基于可再生能源的海洋載運裝置的設計分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設計說明書）

基于可再生能源的海洋載運裝置的設計分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設計說明書）,基于,可再生能源,海洋,載運,裝置,設計,分析,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單 本科畢業(yè)設計 開題報告 題 目 基于可再生能源的海洋載運裝置的設計分析 一、選題依據(jù) 課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學術價值或實際應用價值 人類社會已經(jīng)步入二十一世紀的第二個十年， 作為世界主要能源來源的煤、石油、天然氣等非可再生資源日漸枯竭,碳排放量過高所帶來的溫室效應以及生態(tài)環(huán)境破壞所產(chǎn)生的負面影響日漸嚴重。近年來，世界各國都在大力進行著清潔可再生能源的開發(fā)與利用工作，由太陽能、風能、海洋能、生物能、地熱能及其他可再生能源組成的新能源的開發(fā)利用已成為當今世界各國重大研究課題。海洋能是海洋中蘊藏的可再生自然能源的總稱,它包括潮汐能、波浪能、海流能、溫差能和鹽差能等。 波浪能作為海洋能的一種,是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。它是海洋中蘊藏最為豐富的能源之一,也是海洋能利用研究中近期研究得較多的能源之一。波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能是海洋能中最不穩(wěn)定的一種能源 , 但其品味最高、分布最廣且能流密度大。 海洋是全球生命支持系統(tǒng)的重要組成部分，也是人類社會可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富。隨著陸地資源短缺、人口膨脹、環(huán)境惡化等問題的日益嚴峻，人類將目光轉向了占地球表面 71%的海洋。然而，海洋觀測大尺度長時序的特點以及惡劣的作業(yè)環(huán)境和昂貴的監(jiān)測成本，迫使人類開發(fā)一套不受能源限制可長期大范圍作業(yè)，而無需維護的低成本自主操作平臺，以延伸人類了解世界海洋的觸角。目前，海洋環(huán)境監(jiān)測主要包括調查船、浮標、潛標、海床基、漂流浮標以及航空遙感等。其中，傳統(tǒng)的調查方式需消耗大量人力、物力和財力，且不易實現(xiàn)對惡劣環(huán)境和敏感區(qū)域的調查。 當前， 國際上出現(xiàn)的波浪動力滑翔機（Wave Glider）就為海洋觀測技術提供了創(chuàng)新思路。該平臺巧妙地利用海洋環(huán)境能源實現(xiàn)了長時間大航程的觀測作業(yè)，并通過衛(wèi)星與監(jiān)控基站之間進行指令和數(shù)據(jù)交換，而且總體制造成本較低，有著廣闊的發(fā)展前景。目前，該技術已經(jīng)成為海洋觀測網(wǎng)絡構建的基礎平臺首選的監(jiān)測工具。在國際海洋環(huán)境監(jiān)測技術發(fā)展的大背景下，我國的監(jiān)測技術亟待提高，為此，我們采取引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的研發(fā)路線，開展具有自主知識產(chǎn)權的波浪動力滑翔機觀測平臺的國內新型海洋監(jiān)測技術研究。 本次課題設計主要是基于國內外已有的波浪滑翔機進行結構的優(yōu)化和設計，改善目前的滑翔機存在的效率低，姿態(tài)調整困難等缺點，使其能夠更加適應各種惡劣的海上和水中環(huán)境，在節(jié)約能源的基礎上使得海洋監(jiān)測持續(xù)時間更長，距離更遠，檢測環(huán)境更復雜，以便于提取更多海洋中的水文數(shù)據(jù)，為我們國家的海洋監(jiān)測和開發(fā)事業(yè)提供更多支持。 二、文獻綜述 國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻 1. 國外研究現(xiàn)狀 2005 年，Roger Hine和 Joseph D Rizzi 為跟蹤考察駝背鯨的生活規(guī)律而發(fā)明了在海上工作數(shù)月而無需維護的利用海洋環(huán)境能源的自主運動平臺波動滑翔機。2006 年，Liquid Robotics 公司成立并專注于波動滑翔機的研發(fā)生產(chǎn)。 