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系泊系统的设计 摘要 本文主要研究了系泊系统的静力学分析问题。基于理论力学原理分析系 泊系统，建立了系泊系统的静力学模型，分析了不同情况下系泊系统的状态 问题。建立了针对系泊系统设计的多目标优化模型，给出了合理的系泊系统 设计。 针对问题一，利用力学分析方法建立描述系泊系统状态的静力学模型， 准确地描述了风速、水深等海况参数对系统所处稳态的影响。计算了在给定 海况下系泊系统所处的状态，给出了钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、 浮标的吃水深度和游动区域等系统状态参量，结果见表1。 针对问题二，利用问题一中建立的数学模型计算海面风速为36m/s 时系 泊系统的各状态参量。为使系泊系统正常工作，以重物球的质量为自变量， 链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角和钢桶与竖直线的夹角为因 变量，利用迭代方法，解决多目标规划问题，进而求得重物球质量为2100kg。 针对问题三，在问题一中建立的静力学模型基础上，补充考虑了海水流 场对系统的影响，建立了新的力学模型。应用新的力学模型对系泊系统进行 设计，使得系统在极端恶劣海况下仍能正常运转。得到系泊系统设计方案后， 分别针对每一变量对系泊系统的影响进而分析不同情况下系统的状态。 关键词：系泊系统 分析力学 有限元分析 多目标规划 MATLAB 1 一、问题重述 1.1 问题背景 近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成。 系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。设计系 泊系统时要考虑的主要问题是确定重物球的质量、锚链的长度、锚链的型号， 以期达到浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度都取最小值。 1.2 问题提出 作者搜集了相关资料，建立了数学模型研究了如下问题： （1）近浅海观测网的某型传输节点选用II 型电焊锚链22.05米，重物球的质量 为1200千克。现在将此型节点布置在水深18米、海床无起伏、海水密度为 3 3 1.025×10 kg/m 的海域。如果海水静止，计算海面风速为12m/s和24m/s 时钢桶 和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。 （2）在 （1）的假设下，计算海面风速为36m/s 时钢桶和各节钢管的倾斜角度、 锚链形状和浮标的游动区域。调节重物球的质量，使得钢桶的倾斜角度不超过5 度，锚链在锚点与海床的夹角不超过16度。 （3）设计出考虑风力、水流力和水深情况下的系泊系统，针对给出设计计算不 同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。 二、问题分析 对于问题一，主要是研究确定的系泊系统在确定风速、水深等参数的条件下 达到稳定状态的问题。要求出确定系统在确定条件下达到的稳态的参数。将复杂 系统分为若干部分，通过对子部分的受力分析，分别建立数学模型。通过若干重 要节点的受力将子部分的受力模型相联系，最终得到描述整个系泊系统的数学模 型。然后带入具体数据求解模型，得出稳态的参数。 对于问题二，主要是研究系泊系统在确定海况下的状态问题，而且要求调节 2 重物球质量以保证水声通讯系统设备的工作效果和确保锚不被拖行。由于问题二 依然在问题一的假设下，所以问题一中建立的模型依然适用。在问题二中要以重 物球的质量为自变量，链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角和钢桶与竖 直线的夹角为因变量，采用迭代方法，解决多目标规划问题，进而得到重物球质 量。 对于问题三，要求给出考虑风力、水流力和水深情况下的系泊系统设计，并 且要求分析不同海况下系泊系统钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水 深度和游动区域。由于问题三不再遵循问题一中的假设，所以首先要对系泊系统 状态分析模型进行相应的修改，补充水流对系泊系统的影响。然后依托新的系统 状态模型对系泊系统进行设计，使得系统在极限恶劣海况下仍能正常运转。得到 设计好的系泊系统后，研究其在不同海况下的状态。 三、模型假设与约定 （1）假设锚链是柔性的，不能传