【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)快速地發(fā)展,我國提出“一帶一路”的倡議構(gòu)想,“海上絲綢之路”建設(shè)成為“一帶一路”倡議的重要組成部分,合理開發(fā)、利用海洋資源在21世紀(jì)變得尤為重要,而了解海洋是合理開發(fā)、利用海洋資源的前提條件。隨著全球氣溫升高,溫室效應(yīng)加劇,海洋氣候、環(huán)境不斷惡化,極端天氣頻發(fā),人類對海洋的開發(fā)和利用存在著諸多不確定因素。對海洋環(huán)境的監(jiān)測,不僅可以用于海洋氣候模型、海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)、天氣預(yù)報(bào),還可以用于漁業(yè)生產(chǎn)。對海洋環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測,可以幫助漁業(yè)研究者分析預(yù)測海洋漁場的形成、遷移、運(yùn)動等規(guī)律,從而指導(dǎo)人類進(jìn)行漁業(yè)生產(chǎn)活動。海洋剖面浮標(biāo)作為一種海洋觀測平臺被應(yīng)用到海洋觀測中,有體積小、布放方便、自主觀測、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。而深海剖面浮標(biāo)的研發(fā)和使用可以更加準(zhǔn)確、有效地構(gòu)建與海洋相關(guān)的分析統(tǒng)計(jì)模型,更深層次地了解大洋環(huán)流、海水能量交換,幫助人們了解更深層次的規(guī)律,從而服務(wù)于人類社會。目前,我國的剖面浮標(biāo)主要以國家海洋技術(shù)中心的COPEX和中船重工710所的HM2000為代表,這兩款剖面浮標(biāo)均為常規(guī)剖面浮標(biāo),測量深度為2000m左右。國外的深海剖面浮標(biāo)已經(jīng)投放市場,而國內(nèi)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)對深海剖面浮標(biāo)的需求熱度不斷在增高。在此背景下,本文選擇了“基于可靠性的深海剖面浮標(biāo)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化”,作為研究方向。圍繞著深海剖面浮標(biāo)的設(shè)計(jì)問題,本文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究:本文首先回顧了剖面浮標(biāo)的發(fā)展歷程,對國內(nèi)外現(xiàn)有的常規(guī)剖面浮標(biāo)和深海剖面浮標(biāo)進(jìn)行了比較研究。剖面浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上決定了剖面浮標(biāo)的總體設(shè)計(jì)�，F(xiàn)有的常規(guī)剖面浮標(biāo)都采用圓柱形外殼設(shè)計(jì),而深海剖面浮標(biāo)大部分則采用圓球形耐壓設(shè)計(jì),為深海剖面浮標(biāo)耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。為選取合適的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,對幾種常用的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)方法進(jìn)行了比較研究,并通過齒輪減速器算例進(jìn)行了比較分析。針對齒輪減速器CO算法不收斂的問題,進(jìn)行了多種構(gòu)造和改進(jìn),結(jié)果表明構(gòu)造形式和松弛因子均對優(yōu)化結(jié)果有影響,改進(jìn)后的CO構(gòu)造能夠較好地求解出滿意的優(yōu)化結(jié)果,并給出了各種多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的適用范圍,方便研究者們在面對多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算問題時(shí)對算法進(jìn)行選擇。深海剖面浮標(biāo)的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其上浮下潛運(yùn)動的前提。對現(xiàn)有的常規(guī)剖面浮標(biāo)及深海剖面浮標(biāo)進(jìn)行了深度剖析,并對其浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。為滿足我國南海需求,將深海剖面浮標(biāo)的設(shè)計(jì)深度定位在4500m,根據(jù)該設(shè)計(jì)目標(biāo)制定了設(shè)計(jì)方案,提出液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對相關(guān)部件進(jìn)行選型。為了測試液壓部件的性能參數(shù),通過液壓測試臺,模擬海水壓力,測試關(guān)鍵液壓部件的壓力流量特性曲線、泄漏情況及能耗,為后續(xù)多學(xué)科模型的建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對深海剖面浮標(biāo)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)電機(jī)的能耗成為深海剖面浮標(biāo)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要矛盾。為節(jié)約能耗,提出了一種間歇啟動電機(jī)的控制模式,驅(qū)動液壓泵將內(nèi)油囊液壓油排向外油囊。根據(jù)關(guān)鍵部件的壓力流量特性曲線、功耗以及海水密度變化情況,分別對深海剖面浮標(biāo)在深海環(huán)境下是否產(chǎn)生壓縮進(jìn)行了運(yùn)動模擬研究,模擬結(jié)果表明該間歇式控制策略節(jié)能50.69%,同時(shí)可獲得深海剖面浮標(biāo)單周期運(yùn)動所需能耗。深海剖面浮標(biāo)的設(shè)計(jì)需要滿足結(jié)構(gòu)、重量與浮力平衡要求。