2007 年，波動滑翔機經(jīng)歷了颶風 Flossie，驗證了其可抵御 3 m 浪高海況和 20 m/s 風速的惡劣海況的能力。隨后，波動滑翔機在調查阿拉斯加海岸時，遇到了 6 m 浪高海況和 25 m/s 風速，并可安然無恙的工作。2008 年12月布放的名叫 Stripes 的波動滑翔機，已經(jīng)累計海洋作業(yè)600天，航行25000km。名叫 Honu 和 Kohola 的波動滑翔機從夏威夷出發(fā)航行 4 400 km 用時 79 d 到達舊金山。名叫 Red Flash 的波動滑翔機從墨西哥出發(fā)到達阿拉斯加，途中在 25 m/s 風速和 6 m 浪高的海況下完成了站點保持作業(yè)。2009 年 4 月，波動滑翔機在Monterey Bay海洋生物研究所布放的深海錨系浮標 M2 附近實現(xiàn)了50 m 半徑的站點保持，隨后，研究人員對波浪動力滑翔機與 M2 的傳感器數(shù)據(jù)進行了對比，除了溫度有所差別之外其他數(shù)據(jù)吻合較好。 2011 年 9 月，Savannah Ocean Exchange 宣布Liquid Robotics 的波浪動力滑翔機獲得了灣流航空公司的價值 10 萬美金的 2011 年度灣流領航獎。2011 年 11 月，4 個波動滑翔機從 San Francisco 出發(fā)經(jīng)過 4 個月 6 000 km 的航行到達夏威夷。此后，其中兩個穿過赤道向澳大利亞前進，另外兩個跨過世界上最深的瑪麗亞娜海溝前往日本。在持續(xù) 12個月的航行后，4 個波浪動力滑翔機均在 2012 年底到達目的地，整個航程總計 16 600 km。 美國 Liquid Robotics 公司生產(chǎn)的 SV 系列波浪動力滑翔機包括 SV2 和 SV3 兩種，如圖1-1所示，其平臺基本參數(shù)如表1-1 所示。其中，SV2 是第一臺交付應用的波浪動力滑翔機平臺，SV3相比于SV2有更大的負載能力和實時數(shù)據(jù)采集、處理的能力。 圖1-1 波浪滑翔機SV2（左）和SV3（右） 表1-1 SV系列滑翔機相關參數(shù) 2. 國內研究現(xiàn)狀 目前，國家海洋技術中心已研制出一套波浪動力滑翔機系統(tǒng)，并通過海試試驗驗證了該平臺系統(tǒng)的可行性；國家海洋技術中心還研發(fā)了一套波浪動力滑翔機波浪動力模擬測試裝置，在實驗室水池模擬該平臺在海洋波浪作用下的運動狀態(tài)，測試平臺的波動推進效率。中國船舶重工集團 710 研究所、中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學、中電科技集團第三十六研究所、上海交通大學對波浪動力滑翔機的研究都處于原理樣機的試制階段。至今為止，國內針對波浪動力滑翔機的研究仍處于起步階段，關于該平臺的結構設計或動力學分析相關的參考文獻資料較少。 3. 實際發(fā)展現(xiàn)狀 許多政府機構、科研院所、公司或個人開始跟 Liquid Robotics 公司展開廣泛合作：英國石油公司 BP 購買并應用波浪動力滑翔機在蒙特利爾灣進行水質監(jiān)控，以防止鉆井平臺海上泄油事件再次發(fā)生；蒙特利爾海洋生物研究所利用波浪動力滑翔機在加州海岸記錄監(jiān)視藻花；Scripps 海洋研究所將高頻聲學記錄包(HARP)安裝在波浪動力滑翔機上實現(xiàn)海洋哺乳類動物的長期跟蹤監(jiān)測；Teledyne 公司的聲學多普勒流速測量儀 ADCP 集成在波浪動力滑翔機上面，試驗結果亦十分理想；美國國家海洋大氣管理局資助波浪動力滑翔機的大尺度測試，用以測定海洋中因石油燃燒產(chǎn)生的二氧化碳和溫室氣體含量的增加程度。 美國海軍因波浪動力滑翔機具有隱蔽性和長期靜音的特點，將其用于巡邏海岸，偵察敵方艦船以及跟蹤索馬里海盜。Liquid Robotics 公司總部內部設置兩個巨大的屏幕跟蹤著 60 多個在海洋中航行的波浪動力滑翔機，試圖建立全球海洋環(huán)境觀測網(wǎng)絡。該公司還將波浪動力滑翔機投放到日本東海岸進行核輻射監(jiān)測；另外，還投放到北極溶化冰山附近進行海水鹽度的測量。美國海軍氣象與海洋司令部利用波浪動力滑翔機測量全球的大氣和海洋狀況，以協(xié)助艦船和軍隊完成作戰(zhàn)部署。美國情報機構利用波浪動力滑翔機收集大量音頻和視頻文件，并通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳回情報基地。 Liquid Robotics 公司將帶有側掃聲納的拖魚掛接在水下牽引機尾端，以勘探地形地貌，實驗效果良好。