的概念一一人一【二水母就足仿造天然水母没讣 的机械装嚣，然后根抛现有的溢汕回收原理，研究出人1 ：水母网收溢 汕的燎本原雠，并结合机械设计方i 【 l i 的知1 识，研究设计m 入：j 二水 4 梭) 艘 0 的臻本结构，最后通过p r 0e 软件划人工水母进行建横，为本寞捉 j l 了人：r 水母的3d 渲染效粜i 到；筇：二方面主要对i 5 2 计i _ l jn 勺人玉水 雌模型进行稳性分析承i 漩涡特征的分析。 ， 本蹀趣的创新点就z i ：j ：将仿生机械学的原理应_ l 到设计海i ：溢油刚收 装髑中，仿照天然水母的外部形念和内部结构原理设计h j 了川j 二溢汕m 收 的人r 水母模型。 关键词：溢汕，人 ! 水母，仿生枫械学，漩涡 a b s t r a c t t h i s i t e ms t e m sf r o mt h ec o u n t r yn a t ur a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 5 0 3 7 9 0 2 4 ) a n dt h ef o c a lbr a n c ha i d e db ys h a n g h a ie d u c a t i o n c o m m i t t e e ( s e c2 0 0 2 4 4 ) ，a n dw eh a v ea p p l i e df ort h ep a t e n to nt h e s t r u c t u r eo far t i f i c i a im e d u s aw i t ht h en a m e “t h ez o o m i m i od e v i c ea t r e c o v e r ys p i l l e do i l ”，w h i c ha p p l y i n gc o d ei s2 0 0 5 2 0 0 4 0 2 2 4 t h i spr o j e c tpr o v i d e st h ee f f e c t i v em e t h o df o rr e s e ar c h i n gt h e d e v i c ei nr e c o v er i n gs p i l l e do i l a st h ep r o b l e ma tr e c o v e r i n gs p i l l e do sm o r ea n dm o r er e g ar d e d t h es u b j e c tw es t u d i e dh a sas i g n i f i c a n t t h e o r yv a l u ea n da c t u a ls e n s eu n d o u b t e d l y t h ep a p e rw a sc h i e f l yi n c l u d i n g2p a r t s i nt h ef i r s tp a r t a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo ft h ez o o m i m i cm e c h a n i c ，w ea d v a n c e dt h ei d e ao ft h e a r t i f i c i a lm e d u s aw h i c hi sam e c h a n i s me q u i p m e n tb a s e do ni m i t a t i o no f n a t ur a lm e d u s a t h e na c c or d i n gt ot h ec ur r e n tr e c o v e r yp r i n c i p l e so n r e c o v e r i n gt h es p i l l e do i l ，r e s e a r c h e do u tt h ep r i n c i p l eo ft h ea r t i f i c i a m e d u s a a n dd e s i g n e dt h eb a s i cm o d e lo far t i f i c i a lm e d u s ad e p e n d i n g o nt h ek n o w l e d g eo nm e c h a n i c a ld e s i g n f i n a l l yw el i s t e dt h e3 de f f e c t dr a w i n go fa r t i f i c i a lm e d u s ac r e a t e db yp r o es o f t w ar e ：t h es e c o n d p ar t i nt h i sd i s s er t a t i o nw a sa n a i y z e dt h es t a b i