海洋观测浮标系统波浪载荷及其运动响应计算
摘 要摘 要海洋浮标是一种由锚链锚定在海洋中的观测浮标为主体组成的对海洋水文信息和气象信息进行自动观测的海洋结构物，对于现代海洋环境立体监测来说，海洋观测浮标是其十分重要的组成部分。为了保障浮标可以完成其预定的海洋环境的监测以及信息的搜集任务，所以我们需要对浮标处在不同的海域情况下的运动特性进行研究。从而保障海洋浮标观测系统可以顺利的完成工作。运用建模软件GAMBIT建立起海洋柱形浮标的基本模型，并对模型进行了网格划分。结合水动力计算软件和规则波计算软件，运用三维势流定理计算了浮体的水动力系数，以及浮体在规则波的作用下的运动响应的规律。通过改变波浪频率研究了不同频率下浮体的运动响应。关键词：海洋浮标,运动特性 ,动力响应 目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景极其意义 1
1.2 海洋浮标的分类 2
1.2.1 漂流浮标 2
1.2.2 锚泊浮标 3
1.2.3 潜标 4
1.3 海洋浮标结构形式和锚泊系统 4
1.3.1 浮标结构形式 4
1.3.2 锚泊系统 4
1.4国内外海洋资料浮标的发展 5
1.4.1 我国海洋浮标技术发展状况 5
1.4.2 国外海洋资料浮标的发展状况 6
1.5国内外浮标的运动特性的研究进展 7
1.5.1 试验方法 7
1.5.2 数值方法 7
1.6主要研究内容 8
第二章 海洋环境载荷计算的基本原理 9
2.1 波浪的描述和波浪载荷的计算原理 9
2.1.1波浪载荷计算的理论依据 9
2.2 动态响应分析 15
2.2.1 系泊系统的动态响应分析方法 15
2.2.2 三维弹性杆理论 16
2.2.3 缆索动力控制方程 17
2.3 海洋浮标的受力计算 18
2.3.1 波浪力计算 18
2.3.2 锚链受力的计算（集中质量法） 19
2.4 外力作用下海洋浮标的运动响应 23
2.4.1 运动基本方程 23
2.4
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动态响应分析方法 15
2.2.2 三维弹性杆理论 16
2.2.3 缆索动力控制方程 17
2.3 海洋浮标的受力计算 18
2.3.1 波浪力计算 18
2.3.2 锚链受力的计算（集中质量法） 19
2.4 外力作用下海洋浮标的运动响应 23
2.4.1 运动基本方程 23
2.4.2 运动方程的数值解 24
第三章 Gambit软件在数值建模中的应用 26
3.1 Gambit软件的介绍 26
3.1.1 Gambit几何造型: 26
3.2 柱形浮标模型基础结构建模 28
3.3 小结 31
第四章 浮标的的运动响应及锚链受力情况分析 32
4.1 模型简介 32
4.1.1模型的参数及工况参数 32
4.2 浮标的水动力计算 33
4.3 规则波作用下柱形浮标的运动响应 35
4.3.1 波浪频率的改变对浮标的运动响应的影响 36
4.4 规则波下浮标锚链的受力情况 38
4.4.1 频率的改变对锚链受力情况的影响 39
4.5 本章小结 40
第五章 总结与展望 41
5.1结论 41
5.2 海洋浮标技术未来的发展展望 41
5.2.1 海洋浮标技术的发展目前存在的问题 41
5.2.2海洋浮标技术的未来的发展方向 41
总结 43
致谢 44
参考文献 45
第一章 绪论
1.1 研究背景极其意义
我们国家是世界上人口最多的国家,我国主要资源的人均占有率和世界平均水平相比还有十分大的差距,但是近年以来，我国的经济飞速的发展，对资源的需求在不断的增加。我们国家具有广阔的海洋国土面积拥有大量的宝贵海洋资源,如果我们能够大力的开发这些海洋资源，利用海洋发展经济，利用丰富的海洋资源来弥补陆地资源逐渐匮乏这一状态,这有助于我国解决资源不足，可利用的资源空间缩小，以及大力开发陆地资源造成的严重的环境污染等等问题。目前，我国周边海域的安全状况不是很好，许多国家都对我国的海洋领土的划分提出挑衅，在这种时后我们更应该大力发展海洋经济，这对于维护我国的海洋权益、扩展生存空间、形成新的经济增长点、促进海洋生态良性循环,如果想要保持我国的经济的可持续发展，我们就需要大力开发海洋资源，大力发展海洋经济。而海洋浮标对于监测海域环境，搜集海洋水文资料，探索海洋可利用资源起着十分重要的作用，所以大力发展海洋浮标技术对于我国加快探索海洋可利用资源以及发展海洋经济起着至关重要的作用。
