海洋温差能剖面浮标运动系统结构设计开题报告

附 录附录A 开题报告毕业设计（论文）开题报告学 院机械学院教学系机电工程系专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名张瑞学号20161486指导教师薛冬阳毕业设计（论文）题目海洋温差能剖面浮标运动系统结构设计一、选题依据1. 研究背景 海洋是一个巨大时空尺度的开放性复杂系统1，在地球上,海洋占据71%的面积，海洋对人类的重要意义大概有以下几个方面：现代科学研究表明,最早的生命起源于海洋,可以说海洋是人类的生命摇篮；海洋里有丰富的水资源,负担着全球的水体循环系统运转,影响甚至决定了全球的气候变化；海洋里有丰富的生物资源,从全球生物资源的多样性方面,提供了生物科学研究的标本；海洋里有丰富的经济鱼类、藻类资源,为人类提供了食物、油脂、化工材料、物等等；海底有丰富的矿产资源,深海锰结核的矿藏比例是一个几乎无穷无尽的宝藏,海底也有丰富的石油、天然气、可燃冰储量；海洋自身的潮汐变化蕴含了几乎无穷的发电能源；陆地资源的缺失，让我们把资源获取的来源聚焦于海洋，勘探的手段对于资源的获取也越来越重要，为了能及时准确地掌握海洋环境态势，科学家建立了海洋监测网。包括在陆地上建立岸边及岛屿海洋站；利用船舶或者海洋监测平台进行辅助观测；建立海底观测网；投放浮标、水下滑翔机等专用观测设备；以及利用卫星飞机遥感监测等。但是，岸站及岛屿海洋站只能监测近海， 船舶与海洋平台监测范围有限，建立大范围的海底观测网耗资巨大，卫星与飞机也仅是辅助监测。因此，投放浮标、水下滑翔机等设备成为海洋环境监测的主要方法。对于这些需要长期地持续地在海洋中工作的设备，目前大多采用锂电池供电。而由于投放位置远，工作位置不固定。因此电池耗尽后就抛弃了，然后重新投放监测设备，耗资巨大。又或者是 定期上浮人工补充能量，这样又大大的限制了其工作深度和广度。因此世界各地的科学家都开始致力于提高海洋监测设备工作寿命的研究。2. 国外研究历程及现状1955年，英国海洋技术研究所的Swallow成功设计了世界上第一个 浮标2。1970年，美国科学家Rossy和Webb等人研制了SOFAR浮标3。1986年，科学家Rossby等人改进了SOFAR浮标为RASOF浮标，浮标作为声波接受装置， 通过低频声源网络向浮标发送定位信号4。1992年，Davis等人研制了自治式拉格朗日环流探测浮标（The Autonomous Lagrangian Circulation Explorer, ALACE），该浮标定期上浮通过Arogs系统定位和传输，由于不依靠 声学追踪网络，这种可自己压缩体积的浮标可全球范围内覆盖。在海面停留半天到一天， 以确保准确的定位和数据传输5。之后，在使用ALACE的过程中，由于浮标在测量流动的 时候要上浮下潜以及漂流，就提供了一个进行其他测量的平台。于是人们开始在浮标上加 装压力、温度、电导率等传感器，这些浮标被称为PALACE（Profiling ALACE）6。1994年，美国在太平洋建立锚泊热带气候观测阵（TAO），可直接获得数据。1998年全球海洋学家提出，在全球每隔3度布放一个浮标，形成海洋观测阵。通过新 一代的詹森雷达卫星，这些观测阵使得系统的观测全球海洋的温度、盐度、流动和风向成 为可能，通过这些数据，我们就能够定位重大气候变化发生的位置。这个计划取名Argo，Argo是一个全新的概念，需要全球的 海洋学家协同工作，全体获益。Argo由所有愿意投放并共享数据的国家组成，所有的数据 4 24小时内可以查询。为了提供所有浮标的变化信息，联合国教科文组织政府海洋学委员会 成立了Argo中心AIC，持续的跟踪浮标的位置。这些浮标设计寿命为至少4年。每年需要投 放800个新浮标来为维持全球共3000个浮标的海洋环境观测阵。之后的浮标都是建立在ROFOS以及PALACE基础之上，1994年，Ollitrault等人研制的 MARVOR浮标既能够进行卫星定位，同时又可以进行声波跟踪。