i i t yf e a t ur ea n d t h ew h ir l p o o f e a t ur eo far t i f i c i a tm e d us a t h ei n n o v a t i o no f t h i sp a p e ri st h a tw ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo f z o o m i m i cm e c h a n i ci n t oo ur d e s i g n a c c o r d i n gt ot h ee x t er n a lf or ma n d n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h en a t ur a l m e d u s a ，w ed e s i g n e dt h em o d e lo f ar t i f i c i a lm e d u s au s e di nr e c o v e r i n gs p i l lo k e y w o r d ：o i ls p i l l e d ，a r t i f i c i a lm e d u s a z o o m i m i cm e c h a n i c 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论 文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发 豪或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论 文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 日期：坠出诤 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以上网公布论文 的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密 的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：二薹卑导师签名： 日期：勘。 海i ：溢f i | i 川收人t 水埘f 葵型哎计 乏l i a i ：抓分昕 第1 章绪论 1 1 引言 当今，随着社会经济的不断发展和区域州经济贸易量的增加，人类对 石油的需求也迅猛增长，从而使海上的石汕 _ i j j 探和丌采也迅速崛起，丽漏 汕事敞又不可能完全避免发生，所以这种形鳄为海上溢a 1 ：f 加了隐忠。1 1 1 ； 外，| _ l = j 于海上运输原i l l i 的成本棚对比较低，各国企业为了追求利润，降f 氐 运输原油的成本，所以海上运输业迅猛发展，而且全i ：界大型汕轮的数艟 和级别都在不断增加，载重吨位从六十年代的1o 万吨发展到今天的3 0 j 吨甚至5 0 多万吨，如法国的超级n l 轮贝拉姆弧号为5 4 ，i j 吨，我i t i 也捌 行f i | | 轮近2 0 0 艘，年运力7 lo ( ) 川e ，这些都酏i w 海一：溢汕的潜存威胁i j 船强。 溢汕x , j 海洋造成的污染是严重而持久的，它不仅x , j 海洋环境、资源造 成j ”重损害，还往往造成严重经济损失，同时危害人体健康。国际溢 | l 【号 家指 石汕进入水域后将迅迷在水域中扩敞，每：t i 石 1 i 的扩敞而叫达 l0 0 0 平方米以上。如果所泄漏的汕一w ，在水丽一i i 4 ；能及时得到州收，拍：到达 一定的时州后，1 1 0 于! ) l | | 层有搬大的隔绝空气的作川，凶而水一内 ! l 类及儿 它水域生物就会因窒息而死亡，而水f | ：i 的械物就会因缺氧而发生腐败，还 可能影响局部地区的水文气缘条件，降低海洋的自净能力，而i ! li l i1 ： t 阳| 1 化学一w ，物质的毒性( 重金属及其它有害物质) ，弭加。l 有的毒性足无法 f l ，到降解n 0 ，所以水域一划巡到溢汕n 勺污染，将造成一然j 1 ：境的m 人_ _ ! j 雕 和生态平衡的，“重破坏。 近年来海上船舶溢油事故频繁发生，给海洋! i i 念环境造成了严重的危 害。- 1 囡足个海运大刚，也足一个受到汕污损害严重n | 家。小沿j f ：j = 岸线有众多的港1 3 ，每年船冉n 运输的f 1 1 | 类与各类危险1 l ：l l ，数以亿力吨汁，刈 一瑚各港| 二l 及埘边水域环境造成了巨大威肋- 。据资料估计，我困缚年仪仪 f , j 。溢 l l i l 父人- i 水耐模型改汁及j t m 分 因油轮事故而 l i t 漏到海上的原汕就为2 6 0 ：3 0 0 吨。统汁显示，1 9 9 4 年到 1 9 9 8 年我困发生船舶溢t l i l 事故i ( ) o 多起， i l ：f 油量大概有7 0 0 吨，i i j 均 唾起 目f 故菇f f l i5 9f l t e ：而l9 9 9f f j 叫2 0 0 3j i i ，发! 