开题报告-基于可再生能源的海洋载运装置的设计分析.doc

中国海洋大学本科毕业设计开题报告题 目 基于可再生能源的海洋载运装置的设计分析院、 系 工程学院机电工程系专 业 机械设计制造及其自动化年 级2011级学生姓名 学 号 指导教师 教务处制表 2015年4月2日一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值人类社会已经步入二十一世纪的第二个十年， 作为世界主要能源来源的煤、石油、天然气等非可再生资源日渐枯竭,碳排放量过高所带来的温室效应以及生态环境破坏所产生的负面影响日渐严重。近年来，世界各国都在大力进行着清洁可再生能源的开发与利用工作，由太阳能、风能、海洋能、生物能、地热能及其他可再生能源组成的新能源的开发利用已成为当今世界各国重大研究课题。海洋能是海洋中蕴藏的可再生自然能源的总称,它包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能等。波浪能作为海洋能的一种,是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。它是海洋中蕴藏最为丰富的能源之一,也是海洋能利用研究中近期研究得较多的能源之一。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能中最不稳定的一种能源 , 但其品味最高、分布最广且能流密度大。海洋是全球生命支持系统的重要组成部分，也是人类社会可持续发展的宝贵财富。随着陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题的日益严峻，人类将目光转向了占地球表面 71%的海洋。然而，海洋观测大尺度长时序的特点以及恶劣的作业环境和昂贵的监测成本，迫使人类开发一套不受能源限制可长期大范围作业，而无需维护的低成本自主操作平台，以延伸人类了解世界海洋的触角。目前，海洋环境监测主要包括调查船、浮标、潜标、海床基、漂流浮标以及航空遥感等。其中，传统的调查方式需消耗大量人力、物力和财力，且不易实现对恶劣环境和敏感区域的调查。当前， 国际上出现的波浪动力滑翔机（Wave Glider）就为海洋观测技术提供了创新思路。该平台巧妙地利用海洋环境能源实现了长时间大航程的观测作业，并通过卫星与监控基站之间进行指令和数据交换，而且总体制造成本较低，有着广阔的发展前景。目前，该技术已经成为海洋观测网络构建的基础平台首选的监测工具。在国际海洋环境监测技术发展的大背景下，我国的监测技术亟待提高，为此，我们采取引进、消化、吸收和再创新的研发路线，开展具有自主知识产权的波浪动力滑翔机观测平台的国内新型海洋监测技术研究。本次课题设计主要是基于国内外已有的波浪滑翔机进行结构的优化和设计，改善目前的滑翔机存在的效率低，姿态调整困难等缺点，使其能够更加适应各种恶劣的海上和水中环境，在节约能源的基础上使得海洋监测持续时间更长，距离更远，检测环境更复杂，以便于提取更多海洋中的水文数据，为我们国家的海洋监测和开发事业提供更多支持。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献1. 国外研究现状2005 年，Roger Hine和 Joseph D Rizzi 为跟踪考察驼背鲸的生活规律而发明了在海上工作数月而无需维护的利用海洋环境能源的自主运动平台波动滑翔机。2006 年，Liquid Robotics 公司成立并专注于波动滑翔机的研发生产。2007 年，波动滑翔机经历了飓风 Flossie，验证了其可抵御 3 m 浪高海况和 20 m/s 风速的恶劣海况的能力。随后，波动滑翔机在调查阿拉斯加海岸时，遇到了 6 m 浪高海况和 25 m/s 风速，并可安然无恙的工作。2008 年12月布放的名叫 Stripes 的波动滑翔机，已经累计海洋作业600天，航行25000km。名叫 Honu 和 Kohola 的波动滑翔机从夏威夷出发航行 4 400 km 用时 79 d 到达旧金山。名叫 Red Flash 的波动滑翔机从墨西哥出发到达阿拉斯加，途中在 25 m/s 风速和 6 m 浪高的海况下完成了站点保持作业。2009 年 4 月，波动滑翔机在Monterey Bay海洋生物研究所布放的深海锚系浮标 M2 附近实现了50 m 半径的站点保持，随后，研究人员对波浪动力滑翔机与 M2 的传感器数据进行了对比，除了温度有所差别之外其他数据吻合较好。2011 年 9 月，Savannah Ocean Exchange 宣布Liquid Robotics 的波浪动力滑翔机获得了湾流航空公司的价值 10 万美金的 2011 年度湾流领航奖。2011 年 11 月，4 个波动滑翔机从 San Francisco 出发经过 4 个月 6 000 km 的航行到达夏威夷。