波浪動力滑翔機已經(jīng)被廣泛應用于勘探海底地形，監(jiān)測海岸污染，巡航海洋保護區(qū)，改善漁業(yè)生產(chǎn)狀況等。美國科學家說過，單個波浪動力滑翔機堪比哈勃太空望遠鏡窺探宇宙實現(xiàn)人類對世界海洋的探索，多個波浪動力滑翔機堪比人造衛(wèi)星構建太空網(wǎng)絡實現(xiàn)人類對海洋觀測網(wǎng)絡的構建。目前，我國處于波浪動力滑翔機相關技術研究和試驗樣機研制的起步階段，正因為如此，我們可以預見其廣闊的應用前景和很高的社會價值和經(jīng)濟效益。 在對其進行總體結構設計和動力學分析時，需考慮各種傳感器的搭載方式、需要預留的空間尺寸和搭載重量等，因此對水面母船和水下牽引機的外型都會有特殊的結構要求，另外其搭載方式也會對平臺的平臺運動性能和波浪推進效率起到一定的影響。 本論文基于波浪動力滑翔機移動觀測平臺的關鍵結構開展理論研究，為研制出具有自主知識產(chǎn)權并能夠實現(xiàn)海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的波浪動力滑翔機工程樣機奠定基礎。 參考文獻 【1】 楊燕，張森，史健，等．波浪動力滑翔機海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]．海洋技術學報，2014，32（1）：109-114． 【2】 孫秀軍．混合驅動水下滑翔器動力學建模及運動控制研究[D]．天津：天津大學，2011． 【3】 Tougher B.. The Wave Glider°: A New Autonomous Surface Vehicle to Augment MBARI's Growing Fleet of Ocean Observing Systems[A]. American Geophysical Union Conference[C]. 2011. 【4】 Manley J.E.. Unmanned surface vehicles, 15 years of development[A]. IEEE OCEANS[C]. 2008: 1-4. 【5】 Brown P., D Hardisty, T. Molteno. Wave-powered small-scale generation systems for ocean exploration[A]. IEEE OCEANS 2006-Asia Pacific[C]. 2007: 1-6. 【6】 蔣新松，封錫盛，王棣棠．水下機器人[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社，2000：289-291． 【7】 沈慶，陳徐均，江召兵．浮體和浮式多體系統(tǒng)流固耦合動力分析[M]．北京：科學出版社，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 control[J]. 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 Vehicle[A]. Proceedings of the 2013 Australasian Conference on Robotics & Automation,Australian Robotics & Automation Association[C]. 2013: 1-10. 【10】 朱光文.我國海洋監(jiān)測技術研究和開發(fā)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展[J].海洋技術，2002，21（2）：27-32. 【11】 王延輝，水下滑翔器動力學行為和魯棒控制策略研究：[博士學位論文]，天津：天津大學，2007. 三、研究內容 1． 學術構想與思路；主要研究內容及擬解決的關鍵問題（或技術） 1.1 學術構想與思路 基于可再生能源的海洋載運裝置主要基于國外比較成熟的波浪滑翔機，通過查閱文獻，了解波浪滑翔機的結構組成、運動原理，在此基礎上對此結構的關鍵組成部分進行參數(shù)的設計，分析和優(yōu)化，并進行樣機的制作，從而研發(fā)出更加高效、結構更加合理的以波浪驅動的海洋載運裝置。 1.2 主要研究內容 波浪動力滑翔機是由漂浮在水面上的水面母船和浸入水中的水下牽引機兩部分結構組成。水下牽引機設計有對稱分布在兩側的 6 對水翼，水翼能夠同時上下擺動。波浪升起時繩纜對水下牽引機提供拉力，水下牽引機整體上升的同時其水翼會隨之向下擺動，六對水翼在水動力作用下驅動水下牽引機向前運行；波浪回落時，繩纜松弛，水下牽引機整體向下運動，而六對水翼同時向上擺動，在水動力作用下同樣會產(chǎn)生前向運動。