这样使实时跟踪浮标位置 成为可能。1996年，通过增加水平运动，DAsaro使浮标能够严格垂直升降。最近几年，产生了很多新型的浮标技术来提高浮标的使用性能。自2000年底国际Argo计划正式 实施以来，在近5年的时间里，12个国际Argo计划成员国和团体，以及11个非成员国，已 经在全球海洋中布放了近3500个Argo剖面探测浮标7。图1 Argo浮标示意图国内研究历程及现状为了满足我国海洋监测、海洋研究及国家安全等需求。国家海洋技术中心于“九五”计 划末期开始进行浮标关键技术的研究，制作了原理样机。“十五”期间，在解决了浮标壳体 2000m耐压密封技术、Argos卫星数据传输技术、浮标重量调节、浅海区搁浅、卫星通讯故 障以及接受数据不完整等难题后，2002年成功地研制了属于我国的剖面探测浮标，并参加 了第五届国家Argo会议组的展示，命名为COPEX8。该浮标采用高压柱塞泵和双腔可变体 积皮囊结构设计，驱动能力达到25MPa；采用了低功耗控制电路软硬件设计技术，电路静 态电流不大于2mA；同时海洋技术中心还在计划国产化CTD测量仪。 中国船舶重工集团公司第七一研究所自2007年开始进行HM500型C-Argo剖面探测 浮标的研制工作，历时五年，经历了技术研发、用户使用和定型生产三个阶段，攻克了研 制和生产中的技术难题，各个阶段均进行了充分的试验验证，圆满完成了各阶段的研制和 生产任务。目前七一所研制的HM500型C-Argo浮标各项技术指标满足用户需求，且能实 现随船第三方投放，技术状态固化，具备批量生产条件和能力。HM2000型C-Argo剖面探 测浮标于2010年底开始研制，目前正在进行样机试验，试验效果良好，截止到2013年8月4 日，随船投放的HM2000型1号浮标已测量110个剖面，正常工作292天，目前仍然处于正常 工作状态。七一所研究的深海和浅海浮标，采用锂电池供电，使用单冲程柱塞泵驱动油 囊体积改变来调节浮标的浮力。采用海鸟CTD进行温度、盐度、深度的测量。通过北斗通 讯卫星与地面传输数据。由于壳体内空间有限，因此安装电池的数量有限，工作寿命有限。 对于用替代能源来提高自治式水下航行体的工作能力和工作寿命方面的研究，目前七 一所已经在进行波浪能驱动水下滑翔机的相关研究工作。尚无机构进行太阳能驱动的研 究工作。在海洋温差能驱动方面，目前国内有天津大学机械电子学院和上海交通大学海洋 工程国家重点实验室进行了相关的研究工作。上海交通大学的马捷教授对温差能驱动水下 滑翔机的工作机理进行了研究，并完成了系统仿真计算，为系统阀门的开度控制提供了理 论依据；对蓄能器的工作过程进行了热力学分析，为蓄能器的选择以及控制提供了技术支撑9。天津大学的王树新教授和牛占文教授，给出了系统热力学效率的计算方法，并提出 了提高效率的措施；对温敏材料正十六号凝胶的制备过程进行了研究，并测试了其工作性 能；制作了温差能驱动水下滑翔机的样机并在千岛湖进行了水下试验，成获了温度和压力数据101112。3.洋温差能剖面浮标的研究意义 1）海洋剖面探测浮标由于投放地域广，工作时随海漂流，因此电池用完后不再回收， 抛弃的锂电池会污染海洋环境，采用温差供能的方式将大大减少对海洋环境的污染。 2）为完成海洋立体监测网的建设，采用投放海洋温差能驱动剖面探测浮标的方式， 将大大减少投放浮标的数量且节省成本。 3）华盛顿大学曾经做过一项调查统计，对投放的800个APEX型浮标的运行状况进行 监控与分析。结果有34%的浮标中途发生故障，未能达到设计寿命。而这其中的44%是电 池故障原因造成的13，主要由电池组中一节或者多节电池的内部阻抗突然增大很多或经常 断路所致，而电池组中的剩余能量则已无法满足浮标的工作要求。采用海洋温差能驱动的 方式将大大提高浮标的可靠性。 4）目前，能源供应问题己成为我国水下探测设备长期自主运动和大面积水域远程观 测的主要制约瓶颈。浮标温差供电模块的研制，能提升我国海洋监测设备的工作能力，延 长我国海洋监测设备的工作寿命，提高我国海洋监测设备的覆盖范围。