海洋浮标是一种有锚链锚定在海洋中的观测浮标为主要组成部分的对海洋水文信息和气象信息进行自动观测的海洋结构物。对于现代海洋环境立体监测来说，海洋观测浮标是其十分重要的组成部分，海洋观测浮标具有自动，长期，连续收集海洋环境资料的能力。海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施，具有长期、连续、定点、同步、综合性、自动化等特点[]。在二十世纪六十年代左右，部分发达国家开始使用了海洋浮标观测系统来进行海洋水文气象等等资料的搜集，通过几十年的发展，海洋浮标观测系统的技术越趋成熟，浮标系统在海洋环境调查是非常重要的装备，因为海洋的环境气候条件十分复杂，要想搜集到海洋水文环境的资料，光靠人力是难以实现的。所以海洋浮标技术应运而生，它可以在复杂多变的海洋环境的条件下，对海洋环境要素进行全天候、全天时地连续的、定点的、观测，并且可以通过安装在其身上的仪器设备对观测所得的资料进行自动搜集，并且可以通过安装在浮标上的无线电设备将这些资料自动发送出来，从而实现人们对这一海域的海洋情况进行实时的了解。海洋浮标观测系统是一种可以对海洋环境进行全方位观测以及搜集资料的系统，它不仅仅可以观测和搜集海洋表面的水文，气象等等特征信息，还可以进一步的对海面以下的环境参数进行观测搜集；它还可以与飞机、卫星、海洋调查船等等探测设备一起，组成了探索海洋环境的立体化的监测系统，而这些监测方式已经被广泛的应用到我国的海域监测中了。
本文的主要目的在于跟据所提供的海域环境载荷特点，对浮体(海洋观测浮标系统)的波浪载荷及其运动响应进行计算。海洋浮标作为一种海上平台，其上面装有各种探测设备以及信息的搜集和自动发送的装备，是现代海洋环境监测中十分重要的一环。为了浮标可以完成其预定的海洋环境的监测以及信息的搜集任务，所以我们需要对浮标处在不同的海域情况下的运动特性进行研究。从而保障海洋浮标观测系统可以顺利的完成工作。
1.2 海洋浮标的分类
海洋浮标（海洋观测浮标系统）可以就观测对象的不同来进行划分，具体的是：海洋水文气象遥测浮标，海洋污染监测浮标，地震测量浮标以及多用途浮标等。 如果按所处海面位置的不同，海洋浮标（海洋观测浮标系统）可以分为：漂流浮标（Drifting buoy），锚泊浮标（Mooring buoy）以及潜标（Submerged buoy）[]。
1.2.1 漂流浮标
漂流浮标是依据科学试验以及海洋环境监测计划的需要而发展起来的一种观测平台，漂流浮标本身是不具备锚泊系统，它是随着海洋的洋流随机的流动。它具有造价低廉、体积小、适用范围广、使用方便等等特点，而且可以从船上或者飞机上到随机的海域进行投放。
对漂流浮标而言观测海流是其最主要的目的。要想完全排除风对浮标移动的影响以及对海洋表层洋流状况的感知的影响，这是几乎不可能的。把这种效应降到最低，是目前人们想出来的唯一办法。玻璃纤维或者含聚氨脂纤维的铝是漂流浮标壳体通常所采用的材料。TOGA计划中大规模的长期使用漂流浮标的实践证明了，气温传感器的可靠性和准确度是最好的,风向、风速传感器在海上工作是可靠的，但一般只能持续几个月。它的特点就是重量轻、体积小，锚泊系统简单方便，分为中性浮标、表面漂流浮标、各种小型漂流器等[]。Argo浮标又称自沉浮式剖面探测浮标,首先应用在国际Argo计划,故又称之为Argo浮标。Argo浮标是全球多个国家为了建立完善的海洋立体监测网络而研制的一种漂流浮标。Argo浮标通常是被投放于海域中让其随着洋流自由的漂浮，它可以对海洋次表层的水文环境要素进行测量，Argo浮标的通常测量的水深范围是水面以下，水深在1900m以内的各种海洋环境的参数。通常包括所测海域的海水的温度，盐度等等，而且Argo浮标可以通过安装在其上面的感应器记录海水的漂流的轨迹，从而可以得出测量海域的洋流的方向以及洋流的流动速度，这些资料对研究某一海域的海洋环境起着至关重要的作用。为了实现Argo浮标在海上的浮沉运动，人们在设计时会通过改变浮标内部的体积的大小来实现这一功能。我国设计制造的Argo浮标通常可以在海洋中自行工作两年左右，直至其电池能量耗尽。我国也于今年加入了国际上的ARGO计划，我国发展Argo的总体目标是，首先引进国际上新一代、先进的Argo剖面浮标，将这些引进的先进的Argo浮标投放到西北太平洋海域中，还有少量的投放到印度洋海域。从而初步建立起我国新一代的海洋实时监测系统，使我国可以成为国际Argo计划中的重要成员国。成为成员国后就可以共享目前全球海域中总计约3000个Argo浮标的资料，从而可以进一步的掌握全球海洋环境的实时状况，这样就可以通过吸取其他国家的大洋实时观测网的建设经验，以此来了解和掌握海