因此，波浪動力滑翔機就能在源源不斷的波浪起伏運動作用下長時間持續(xù)向前運行。 本次設計的主要內容有： 1.對波浪滑翔機的的雙體機構的工作原理的分析 2.對水面母船，纜繩和水下牽引機進行參數(shù)的改進，通過計算和分析驗證參數(shù)的合理性。主要設計參數(shù)包括機構的長寬高、母船和牽引機的材料選擇和重量，牽引機翼板的形狀、長寬等。 3.利用軟件分別針對水翼翼型、水翼分布間距和水翼最大擺角限位三個考察參變量對水下牽引機水動力性能的影響進行計算和分析；繪制各個考察參變量在不同海況下的水動力特性曲線并確定水下牽引機的關鍵結構參數(shù)。 4.利用 MATLAB 軟件對波浪動力滑翔機進行運動仿真。 5.樣機的制作。 1.3 擬解決的關鍵問題 本次設計重點在于水下牽引機的關鍵機構的參數(shù)設計和雙體結構的連接方式，通過設置對比數(shù)據(jù)，進行強度校核和力學分析，從而確定水上母船的浮體材料和水下牽引機的材料，并確定尺寸、重量和擺動角度，利用軟件構建對比圖標，找到最優(yōu)數(shù)據(jù)，使牽引機和母船更好的結合和調整姿態(tài)，使其在真實海洋環(huán)境中也能實現(xiàn)特定路線的運動，并且使得運動速度上升以提高載運裝置的效率。 2． 擬采取的研究方法、技術路線、實施方案及可行性分析 2.1 研究方法 文獻研究法：通過搜集與整理國內外關于波浪滑翔機的的文獻，形成對其工作機理，組成結構的全方位的認識，進而在此基礎上提出結構的改進和參數(shù)的優(yōu)化設計。 跨學科研究法：本次設計不僅是簡單的機構設計，而是需要將其放在實際海洋環(huán)境中進行思考和設計，不僅需要具備機械專業(yè)的設計理論，更需要學習其他學科的相關知識，比如海洋環(huán)境，波浪原理，流體力學等。 模擬法：通過solidworks進行機構的三維建模，利用fluent軟件進行流體環(huán)境的數(shù)據(jù)模擬，利用MATLAB軟件進行運動仿真，從而實現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化設計。 實驗法：在得出科學的理論數(shù)據(jù)后進行樣機的制作，并將其置于實際海洋環(huán)境中進行實驗，驗證其可行性，找到其中存在的缺點并不斷加以改進。 2.2 技術路線及實施方案 對波浪動力滑翔機雙體機構的工作機理進行分析，提出了水面母船和水下牽引機結構設計的關鍵點，對其結構的合理布置和一些關鍵結構的選型進行闡述。 本次結構設計主要包括三方面，分為海上母船、水下牽引機和連接結構，通過繼續(xù)搜集整理相關文獻資料，明確研究現(xiàn)狀及目的，對波浪驅動原理進行分析研究，確定結構方案，對整體結構進行原理分析，分析各部分工作原理，對結構不斷加以改進。 本次設計主要在于材料選擇、尺寸確定并進行力學分析與強度校核。通過計算得到兩部分的長寬高和重量的最佳數(shù)據(jù)。 在進行強度校核之后，需要對水下牽引機的關鍵參數(shù)進行計算與力學分析，主要包括水翼翼型、水翼間分布間距和水翼最大擺角，然后進行三維建模并對其進行運動仿真得到預期的運動軌跡。 通過給予海洋波浪運動參數(shù)進行此機構的運動速度等參數(shù)的計算，分析其可行性并優(yōu)化參數(shù)，最后制作樣機并進行實地實驗。 2.3 方案可行性 首先，本次設計是基于已有的比較成熟的產(chǎn)品進行的改進和優(yōu)化，其工作原理和結構設計都是科學可行的。通過查閱大量文獻和資料對此次設計已經(jīng)有了比較全面和深刻的認識。在此次設計中所涉及的相關軟件和方程都已經(jīng)有了初步了解，接下來的時間還需要進行更加細致和認真的學習。學院里具備可以進行樣機實驗的條件，在導師的指導下，可以更好的完成本次設計。 四、論文（設計）進度安排 起止時間 主要內容 預期目標 3月12日-4月初 4月-5月 5月—6月 前期準備工作 中期設計，數(shù)據(jù)分析與計算，樣機制作 后期總結 文獻調查，了解工作原理，確定整體方案。 提出改進參數(shù)，對關鍵受力部位進行力學計算，驗證可行性；三維建模，利用軟件進行模擬和仿真。繪制二維零件圖和裝配圖。 數(shù)據(jù)整理，圖表繪制，撰寫論文，準備答辯。 五、審核意見 導師意見 導師簽字: 年 月 日 審核小組意見 審核小組成員簽字： 年 月 日 注：1、表格不夠可加附頁。 2、審核小組應至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時可召集開題報告會。 10