此后，其中两个穿过赤道向澳大利亚前进，另外两个跨过世界上最深的玛丽亚娜海沟前往日本。在持续 12个月的航行后，4 个波浪动力滑翔机均在 2012 年底到达目的地，整个航程总计 16 600 km。美国 Liquid Robotics 公司生产的 SV 系列波浪动力滑翔机包括 SV2 和 SV3 两种，如图1-1所示，其平台基本参数如表1-1 所示。其中，SV2 是第一台交付应用的波浪动力滑翔机平台，SV3相比于SV2有更大的负载能力和实时数据采集、处理的能力。 图1-1 波浪滑翔机SV2（左）和SV3（右） 表1-1 SV系列滑翔机相关参数2. 国内研究现状 目前，国家海洋技术中心已研制出一套波浪动力滑翔机系统，并通过海试试验验证了该平台系统的可行性；国家海洋技术中心还研发了一套波浪动力滑翔机波浪动力模拟测试装置，在实验室水池模拟该平台在海洋波浪作用下的运动状态，测试平台的波动推进效率。中国船舶重工集团 710 研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学、中电科技集团第三十六研究所、上海交通大学对波浪动力滑翔机的研究都处于原理样机的试制阶段。至今为止，国内针对波浪动力滑翔机的研究仍处于起步阶段，关于该平台的结构设计或动力学分析相关的参考文献资料较少。3. 实际发展现状许多政府机构、科研院所、公司或个人开始跟 Liquid Robotics 公司展开广泛合作：英国石油公司 BP 购买并应用波浪动力滑翔机在蒙特利尔湾进行水质监控，以防止钻井平台海上泄油事件再次发生；蒙特利尔海洋生物研究所利用波浪动力滑翔机在加州海岸记录监视藻花；Scripps 海洋研究所将高频声学记录包(HARP)安装在波浪动力滑翔机上实现海洋哺乳类动物的长期跟踪监测；Teledyne 公司的声学多普勒流速测量仪 ADCP 集成在波浪动力滑翔机上面，试验结果亦十分理想；美国国家海洋大气管理局资助波浪动力滑翔机的大尺度测试，用以测定海洋中因石油燃烧产生的二氧化碳和温室气体含量的增加程度。美国海军因波浪动力滑翔机具有隐蔽性和长期静音的特点，将其用于巡逻海岸，侦察敌方舰船以及跟踪索马里海盗。Liquid Robotics 公司总部内部设置两个巨大的屏幕跟踪着 60 多个在海洋中航行的波浪动力滑翔机，试图建立全球海洋环境观测网络。该公司还将波浪动力滑翔机投放到日本东海岸进行核辐射监测；另外，还投放到北极溶化冰山附近进行海水盐度的测量。美国海军气象与海洋司令部利用波浪动力滑翔机测量全球的大气和海洋状况，以协助舰船和军队完成作战部署。美国情报机构利用波浪动力滑翔机收集大量音频和视频文件，并通过卫星将数据传回情报基地。Liquid Robotics 公司将带有侧扫声纳的拖鱼挂接在水下牵引机尾端，以勘探地形地貌，实验效果良好。波浪动力滑翔机已经被广泛应用于勘探海底地形，监测海岸污染，巡航海洋保护区，改善渔业生产状况等。美国科学家说过，单个波浪动力滑翔机堪比哈勃太空望远镜窥探宇宙实现人类对世界海洋的探索，多个波浪动力滑翔机堪比人造卫星构建太空网络实现人类对海洋观测网络的构建。目前，我国处于波浪动力滑翔机相关技术研究和试验样机研制的起步阶段，正因为如此，我们可以预见其广阔的应用前景和很高的社会价值和经济效益。在对其进行总体结构设计和动力学分析时，需考虑各种传感器的搭载方式、需要预留的空间尺寸和搭载重量等，因此对水面母船和水下牵引机的外型都会有特殊的结构要求，另外其搭载方式也会对平台的平台运动性能和波浪推进效率起到一定的影响。本论文基于波浪动力滑翔机移动观测平台的关键结构开展理论研究，为研制出具有自主知识产权并能够实现海洋环境参数监测的波浪动力滑翔机工程样机奠定基础。参考文献【1】 杨燕，张森，史健，等波浪动力滑翔机海洋环境监测系统J海洋技术学报，2014，32（1）：109-114【2】 孙秀军混合驱动水下滑翔器动力学建模及运动控制研究D天津：天津大学，2011【3】 Tougher B. The Wave Glider: A New Autonomous Surface Vehicle to Augment MBARIs Growing Fleet of Ocean Observing SystemsA. American Geophysical Union ConferenceC. 2011.【4】 Manley J.E. Unmanned surface vehicles, 15 years of developmentA. IEEE OCEANSC. 2008: 1-4.【5】 Brown P., D Hardisty, T. Molteno. Wave-powered small-scale generation systems for ocean explorationA. IEEE OCEANS 2006-Asia PacificC. 