第一章 绪论 1
1.1 研究背景极其意义 1
1.2 海洋浮标的分类 2
1.2.1 漂流浮标 2
1.2.2 锚泊浮标 3
1.2.3 潜标 4
1.3 海洋浮标结构形式和锚泊系统 4
1.3.1 浮标结构形式 4
1.3.2 锚泊系统 4
1.4国内外海洋资料浮标的发展 5
1.4.1 我国海洋浮标技术发展状况 5
1.4.2 国外海洋资料浮标的发展状况 6
1.5国内外浮标的运动特性的研究进展 7
1.5.1 试验方法 7
1.5.2 数值方法 7
1.6主要研究内容 8
第二章 海洋环境载荷计算的基本原理 9
2.1 波浪的描述和波浪载荷的计算原理 9
2.1.1波浪载荷计算的理论依据 9
2.2 动态响应分析 15
2.2.1 系泊系统的动态响应分析方法 15
2.2.2 三维弹性杆理论 16
2.2.3 缆索动力控制方程 17
2.3 海洋浮标的受力计算 18
2.3.1 波浪力计算 18
2.3.2 锚链受力的计算（集中质量法） 19
2.4 外力作用下海洋浮标的运动响应 23
2.4.1 运动基本方程 23
2.4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
动态响应分析方法 15
2.2.2 三维弹性杆理论 16
2.2.3 缆索动力控制方程 17
2.3 海洋浮标的受力计算 18
2.3.1 波浪力计算 18
2.3.2 锚链受力的计算（集中质量法） 19
2.4 外力作用下海洋浮标的运动响应 23
2.4.1 运动基本方程 23
2.4.2 运动方程的数值解 24
第三章 Gambit软件在数值建模中的应用 26
3.1 Gambit软件的介绍 26
3.1.1 Gambit几何造型: 26
3.2 柱形浮标模型基础结构建模 28
3.3 小结 31
第四章 浮标的的运动响应及锚链受力情况分析 32
4.1 模型简介 32
4.1.1模型的参数及工况参数 32
4.2 浮标的水动力计算 33
4.3 规则波作用下柱形浮标的运动响应 35
4.3.1 波浪频率的改变对浮标的运动响应的影响 36
4.4 规则波下浮标锚链的受力情况 38
4.4.1 频率的改变对锚链受力情况的影响 39
4.5 本章小结 40
第五章 总结与展望 41
5.1结论 41
5.2 海洋浮标技术未来的发展展望 41
5.2.1 海洋浮标技术的发展目前存在的问题 41
5.2.2海洋浮标技术的未来的发展方向 41
总结 43
致谢 44
参考文献 45
第一章 绪论
1.1 研究背景极其意义
我们国家是世界上人口最多的国家,我国主要资源的人均占有率和世界平均水平相比还有十分大的差距,但是近年以来，我国的经济飞速的发展，对资源的需求在不断的增加。我们国家具有广阔的海洋国土面积拥有大量的宝贵海洋资源,如果我们能够大力的开发这些海洋资源，利用海洋发展经济，利用丰富的海洋资源来弥补陆地资源逐渐匮乏这一状态,这有助于我国解决资源不足，可利用的资源空间缩小，以及大力开发陆地资源造成的严重的环境污染等等问题。目前，我国周边海域的安全状况不是很好，许多国家都对我国的海洋领土的划分提出挑衅，在这种时后我们更应该大力发展海洋经济，这对于维护我国的海洋权益、扩展生存空间、形成新的经济增长点、促进海洋生态良性循环,如果想要保持我国的经济的可持续发展，我们就需要大力开发海洋资源，大力发展海洋经济。而海洋浮标对于监测海域环境，搜集海洋水文资料，探索海洋可利用资源起着十分重要的作用，所以大力发展海洋浮标技术对于我国加快探索海洋可利用资源以及发展海洋经济起着至关重要的作用。