然而,在選取大量滿足結(jié)構(gòu)要求和平衡要求的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動模擬研究發(fā)現(xiàn),不是所有滿足結(jié)構(gòu)要求和平衡要求的設(shè)計(jì)點(diǎn)都是合理設(shè)計(jì)點(diǎn)。合理設(shè)計(jì)點(diǎn)除了滿足結(jié)構(gòu)和平衡要求外,還需要能穩(wěn)定下潛到最大設(shè)計(jì)深度,發(fā)現(xiàn)深海剖面浮標(biāo)敏感設(shè)計(jì)區(qū)域。該敏感設(shè)計(jì)區(qū)域的設(shè)計(jì)點(diǎn)可能使得設(shè)計(jì)的深海剖面浮標(biāo)失效或不能到達(dá)指定的最大工作深度。因此,建議深海剖面浮標(biāo)在設(shè)計(jì)過程中避開該區(qū)域。該敏感設(shè)計(jì)區(qū)域的發(fā)現(xiàn),在一定程度上可能有助于解釋目前國產(chǎn)常規(guī)剖面浮標(biāo)不能到達(dá)預(yù)定設(shè)計(jì)深度這一現(xiàn)象。本論文的核心工作是基于可靠性的深海剖面浮標(biāo)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型(RBMDO)的建立。將深海剖面浮標(biāo)分解為水動力、結(jié)構(gòu)、重量及平衡、體積、能量五個(gè)模塊。在水動力學(xué)科的優(yōu)化過程中,提出了平均等效速度的概念用于模型優(yōu)化。深海剖面浮標(biāo)的設(shè)計(jì)依存于玻璃浮球,玻璃浮球不僅為非耐壓結(jié)構(gòu)提供了安全可靠的環(huán)境,同時(shí)為深海剖面浮標(biāo)提供浮力,玻璃浮球的結(jié)構(gòu)性能是深海剖面浮標(biāo)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。因此,深海剖面浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)模塊主要考慮玻璃浮球的耐壓和變形。運(yùn)用ANSYS對不同尺寸、不同厚度的玻璃浮球進(jìn)行靜力學(xué)分析,取深海壓力為最大設(shè)計(jì)測量深度的1.2倍,工作環(huán)境下得到了不同尺寸、不同厚度的玻璃浮球在設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)力公式,并用于耐壓結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化,確保玻璃浮球的可靠性。將重量模塊作為系統(tǒng)級的優(yōu)化目標(biāo),該模塊對深海剖面浮標(biāo)的重量和浮力進(jìn)行平衡計(jì)算。由于地球引力導(dǎo)致重力、加速度在不同的經(jīng)緯度之間會產(chǎn)生微小偏差,而不同海區(qū)之間的海水密度也存在著一定的偏差。因此,在該模塊中,同時(shí)考慮了自由配重。自由配重的作用是為了方便不同海區(qū)密度變化或環(huán)境等因素的影響,對深海剖面浮標(biāo)的重量進(jìn)行微調(diào),適當(dāng)增大或減輕重量使得深海剖面浮標(biāo)能滿足測量要求。通過能耗、艙內(nèi)固定設(shè)備的體積即可優(yōu)化計(jì)算所需總體積。本文對可靠度方法進(jìn)行了比較,并通過載人球極限耐壓公式進(jìn)行了算例分析;對主流的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化算法進(jìn)行了比較,并選用單循環(huán)算法對齒輪減速器模型進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)單循環(huán)算法可以較好地運(yùn)用到可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化中。為了實(shí)現(xiàn)測量周期的最大化,提出了基于CO方法的雙循環(huán)算法。對深海剖面浮標(biāo)進(jìn)行RBMDO計(jì)算后,其總重量為47.808kg,總重量相對于MDO而言增大了42g。玻璃浮球的可靠度卻達(dá)到了99.87%,這很大程度上保證了浮標(biāo)在深海及復(fù)雜海況下能滿足設(shè)計(jì)要求,從結(jié)構(gòu)上保證了浮標(biāo)的可靠性,是提高浮標(biāo)生存能力的一種重要途徑。在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),使深海剖面浮標(biāo)的測量剖面數(shù)達(dá)到了124個(gè),比最初提出的100個(gè)剖面的設(shè)計(jì)增加了24個(gè)。
【圖文】：

圖 1-1Argo 浮標(biāo)的測量過程[169]Fig.1-1 Measurement process of Argo Floats[169]心觀測區(qū)域同時(shí)也從低緯度大洋擴(kuò)展到高緯度海區(qū)[6]。隨著傳緯度浮標(biāo)裝備有探冰傳感器，可以等到在無冰海區(qū)浮出水面

高緯度浮標(biāo)裝備有探冰傳感器，可以等到在無冰海區(qū)浮出水面時(shí)再發(fā)送測量數(shù)據(jù)，或?qū)y量數(shù)據(jù)先儲存起來，等冰蓋融化后再把測量數(shù)據(jù)發(fā)回地面，，與銥衛(wèi)星通訊相結(jié)合的高緯度浮標(biāo)的失效率與無冰海區(qū)相近。圖1-2為高緯度浮標(biāo)的測量過程。圖 1-2 裝備有探冰傳感器的浮標(biāo)測量過程[170]Fig.1-2 Measurement process of float Equipped with a ice probe sensor[170]截止2016年4月份，大約有18種類型的剖面浮標(biāo)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，其中早期使用的PALACE型剖面浮標(biāo)已被淘汰，其中美國生產(chǎn)的APEX型剖面浮標(biāo)最多，占4月份總數(shù)的50%左右，其次為法國產(chǎn)APVOR型剖面浮標(biāo)，約占12%。在18種浮標(biāo)中，超過100個(gè)以上的有8種
【學(xué)位授予單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P715.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2677169