在研究该装置的同 时，掌握海洋温差能利用，相变材料合成等关键技术，缩短我国与西方发达国家在海洋探 测技术之间的差距。为我国在海洋资源开发、自然灾害预报、海洋科学研究、海洋军事探 测等领域的发展奠定基础。二、研究内容和研究方法海洋温差能驱动剖面探测浮标工作机理的研究：提出可行的工作原理，能够使浮 标利用海洋温差能产生能量。驱动浮标上浮下潜，并产生电能存储在电池中给控制系统和 测量设备供电。对浮标的上浮下潜运动过程进行建模与分析，为浮标的控制过程提供依据。通过图书馆、互联网、电子资源数据库等途径查阅大量文献，以及根据所学知识理解海洋温差能驱动剖面探测浮标工作机理、浮标动力性能等相关内容，理清海洋剖面探测浮标的发展脉络及研究现状，学习有关理论知识，获取等相关研究信息，为设计温差能剖面浮标提供思路和参照。三、预计可获得的成果完成温差能剖面浮标的总体结构设计，研究浮标组成以及工作原理，螺栓的选用及校核，浮标的运动分析，并绘制浮标的零件图，装配图。四、工作进度计划2019年12月一一2020 年1月查找收集相关资料,做好前期准备工作。2020年2月一一2012 年3月初认真阅读文本，分析整理资料，确定研究目标和思路。在老师的指导下确定大体框架，准备开题报告。2020年3月初一一2012 年3月中旬撰写说明书初稿，完成设计草稿，设计计算。2020年3月一一2012 年4月绘制零件图，绘制装配图。2002 年5月在老师的指导下进行修改完善，说明书修改，参加论文答辩。五、与开题有关的主要参考文献1 倪园芳温差能驱动水下滑翔机性能的研究D上海：上海交通大学，20082 DAsaro.E, D.Farmer, J.Osse, and G.DairikiA Lagrangian floatJournal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1996, (13): 1230-12463 R.E.DavisThe Autonomous Lagarangian Circulation Explorer (ALACE)JJournal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1992, (9): 264.2854 Dana.D.swift and Stephen RiserRAFOS Floats: Defining and Targeting Surfaces of Neutral BuoyancyJSwift and Riser, 1994, (11): 1079-10925 Sarah T.GilleStatistical Behavior of ALACE Floats at the Surface of the Southern OceanJGille And Romero, 2003, (20): 1633.16406 S.Bacon, L.R.Centurioni, And W.J.GouldThe Evaluation of Salinity Measurements from PALACE FloatsJJournal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2000, (18): 1258-12667 Feder, TArgo Begins Systematic Global ProbingJPhysics Today, July 2000: 50-518 余立中我国的海洋剖面探测浮标COPEXJ海洋技术，2003，22(3)：48-55 9 王俊雄，马捷等海洋温差能驱动系统的原理和结构J华北电力大学学报，2007， 65 34(2)：122-12510 王延辉温差能驱动的水下监测平台性能分析与试验研究D天津：天津大学， 2004 11 王延辉，张宏伟新型温差能驱动水下滑翔