卜_ | ! | 自f 浠ia i l 习f 故】0 l 起a “i i 量达2 0 0 0 多吨，平均每起事故溢油2 ：3 【f 。人们也许认为海洋丽积庞火， t _ 了地球而积的三分之二，其：| j i j 有巨大的自净能力，每年几十力。吨的溢 i 刁i 足以危害整个海洋环境。而习i 实上海洋并不是永恒的清洁机，其自净能 力也不是无限的，而n 其自净闱蝴是栩当长的，有时甚至不可能完个净化 溢汕，最终溢汕会沉入海底或被冲上岸滩，这样就给岸滩环境造成了巨大 n 0 破坏。 现有的清除或回收海上溢汕的方法有很多种，一般的，处耻i 船 l i 溢汕n 勺方法分为物理、处理法，化学处理法平生物处理法。 ( 1 ) 物理处邢法 物耻处+ l l ! 法就是利用物理方法和机械装援，来消除或刖收海或 海岸带f n 溢汕污染。这种方法不会产生二次污染，总的米蜕足最行效 的，也是最普遍应用的一种方法，但通常不大适用于乳化汕的处理。 利用物理处理法的最具代表性的做法就是利用i = l ；l 汕栏将溢汕佳这 样可以控制溢汕的扩狲，然后m 应用 【】| 回l & 装1 甜比t f c | | 吸剐带将溢汕进 行吲收。 物理处理法大致分为田栏法，吸汕法和_ f | | 删收机( 船) 。 a 、阿栏法 4 - 阳1 l 泄a # j 川海而后，应首先用汕栏将住，眦小_ - h 一- i h 扩敞，然后樽致法将j i j ；l 往n 勺石汕迸行回收。j l j l 栏一般采圳浮纠i 漂浮 f 1 7 km i l ，c 川( l 帝“分起i 目自ff | 0 11 1j ，水- 】：弁| 分足j 坊i i ：沌l “j i 从i 、_ l ；a # f ：。 汕栏应，i 有滞汕一e l ：蚀、随波肚好、抗风浪能力姒、使川力便、 “浮切蒯用、易于维修、海生物不易刚着等性能。刚汕栏既能防小溢汕 九水i 卜方向j ：的 r 敝，又能防1 1 ：踬f 1 1 1 凝结j 茂i l 汕球，n ：f 蛳i ml nj ( 力 海j ：溢汕| = 】j 收人一i i t j ；埠f ；! 型啦汁成c 特n ：分析 上的扩散。 b 、吸湘法 吸n l l 法就是利用亲汕性的吸油材料，使溢汕被粘存i c 表而而被吸 附回收。制作吸油材料的原料有高分子材料( 聚乙烯、聚丙烯、聚酪等) ， 无机材料( 碓藻土、珍珠岩、浮石肃l 膨涧二 二等) 和纤维( 稻草、麦桐+ 、术 屑、草灰、芦苇等) 。 c 、油回收机( 船) 汕匝i 收机( 船) 是用于溢汕回收的机械装置，其种类很多，i 恢 溢油的原理也不同，但是它们最终都是利用汕羽i 水的密度璐来进行汕 水的分离从而达到溢汕的回收。 ( 2 ) 化学处删法 化学处理法就是利用化学的方泫吲收溢汕，一般在f l l l 腆较薄，雄 以j j 【械方_ ；：进行l 亘li 恢溢“i lf 门。f 青况下使门1 。 化学处理法一般分为燃烧法和汕处翌i ! 剂法。 a 、燃烧法 燃烧法是采用各种助燃剂，将大量溢汕在较短时f i i 内燃烧完的化 学处理法。该方法不需要复杂装臀，处理赞用低但是燃烧产物会影 响海洋生物的生长和繁贿，对附近船舯和海岸设施也可能造成损害， 而且燃烧时产生的浓烟也会污染大气，因i l l ：燃烧法般只能在离海= 棚当远的公海才能使用此法处理。 b 、_ | | | 处理剂法 _ l | 1 处理剂法是使j i = j 化学药荆清除油污，通过改变溢汕们物理悱质， 使之易降解或叫收f l j 化学处理法。该方法适j i | f j i 刚收厚度小1 ：m 的 薄汕腆，可盥接使其乳化分敞。 “i i 处理剂主要分为消油剂和凝汕剂。 消汕剂能通过化学分散的作用，将石油在水中分? 改成微小的汕滴。 冈为消汕j ：f f | f l 】使用会产屯二次污染，所以受到了严格的m 制，股脱 定在机械回收无效或者无法进行机械回收时，而且使用消 i l l 剂能减少 对j = = i = 境危害的情况下爿可使用。 凝汕剂是使汕滴聚集，使汕膜增厚这样就方便被机械川l 改。ij i 于凝油剂具有毒性低，不受风浪影| i n ，能有效防l t 溢“ l 扩散的优点， 所以剥凝汕剂的丌发和应用，已引起各国的重视。但是凝州i 剂也有其 缺点：价格比较昂贵，作用j l j 【l ；5 比较短暂，而且进行溢油回收州，我 们仍然需要辅以机械回i 投的手段。 ( ：j ) 生物处理法 某些天然存在于海洋或二j 二壤中的微生物有较强的氧化分解石汕n 0 能力，可以利用微生物的这一特性米清除海上溢汕。美固科学家拍：塔 西哥湾海底的沉积物中发现了i - t ：多依靠吞噬石油来维持生命的细荫。 茭田弧特兰大大学发现某些酩母谪株天然存在于被石汕污染的水t 1 、， 其数嫩随_ | | | 污染范i ! t i l 的扩大而j m ：l j i i ，这表明它们足靠“i l 乞”：j f = 阳| | m 繁 吼的。