海洋浮标是一种有锚链锚定在海洋中的观测浮标为主要组成部分的对海洋水文信息和气象信息进行自动观测的海洋结构物。对于现代海洋环境立体监测来说，海洋观测浮标是其十分重要的组成部分，海洋观测浮标具有自动，长期，连续收集海洋环境资料的能力。海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施，具有长期、连续、定点、同步、综合性、自动化等特点[]。在二十世纪六十年代左右，部分发达国家开始使用了海洋浮标观测系统来进行海洋水文气象等等资料的搜集，通过几十年的发展，海洋浮标观测系统的技术越趋成熟，浮标系统在海洋环境调查是非常重要的装备，因为海洋的环境气候条件十分复杂，要想搜集到海洋水文环境的资料，光靠人力是难以实现的。所以海洋浮标技术应运而生，它可以在复杂多变的海洋环境的条件下，对海洋环境要素进行全天候、全天时地连续的、定点的、观测，并且可以通过安装在其身上的仪器设备对观测所得的资料进行自动搜集，并且可以通过安装在浮标上的无线电设备将这些资料自动发送出来，从而实现人们对这一海域的海洋情况进行实时的了解。海洋浮标观测系统是一种可以对海洋环境进行全方位观测以及搜集资料的系统，它不仅仅可以观测和搜集海洋表面的水文，气象等等特征信息，还可以进一步的对海面以下的环境参数进行观测搜集；它还可以与飞机、卫星、海洋调查船等等探测设备一起，组成了探索海洋环境的立体化的监测系统，而这些监测方式已经被广泛的应用到我国的海域监测中了。
本文的主要目的在于跟据所提供的海域环境载荷特点，对浮体(海洋观测浮标系统)的波浪载荷及其运动响应进行计算。海洋浮标作为一种海上平台，其上面装有各种探测设备以及信息的搜集和自动发送的装备，是现代海洋环境监测中十分重要的一环。为了浮标可以完成其预定的海洋环境的监测以及信息的搜集任务，所以我们需要对浮标处在不同的海域情况下的运动特性进行研究。从而保障海洋浮标观测系统可以顺利的完成工作。
1.2 海洋浮标的分类
海洋浮标（海洋观测浮标系统）可以就观测对象的不同来进行划分，具体的是：海洋水文气象遥测浮标，海洋污染监测浮标，地震测量浮标以及多用途浮标等。 如果按所处海面位置的不同，海洋浮标（海洋观测浮标系统）可以分为：漂流浮标（Drifting buoy），锚泊浮标（Mooring buoy）以及潜标（Submerged buoy）[]。
1.2.1 漂流浮标
漂流浮标是依据科学试验以及海洋环境监测计划的需要而发展起来的一种观测平台，漂流浮标本身是不具备锚泊系统，它是随着海洋的洋流随机的流动。它具有造价低廉、体积小、适用范围广、使用方便等等特点，而且可以从船上或者飞机上到随机的海域进行投放。
对漂流浮标而言观测海流是其最主要的目的。要想完全排除风对浮标移动的影响以及对海洋表层洋流状况的感知的影响，这是几乎不可能的。把这种效应降到最低，是目前人们想出来的唯一办法。玻璃纤维或者含聚氨脂纤维的铝是漂流浮标壳体通常所采用的材料。TOGA计划中大规模的长期使用漂流浮标的实践证明了，气温传感器的可靠性和准确度是最好的,风向、风速传感器在海上工作是可靠的，但一般只能持续几个月。它的特点就是重量轻、体积小，锚泊系统简单方便，分为中性浮标、表面漂流浮标、各种小型漂流器等[]。Argo浮标又称自沉浮式剖面探测浮标,首先应用在国际Argo计划,故又称之为Argo浮标。Argo浮标是全球多个国家为了建立完善的海洋立体监测网络而研制的一种漂流浮标。Argo浮标通常是被投放于海域中让其随着洋流自由的漂浮，它可以对海洋次表层的水文环境要素进行测量，Argo浮标的通常测量的水深范围是水面以下，水深在1900m以内的各种海洋环境的参数。通常包括所测海域的海水的温度，盐度等等，而且Argo浮标可以通过安装在其上面的感应器记录海水的漂流的轨迹，从而可以得出测量海域的洋流的方向以及洋流的流动速度，这些资料对研究某一海域的海洋环境起着至关重要的作用。为了实现Argo浮标在海上的浮沉运动，人们在设计时会通过改变浮标内部的体积的大小来实现这一功能。我国设计制造的Argo浮标通常可以在海洋中自行工作两年左右，直至其电池能量耗尽。我国也于今年加入了国际上的ARGO计划，我国发展Argo的总体目标是，首先引进国际上新一代、先进的Argo剖面浮标，将这些引进的先进的Argo浮标投放到西北太平洋海域中，还有少量的投放到印度洋海域。从而初步建立起我国新一代的海洋实时监测系统，使我国可以成为国际Argo计划中的重要成员国。成为成员国后就可以共享目前全球海域中总计约3000个Argo浮标的资料，从而可以进一步的掌握全球海洋环境的实时状况，这样就可以通过吸取其他国家的大洋实时观测网的建设经验，以此来了解和掌握海
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