2007: 1-6.【6】 蒋新松，封锡盛，王棣棠水下机器人M沈阳：辽宁科学技术出版社，2000：289-291【7】 沈庆，陈徐均，江召兵浮体和浮式多体系统流固耦合动力分析M北京：科学出版社，2011：61-86【8】 Hussain N.A.A., M.R. Arshad,R. Mohd-Mokhtar. Underwater glider modelling and analysis for net buoyancy, depth and pitch angle controlJ. Ocean Engineering, 2011,38(16): 1782-1791.【9】 Ngoa P., W Al-Sabbana, J Thomasb, et al. An Analysis of Regression Models for Predicting the Speed of a Wave Glider Autonomous Surface VehicleA. Proceedings of the 2013 Australasian Conference on Robotics & Automation,Australian Robotics & Automation AssociationC. 2013: 1-10.【10】 朱光文.我国海洋监测技术研究和开发的现状和未来发展J.海洋技术，2002，21（2）：27-32.【11】 王延辉，水下滑翔器动力学行为和鲁棒控制策略研究：博士学位论文，天津：天津大学，2007.三、研究内容1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）1.1 学术构想与思路基于可再生能源的海洋载运装置主要基于国外比较成熟的波浪滑翔机，通过查阅文献，了解波浪滑翔机的结构组成、运动原理，在此基础上对此结构的关键组成部分进行参数的设计，分析和优化，并进行样机的制作，从而研发出更加高效、结构更加合理的以波浪驱动的海洋载运装置。1.2 主要研究内容波浪动力滑翔机是由漂浮在水面上的水面母船和浸入水中的水下牵引机两部分结构组成。水下牵引机设计有对称分布在两侧的 6 对水翼，水翼能够同时上下摆动。波浪升起时绳缆对水下牵引机提供拉力，水下牵引机整体上升的同时其水翼会随之向下摆动，六对水翼在水动力作用下驱动水下牵引机向前运行；波浪回落时，绳缆松弛，水下牵引机整体向下运动，而六对水翼同时向上摆动，在水动力作用下同样会产生前向运动。因此，波浪动力滑翔机就能在源源不断的波浪起伏运动作用下长时间持续向前运行。本次设计的主要内容有：1.对波浪滑翔机的的双体机构的工作原理的分析2.对水面母船，缆绳和水下牵引机进行参数的改进，通过计算和分析验证参数的合理性。主要设计参数包括机构的长宽高、母船和牵引机的材料选择和重量，牵引机翼板的形状、长宽等。3.利用软件分别针对水翼翼型、水翼分布间距和水翼最大摆角限位三个考察参变量对水下牵引机水动力性能的影响进行计算和分析；绘制各个考察参变量在不同海况下的水动力特性曲线并确定水下牵引机的关键结构参数。4.利用 MATLAB 软件对波浪动力滑翔机进行运动仿真。5.样机的制作。1.3 拟解决的关键问题 本次设计重点在于水下牵引机的关键机构的参数设计和双体结构的连接方式，通过设置对比数据，进行强度校核和力学分析，从而确定水上母船的浮体材料和水下牵引机的材料，并确定尺寸、重量和摆动角度，利用软件构建对比图标，找到最优数据，使牵引机和母船更好的结合和调整姿态，使其在真实海洋环境中也能实现特定路线的运动，并且使得运动速度上升以提高载运装置的效率。2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析2.1 研究方法文献研究法：通过搜集与整理国内外关于波浪滑翔机的的文献，形成对其工作机理，组成结构的全方位的认识，进而在此基础上提出结构的改进和参数的优化设计。跨学科研究法：本次设计不仅是简单的机构设计，而是需要将其放在实际海洋环境中进行思考和设计，不仅需要具备机械专业的设计理论，更需要学习其他学科的相关知识，比如海洋环境，波浪原理，流体力学等。模拟法：通过solidworks进行机构的三维建模，利用fluent软件进行流体环境的数据模拟，利用MATLAB软件进行运动仿真，从而实现参数的优化设计。实验法：在得出科学的理论数据后进行样机的制作，并将其置于实际海洋环境中进行实验，验证其可行性，找到其中存在的缺点并不断加以改进。2.2 技术路线及实施方案对波浪动力滑翔机双体机构的工作机理进行分析，提出了水面母船和水下牵引机结构设计的关键点，对其结构的合理布置和一些关键结构的选型进行阐述。本次结构设计主要包括三方面，分为海上母船、水下牵引机和连接结构，通过继续搜集整理相关文献资料，明确研究现状及目的，对波浪驱动原理进行分析研究，确