酵母比细菌等微生物列紫外线和海水的渗透也具有更强的抵 抗力。 采川物理处理法回收溢汕， r 难去除海水表而的汕腆和海水一ir 的 溶解汕，采h 1 化学处雕法不i u 避免n 0 会造成二：次污染，利_ | = j 海洋微小 物进行溢汕删收，具有物理处理法雨i 化学处删法不i _ j 比拟的优点，仉 是目i m 人们还无法实际应j j 该项技术。 总之，且果海上发生溢汕事敝，酋先应该是尽快的控制溢汕源， 例如遇难船就要首先- 1 j 堵漏毯等：| 二具进行堵漏，然后撒斫，聚_ | | l 剂，m 【| - 溢_ i | 【在海而上进一步扩散，然后用阳汕栏将溢 | 【拦截，再使_ | _ | j 符种 机械收装谢，如i 灶自i i 装岿! 、i 删袋匝i 收裂铀、_ | | | 拖把及各种吸f l h 利利 等剥溢汕进行回收处理。对厚度为0 5 3o m m 的浮油可川凝 i | | 剂使之 l i i l 化、i i f 川网袋回收；汕层厚度小于0 5 i l l m 的可使j 1 1 乳化分敞刺。外 海的溢汕可川燃烧法处理，深海区的溢汕可用沉降型凝油剂使之沉入 ：j = 底，i = | = i 海底生物消化吸收和在底泥中降解、净化。 海i ：溢汕瞰人】水j 挚模型砹计及je 特扯分忻 1 2 回收溢油领域的国内外现状 y , j 了防治溢汕污染，最大限度地减少溢汕造成的损失，用内外 均对国l 改溢油领域十分重视，并进行了大量的研究。 | = l = i 于本项目是属于物理回收溢汕方而的研究，所以我们重点研 究了在用物理处理法回收溢油方面的研究，化学处理法就不做研究 了。此外，我们对生物处理法的某项研究进行了分析可以了解一 f 生物处列1 法的j 蓝。 121 在物理法回收溢油方面的研究概述 1 2 1 1 物理法回收溢汕在困外的研究概述 针对饿刚“n ak u o n i ( a ”号油轮弧f 1 本海域发乍溢浊m 敞，l9 9 r 年= f 术造船：l 二业结构革新坍- 会( asls ) 发起了针划恶劣海洋条件卜 回i 恢溢汕系统的三年r d 计划。 f i 本s 0 n 。等人”1 研制了在恶劣天气条件下的筏式溢汕网l i 叟装 氍，该装筒包含了溢 i | 1 旧l 段、汕水分高等功能，j ：i 怅良好的抗j x l 浪 能力和商南1 i 度原汕收能力，外形尺寸为长5 6 x 宽2 6 1mx f i 1 6 6 m 。该装督的不足之处在于外形尺寸较大，类似于小型船筏， 造价成本太高。 f l 本e kob ay ashi 等人。”对同样条件的汕栏及其吲收系统进 行了”发，该系统的汕目标是针刈最t 溉浪峰为6 f i 的恶劣 妊洋条 件一f 们丽 1 l l 作业，围油栏高度为3 m ，可见该围汕栏系统操作的复杂 性雨i 刚汕栏成本的昂贵。 tkjhar a 等人提 月牙形水池类船只与溢汕唧收装氍的订 机结合是解决在恶劣海洋条件一f 海上回收高粘性原汕n 勺有效方法， 并设计了相应的海上溢汕回收船。瑞典斯蒂格伦斯贝克”1 发 州了 用于水上漂浮污染物( 特别是溢汕) 的回收、分离的方法和装? 、j ， 海i j i = ：i 汕川收人e v , 群接型改汁技l e 特自1 分 j | 该装簧通过撇污堰、分离带区、可逆水泵等实现汕水分离： 作l i , j 采j 1 j3 个浮体将装筒漂浮在海而上，特别适应于水上较薄污汕的州 收处理。该装筒的缺点就是不适合恶劣海洋条件下的商粘性原f 】| | 收。 法国s a lahd je10uah 等人发明了利用漩涡原l i ! 来网收海卜 溢汕的方法和装筒，该装置采用一个漩涡生成器使溢汕流入集汕 | | 黹，从而将溢汕吸入储油箱中，该装黼的创新之处在于巧妙的采川 了漩涡原理提高了溢油回收的效粜，不足之处是只适应于平静f l j 水丽溢油回收。 k as tnersj gi sn l und “，1 a k a shi shjn jir ( ) ”3 等又分刖刘 处于急流中的围汕栏和处于寒冷且易结冰的状态下的油栏进行 了研究。 德圳柏林技术大! 的cla l iss ( ；r 等人”划新代海卜溢汕装 甜的砹汁标准进行了研究，针对目前溢! | | | 删收装谢的优缺点，提 了列溢油回收装置增加可操作性和有效性的没计理念。美国( ：ait 1crrya 等人”应用旧金1 i i 海湾f j 一个实例对石汕泄漏和扩微漂 移模型进行了研究，划投放溢油i 亘i 收装谢提供了柏效的位惯h 。 l 2 1 2 物理法回收溢汕在国内的研究概述 沈i l l ；i 自动控制研究i 5 ： 计院冯国斌等人1 发i 明的“浮汕| 亘i 收机”，存_ | | 【 箱内安装了汕界面测控器和水界而测控器及加热装贸，实现汕水界而的i l 功检测，达到自动排水，排汕保i i l ! 征低温l i g 能m 常刚收输送污汕。浚 辱2 筠：适合二j 二水j 二溥“i j 层的l 】1 1 5 ( 。 沈郛振德”发叫了“托带式浮_ | | l 删l 改装龄”，该装。i l l l 包插机体、l l l 机、戍速机、2 个挤压辊、链条、吸 | | i 带和q 个链轮。l 段j 1 | | 能力每小时可 达2 0 0 0 升左右，而且能适应各种恶劣的作业爿、境，【! = l - ， - 配谶于行1 二、机z 巩 车，吊车和托船上使用。 哿岛了| 丁光| ! j ! i 应用技术研究所徐述佯等人。1 发叫了“浮汕回i 段| ! f ”， 幺 回收船船体前甲板一凹槽的前端是丌通的。回收溢油作业时，丌启导流泵， 水表而产生引导水流抵消册酋波的形响，将溢油快速引至收油带，使溢汕 刚收速率大大提高。 总之，国内各种溢汕回收装置或回收船均为大型设备，主要原训均为 通过挤压吸油带上的溢汕进行溢汕回收，适合水上溥 i | l 层f _ | 溢汕匝i 收，对 恶劣的海况条件作业不是很适合。 大连海事大学刘彦呈等人“”对海上溢 i | 1 应急计划专家系统 进i j 了研究，专家系统i l l 海上溢汕应急反应培训系统、地理信。想系 统和计算机模拟训练系统组成，为海上溢汕应急汁划提供技术支 持。 任京成等”刑膨胀石墨进行了研究指f i 了膨胀石j 糕在溢汕污染 衍p j f 方而j 1 】府j j 前景。_ i 是我m 1 虽然认i j 到j 膨胀i i 礤贝彳) 良好晌朋：境m 盼队和超火城的i 蚁m 能力，初步肥现了其在消除海洋汕污方i fr 0 【辽女“n 膨 j 1 = 】| 】“景，然而，ij l 于膨胀石墨的自身强度很低：j j j | 之海洋m ：境的复a ! 性，如 何使其进行大规模应用尚存很多问题需要解决。 1 2 2 在生物法回收溢油方面的研究慨述 生物法的研究也受到人们越来越多的重视，下而我们从某一研究 领域来分析。 美固科学家已经研究出了一种极具潜力的产t 锗”，就是将可以降 解碳氢化合物的微生物的细胞压缩成一刚( 我们把它叫做p o d ) ，将 其放入运输的石油中。如果发生溢油，p o d 就会跟溢汕一起 1 1 漏。p o d 一遇到水就会释放出里面压缩的微生物的细胞，从而山于这些细胞可 以氧化分解石油，达到清除溢油的日的。显然，我们可以看 | i ；这利，方 法f f 勺优点为： ( 1 ) 反应速度与溢油是同步的； ( 2 ) 基本上不受海况限制： 海海g 人学顺：j 毕业论文 拇l 溢f i | i h 收人u t 水母模型改汁及j c 特i ：i f 分忻 ( 3 ) 不仅局限于消耗水表而的石汕，还可以消耗水表而以下的石 l | ： ( 4 ) 通用性较强，不仅适用于海上石油泄漏还适用于空中管道和 地下管道的石油运输： ( 5 ) 利用磁铁、引力泵或离心泵等可以将没有消耗的p o d 回l 投，这 就可以实现i ，o d 的重复利用： ( 6 ) 消耗掉的细胞不会对海洋造成任何污染。石汕经微生物降肼 后，最终转化成二氧化碳雨i 其它水溶性物质，加速了海洋对石汕的净 化过程。 司时，我们也可以看h ；这种方法有虫下的缺点： ( 1 ) 成本很高，不管是否发出溢油，都要将大量的p o d 放入石 | | | 中， 造成 良费，而目1 溺；了i 】收f ) 0c | 的成本： ( 2 ) 石洲i 跟| ) 0 d 的比例不容易掌握： ( 3 ) 理想的状况是p o d 随石油泄漏，但是水也可能会进入到装石汕 的船休中，这样就会造成i ，0 d 中的细胞消耗肌体坦的石汕，造成不必 要的浪费。 1 3 论文选题依据以及内容安排 本项目来源于国家自然科学照金资助项旧( k o5 0 3 7 9 0 2 4 ) 乖i 上海市教 委重蕞学科资雎山项目( 沪教科2 0 0 2 4d ) ，并且列已研究j j 人工水母的结构 【_ 1 = i 晴了专利：仿生型海上浮： | | | 回收装褥( 申请专利号为2 0 0 5 2 0 0 40 2 2 4 1 ) 。 本课题立项的基点是，从转变设计翌l ! 念出发，以錾于仿生机械 。j 叫h 改计耻念刈j “一卜溢n i i 的川1 1 5 ( 进行研究。随描扦。# 科的小| ；i i j i 发塍， 我们z i ! 设计溢汕回l | 5 装筒时，i q 。以将各学科的最 系起水，触类旁通，玎拓思路。现有的溢汕回l 恢 是应用传统的机械设1 ) t 原理，从来没有提出过应 溢汕同收装胃敬计的概念。实际l 我们完全可以 新发眨j 茂果柏：| l 的l 朕 装筒设计的出发点挪 用仿生机械学米完成 仿造，l i 物f l ，ji 勺嗣：匈j 盔 海海事人学坝：i ：毕业论义 海溢 l | i h 收人t 水钟模型i 5 汁殷jl 特征分所 原理和外部形态来完成溢汕回收装霹的设汁。基于上述考虑，我们玎 展了浚项目的研究，根据仿生机械学的原理，从天然水母可以凭僻 伞：队头部来包容着庞大体积的液体在风浪- i 随波逐流这现缘中 提m 了人工水母的概念。从水母的外部形态和内部结构原理叶、受到扁 发，从而殴计f | 人： 水母模型，并对其相关特征进行了分析。 本沦文内容安排如下：第l 章是绪论，主要介绍了海上发生溢汕 事故的危害性以及处理回收溢汕现有的方法，并剥国内外在哑i 收海上 溢汕方而的研究进行了椭述：第2 章是根据天然水母羽f 漩涡原理改汁 f l 0 能够回收溢汕的人工水母模型的原理i 5 ；! 计：笫3 章是根据人。r 水 母模型的原理设计人： 水母模型的瓤本结构，结合机械砹训原理力 而的知i _ ，确定人： 水母模型上的具体部件，- j i ：且对其强度进行了校 核，最后_ i j 1 过m 0 e1 j3d 建模，列了人：1 17 k 母帧，弘的效果h ：铘，1 t 足划所砹汁的人： 水母模型进行稳。列：分析以及漩涡特i i | ! n 0 分析：第 j 章是列全文的总结以及工作展望。 海i 溢汕h 收人t 水母| f 型改计发jc 特 i ! 分析 第2 章人工水母模型的原理设计 2 1 人工水母概念的提出 21 1 天然水母的简介” 水母是一种海洋中的浮游生物，如图2 1 所示的是海月水母，它是我 陶北部沿海常见的一种中型水母，头部伞呈扁平圜盘形，直径约10 3 0 厘米，头部伞的边缘有无数短而细小的触手和八个感觉球，e 1 存头部伞的 腹丽，呈四方形。海月水母有四个胃囊，囊p , j 有内胍层细胞形成的肖丝， 自缚个胃囊上，有一口腕沿胃囊的边缘伸出，飘荡在水中。海月水母的身 体很透i 州，区l 此内部的各利t 器官系统肖；能清楚地从表i f l f 霸剑。 水母在口腕的作用下将食物和水吸入胃腔，在水f q 内部，从每个搿嶷 向头部伞的边缘通出一系列的小管，它们按j ! 一定的图案结构呈辐剁状仲 向头部伞的边缘，分别称为主幅管( 沿胃埏边缘 i l l j ) 、问旧管( 从肖囊的 i p i l l m ) 和从幅管( 在时二哲之州i l ，不分支) ，这些小管邵足内胍从的 l ：皮纠j j l ! l 形成f 门，向话腔的m 都有纤毛分一】，山于纤毛的摆动使水流，川 一定方向流动，从而保征了氧气的供应以及营养物的输送。水流的方向足 i 】 i 、食道、胃腔进入从幅管及环管，然后山主幅管、f i j 幅管、胃腔、经 i - 1 排蹦j 。i i i 胃骥平这一系列的l 啊水管，组成了海月水州的胃环流系统。 水母有8 个感觉球或称触手囊，缚个感觉球位于一伞缘f i j i 1 1 刻内，i j ：感说球的存征将糌个伞均匀地分成了8 个缘瓣。感觉器水身足- lr 夺的 棒状物，其游离端堆积着i ：多多角形的内胚层细胞，每一细胞含有一个 f 旒酸钙和少量的磷酸钙形成的j i i 衡石，这些j l i 衡t i 加卜感傲棒外缘的外胍 层细胞，共同形成一个具有平衡作用的平衡囊。 水母可以凭借其伞状头部来包容着庞大体积的液体在风浪中随 波逐流。 海海! 拉人学坝j j 毕业论义 生似静 ( a t ) ( | ) ) 图21海月水母的口而观( a ) 及横切而( b ) ” 212 仿生机械学 仿生机械学”是以力学或机械学作为基础的，综合应川生物学、 医学及：【程学的一门边缘学科，它贸；b 着研究、模拟生物系统f | j 信目 处理、运动机能和系统控制，以及在医学和工程中的应i j 。 仿生机械学的研究剥象可认为是：研究生命的结构、f 巳罱转 f j , _ 街i 。溢汕l r , ld 盆人t 水i 廿填型或汁殷j c 特t l f 分忻 信息流动的过程，并利用电子、机械技术对这些过程进行模拟 改善现有的和创造出崭新的现代技术装筒。 仿生机械学的研究，在吲内外都棚当活跃，所f j l = 究的课题 j 。泛的内容，并已获得了许多进展，例如通过研究生物限的模 觉机制，研制人： 视网膜、文字读取装嚣、盲人假眼及应用于 的人工限。 从而 涉及到 型和视 机器人 2 1 3 人工水母的撅念 随着各学科的不断发展，我们在设b l 。溢 i | i 回收装褂时，可以将各 个学科的最新发展成果有机的结合起术，触类旁通，丌拓思鼢。观钉 的溢油回收装筒没计的h 发点都是应用传统的机械设计原理，从米没 有提出过应用仿生机械学来进行溢 1 1 1 回收装置设计的概念。实际卜， 我们完全可以仿造生物的内部构造原耻和外部形态等米完成溢汕州 收装霞的发汁，也就恐说将仿l 机械学应用到设计溢汕州l 改装竹l i ， 米。 从广义上来讲，人 j 水母就是利刚仿生机械学来仿造天然水母f | j 机诫装。茸。而本课题只是一个狭义定义下的人： 水母，也就是晚，我 1 这q - t 改计的人j i 二水母只要能回收海卜溢汕就可以。所以，我们只需 要根据天然水母的某一特 i i ：米进行没汁。 天然水母可以凭借其伞状头部米包容着庞大体积的液体在风浪 中随波逐流，从这一现缘中，我们产：一个概念，我们是否可以波 汁j 1 1 _ 一个装韫能够像水母一样承绒着回收回来的溢油铂：风浪中随 波逐流呢? i n jn ，目油的吲收溢i 1 | if 门装鹊一般掷4 i 能徊i 风浪，i i ： 作，如果这项研究要是能够成功，将具有巨大的社会效益和经济效 兢。 下而我们就分析一下对我们设计回收溢油设衙有帮助n q 天然水母n 特 征。 海i 。滥汕收人l 。水母_ 【j ! 型垃汁土i l 特_ l l ：分机 天然水母的胃环流系统对我们的设计有很大的启发，对于海上发生溢 汕，我们可以仿造天然水母通过管道将水和食物吃到胃囊中，i 殳汁装置通 过许多呈辐射状的管道将洲i 水混合物引入装筒中，根据水母的管道i t ! 纡毛 的作用原理，纤毛的摆动使水流朝定方向流动，再结合机械改汁琢理， 我们可以设计一个水泵，水泵的运转可以使引入装置的液体排出去，从而 保证装霭外部的液体能不断的进入到装冠小来。 根狮天然水母可以凭借其伞状头部来包容着庞大体积的液体红 j x l 浪中随波逐流，我们可以将储汕箱i 5 计成天然水母的头部伞的形状一 钟罩型，因为天然水母是个柔性休，所以我们可以将储油箱也设计成柔 性n j ，她着回收石汕的增多，储汕轿会变的越来越大，直到全部充满，我 们就可以将它回收回来。 根据天然水母的外形，我们将装罚的壳体设汁成恻枉形：为了j 博加装 置的稳定性，我们将装蹬的底部砹计成倒锥形：根据天然水母的平衔班， 我们可以设计在装置的四周安装8 个圆柱型的浮体这样就可以使整个装 。群浮在海面上。 t 22 人工水母模型的设计要求 该项目j j 要为创新肚波计，其创新l “9 c 足仿i - 机槭。的r j l 入。为- ，确 化设计过程以及设计计算，同时也为了阶低成本，我们首先只讨论f i ：实验 室条件下的人工水母模型的设计。具体实验室的条件如下： ( 1 ) 在室温环境下工作，最高温度不超过3 0 ： ( 2 ) 试验水池可q i 入海水，而n 可以允i ：可以j 1 。q i 水波羽l j x l 浪。 存砹计该装眦时，需要满足如下儿个方i 啊的要求： ( 1 ) 在功能方面：我们要求没计出的装置要尽可能的把水而上的溢汕 迸行回收经该装翟回收网来的油水混合物可以吲到地丽或者船上进 j ： 进一步的处理：山于溢汕习i i 设并不是经常发生，而且一一h 发：i - ，门溢汕 足很快的，所以该装戳| | j ：仁作时叫不会很 乏，也就是晚，改舔 海1 溢汕川收人l 水 模! 型i 盐戍儿特衍分忻 的寿命要求不是第一位的。同时，因为溢汕事故发生是个巨大的灾难，所 以我们最后研发的装置一定要保证其功能可靠性。 ( 2 ) 在经济方而：我们设汁时要从产品制造成本j 二进行综合考虑，以 能获得最大经济效益的方案为最佳设汁方案，也就是在满足各个方晰的要 求的同时，成本最低的方案就是最佳的设计方案。 ( ：3 ) 在造型方面：因为我们这次设计出来的模型主要用于试验观察， 所以没计的装置要能观察到装胃内部的运动情况，这就要求我们尽艟采j j 透叫的利制。 23 人工水母模型的原理设计 人：( 水母的概念提f j ：来之后，下两的问题就是要确定其吲收溢汕的原 理。现有的回l 改溢油用收汕机的原理划我们确定所设汁的人：1 水：_ j ：帧j n 原理是很好的借鉴。下面我们就根据现有的收汕机的分类，介绍一r 卜儿种 溘f i l l 回收的原四1 2 31 收油机原理 一般情况下，收油机分为如下儿类”： ( 1 ) l i i j f f 式l i 女n i 】材l 粘附式收i j | | 机是通过利用对溢汕具有粘附性f 0 材料( ! 【| | 盘片、宽带、l 贩 油刷、或吸汕绳等) 的连续运动，将具有一定粘度的溢汕带 离水丽，并利删 其他装渴1 ：阿溢油从粘附材料上分离下来，达到吲收溢汕的目的。 粘附式l 改汕机不适用于 i j l 层较薄的情况；剥于低粘皮的溢汕，籼附 i 恢汕射【儿乎- l 起tj 。么4 1 ：j 1 j ，而j l 】1 二j 断4 ；1 i 俊的溢汕的比! 压j j 】1 f 舌比较人，j 昕以 在被向上带起的过程中，高粘度溢油通常会由于自身的重力而_ f ： 落，因此 一股枯附式的收油机通常只剥油层较厚的叶叫竹发溢汕起作用；秕刚式收汕 机般也不适用于有水流的情况。 粘| ；f 式l 恢油机是最早在国际上被发明的，也是被蛊传最广的收 j | | 机。 海溢汕川收人丁水蝉 ； 型啦计及1 l 特征分析 但山于其l 亘i 收溢汕的彻底性比较低，接触溢汕的速度也比较低，因此其在 实际应j 1 _ 】叫，回收溢汕的效率很低，i 司时回收起来的溢汕易产生乳化现象， | 亘i l i 父物中的含水量也比较多。 ( 2 ) 堰式收油机 堰式收油机利用特别设计的带折堰的收汕头，将水表层的溢汕通过特 ：| j l j | | j 泵抽吸到贮自i l 容器巾，达到i 亘| 收浮汕的目的。 堰式收汕机的特点是直接对漂浮的汕层进行回收，凶此其彻底叫收溢 汕的效率比较f 舒，而且对溢油的粘度也没有限制。但普通堰式收汕机划波 浪和水流的适用性较差，在汕层较薄或有风浪的情况下比较容易同时回收 大量的水，即使在静水条件下列中薄厚度的汕层也会同时回收大量的水( 通 j ：r 汕j ll ! l2 0 一： ( ) 甚至更低) ，这往往浪赀了现场柯限的泵力资渊干贮仃l 叫。凶此，堰式收油机通常只适用于静水情况下、汕层较厚的各利，粘度的 溢汕。 一般情况下，在油层较薄、贮油能力不足、有水流或j x l 浪较大叫，应 避免使川普通的堰式收油机，而应选择具有可洲：1 ，功能的堰式收汕机。除 非有特别的设计，否! j l | j 水瓶f | 勺漂浮垃圾会堵塞收 1 l l 口，j = = l 断溢汕删i 改的操 作。j 以，刊5 ( 汕机j 活动l t j 勺部件 m 少，除二i | ：崽外的到f 敝，般一：需婴进行| ： 常的维修保养。 ( ：j ) 抽吸式收汕机 抽吸式收油机也称为真空式或气流式收油机，其工作原理都是利_ i | 大 功率的真空泵所产生的真空气流，经过吸汕管，将水面的溢汕回收j 世来。 抽吸式i 恢油机主要适用于j r 静的水i 河，通常对。l i 、低粘度的溢j 1 | i ，比 重较轻的溢汕起作用，通常只适合回收汕层较厚的溢汕，划高粘皮以及比 重大的溢油效果较差。 抽吸式收汕机能够彻底回收溢油，而且接触溢汕的速度比较低。山于 , i j 能刖叫叫收火量的水，所以在现场贮汕能力较小时应避免使用。抽吸式 收汕机也可以应付水上少量的小块漂浮垃圾，但在有水流的情况下应避免 l ：塑塑坐叁堂些! ：堡些堕兰 塑：l ：堂型! ! ! 叁! 查兰堕墼堡些旦兰望羔堕堡! ! 丝一 馊川。 ( d ) 4 ：e 他收汕机 该类收汕机包括涡流式收汕机及多种型式组合在一起的收油机。涡流 式牧汕机足迎过剥刚旋转n 勺叶片所产生涡流的向心力的i f ：明，将收 l | i 机删 的浮汕在m t 心区域集中并通过泵拘： t - j l h 走，达到回收浮汕的目的。各种 组合式f i f j 收 l i l 机足将以一l - 两种或州利以上型武的收汕机组合使用n q1 恢油i 5 2 符，以兜服某种单一型式收汕机的不足或缺陷： 如蚓2 - 2 所示美国专利1 0 0 3 5 ，8 9 3 1 就是论述了利用漩涡原圳_ ：回 收溢汕的方法。其一i ，i o o t t 表整个装幽! ：1 0 l 代表漩涡生成器( l ：i r 一个旋 转的轴裥装毛i e 上n 勺叶片组成) ：1 0 2 代表嘲栏，主要是将待回收的溢油 水的混合物住：10 3 代表溢汕在一：l 心旋转轴的附近堆积：l 0 4 代表溢汕n 勺 小l i ：1 ：2 代表牵引吸力；p 代表溢 i h ；阱表水。 1 0 2 图2 - 2 渡涡二争利“ 整个装筒1 0 0 f ：l 二作时，通过中心旋转轴的旋转，它与其未端的i i i ”绀 茂的漩涡生成器1 0 1 就会产生一个漩涡，而区i 为溢油的比重小于水的t t 亟， 海i 湔汕川收人t 水惮模型改计及j c 特 | | ：分析 溢 i l l 总足浮存水的表矶，j 听以溢f 】| j 会在水1 忆i ：n 0 旋转轴附近巾；积，m f ? 2 一 作川h 堆积的溢i 1 1 会j l | 1 过f l j1 110 4 源源卅i | ! j i 的被倒收。 23 母的 筛选 最佳 的采 i 改油 ：附溢 2 人工水母的基本原理 根据人：l 水刨 l _ 念的提出，借鉴现仃的溢汕叫收原理，我们刈人：一水 丛本构架删每水吲收溢i | | i 的原理提出过 l ；! 多种方案。经过反复的比较 ，多次刀：会讨论，最后我们认为采川利川漩涡原理来回收溢汕是其叫_ i 的方案。下面我们简要的概述一下我们曾经讨论的其中：j 种比较腆型 用漩涡原驯进行溢汕i 亘j 收的方案。 ( 1 ) 第一j f j l | ；方案为组合式的回收溢汕装簧，如图23 ，它综合了堰式 机刷游涡式收汕机i l j 特，篡。主要是利刚了天然水母的胃j ：= f ：流的特征 汕剁水的烈合物通过溢流l = i 进入装黼内部。该装簧利川了：3 个喇：彤 体使整个装。i 岢浮在水上，装筠：i j , j 部的，出| ! 乏收材料是为了吸收装霄小 的多余的溢i l | j 。 该装筒要放谢在一个限定的区域，工作| 】：j ，整个装嚣浸没在水l _ | = i ，) l ： 动水采和发动机，使水排i i j 装置，从而山 物从装攒的入i l ( 溢流i - i ) 刁；断的进入， 而漩涡形成，经一个剁坡缓冲，溢汕和水 于溢a 分离，当溢汕的上表到达储油箱上汕泵 于落差的形成使溢：) i | | 和水 发动机带动漩涡生成器2 1 f 1 j 淞合 的混合物被油泵引入分离聋i ；j - ， 物在分离箱实现溢汕和水的i 的高度时，则汕泵： 作将石“ 这种方案总结下米有如下f i ：j 主要缺j ：i ： 整个装尚1 利用的油泵和水泵数量较多，从而采用的动力装筒也比较 多，这就造成控个装筒比较繁琐和复杂，这剥我们进一步的进行绌构砹i - 增加了难度。 漩j i l j 3 生成* * 生成的漩涡是将溢汕堆秋存中心旋转轴的_ | ；i j ，昕皱j 譬 分离筘上的汕泵的位臀处二j 二小心旋转j = | | | 的最外缘，所以川收到分离衔的水 畸， ， u 缸 从 动 耋l 澍i ：浠汕川收入r 水摊模型改汁发l e 特征分斫 就会比较多，效率很低。该装罱经过分离箱再做二次分离，这就造成了空 州上和资源上的浪费。 一 、j t 谚、 ， 、 l1厂_ l 一 一 、? 图2 3 人工水母原理发计方案 海i ：溢汕川收人 ：水母模型改汁及je 特征分析 装冠采用溢流口作为入口，水诃上的波浪和风浪都会剥装嚣回收溢 油产j