浮体载体平台转让专利
申请号 : CN200810028911.X
文献号 : CN100584690C
文献日 : 2010-01-27
发明人 : 杨跃忠 , 曹文熙 , 李彩 , 孙兆华 , 卢桂新 , 柯天存
申请人 : 中国科学院南海海洋研究所
摘要 :
本发明提供一种海上连续测量时承载海洋仪器的浮体载体平台，由一大球浮体和一小球浮体上下串接成柱状浮标，在小球浮体的下部连接固定一根下垂的主杆，主杆的下部挂装有重块和平衡叶片，在主杆上具有一设定的系留受力点，该系留受力点上固定有一横杆，该横杆与主杆成十字平衡连接，横杠两端分别通过转环连接一“U”形拉力杆，构成一个可自由摆动的矩形摆框，浮标锚链系统连接在该矩形摆框的下部锚链系留点。本发明的载体平台通过科学设计使海流对浮标平衡叶片曳力在受力点产生力矩，与海流对球体曳力在受力点产生的力矩相等，从而构成一种浮体倾斜角度受海流影响小的平稳载体平台。
权利要求 :
1.一种浮体载体平台，其特征在于由大球浮体(20)和小球浮体(15)上下串接成柱状浮标，在小球浮体(15)的下部连接固定一根下垂的主杆(8)，主杆(8)的下部挂装有重块(4)和平衡叶片(5)，在主杆(8)上具有一设定的系留受力点(0)，该系留受力点(0)上固定有一横杆(12)，该横杆与主杆(8)成十字平衡连接，还有一个“U”形拉力杆(9)，所述的横杠(12)的两端分别通过一个转环(11)与所述的“U”形拉力杆(9)的两端连接，构成一个可自由摆动的矩形摆框，该矩形摆框的长度短于系留受力点(0)到主杆(8)的未端的长度，所述的U形拉力杆(9)的下面横杆中间作为锚链系留点(2)，与浮标锚链系统(1)相连接，所述的主杆(8)上的系留受力点(0)的位置按以下公式设定： L＝π(1±10％)[R2(3R/5+2r+D)+2r2(r+D)]/8S叶片， 式中，L为系留受力点(0)离平衡叶片(5)中轴中心点的距离，R为大球半径，r为小球半径，D为系留受力点(0)离小球底部高度，S叶片为平衡叶片在垂直于水流方向的投影面积。
2. 根据权利要求l所述的浮体载体平台，其特征在于所述的大球浮体（20)上方设置有塔架（26)作为安装科学仪器平台。
说明书 :
浮体载体平台
技术领域
本发明涉及一种浮标装置，特别是涉及一种海上连续测量时承载海洋仪器的浮体载体平台。
背景技术
浮标是广泛应用于海洋，承载各种科研仪器进行长期海上观测、实验的载体，目前所设 计大部分浮标挂接锚链系统的系留点是在浮标底端，海流对浮体的曳力在系留点上产生力矩 最大，会使浮标产生倾斜，而且浮体状态容易随海流、波浪变化而变化。但在海上考察或作 业时某些观测量探头需要保持平稳状态，要求海上浮标能在不同海况下保持最小倾角，以避 免浮标在强海流作用下所产生的浮体倾斜而导致测量探头的倾斜，目前的浮标装置难以适应 这种需要。 发明内容
本发明装置的目的是提供一个可供观测仪器安装使用，其倾斜角度受海流影响小的平稳 的浮体载体平台，以解决海流对仪器倾斜角度的影响问题。
实现本发明目的的技术方案如下：
设计一种浮体载体平台，由一大球浮体和一小球浮体上下串接成柱状浮标，在小球浮体 的下部连接固定一根下垂的主杆，主杆的下部挂装有重块和平衡叶片，在主杆上具有一设定 的系留受力点，该系留受力点上固定有一横杆，该横杆与主杆成十字平衡连接，横杠两端分 别通过转环连接一 "U"形拉力杆，构成一个可自由摆动的矩形摆框，该矩形摆框的长度短于 系留受力点到主杆的未端的长度，所述的U形拉力杆的下面横杆中间作为锚链系留点，与浮 标锚链系统相连接，所述的主杆上的系留受力点的位置按以下公式设定-
Li (1±10% ) [ R2 (3R/5+2r+D) +2r 2 (r+D) ]/8S叶片，
式中，L为系留受力点离平衡叶片中轴中心点的距离，R为大球半径，r为小球半径，D 为系留受力点离小球底部高度，S他为平衡叶片在垂直于水流方向的投影面积。
上述所设计的浮体载体平台的主要特点是：第一，浮体的设计形状：上部分采用两个球
状串接成柱状浮标，以提供系统需要的浮力，提高浮心，同时减小浮标受海流作用曳力系数;
下部分连接一根主杆，下端挂接一重块和平衡叶，降低浮标重心，增高整个浮标稳心高度，
提高浮标的稳定性；平衡叶用来加大海流对浮体下部分的曳力。第二，浮标系留受力点位置
的设定：这是锚链拉曳浮标的受力点，浮标通过锚链软性结构链接锚住海底。由于海流对浮标体产生一种推力即曳力，使得单系留浮标产生一个力矩，最终与浮标倾斜重力矩平衡，达 到某一倾斜角。为了使浮标不受海流影响保持垂直，要使浮标受力点的上下部分受海流的曳
力作用在浮标受力点上产生合力矩为零，即i:fi^0，浮标受力点位置的确定和平衡叶片的大 小、浮体的设计形状、球体大小、主杆长短有关，本发明提供了该系留受力点的位置的设计 计算公式，可以达到使浮标受力点的上下部分受海流的曳力作用在浮标受力点上产生合力矩 接近零的目标。第三，在浮标体主杆上的系留受力点与锚链连接点之间通过两条会转动钢性 拉杆连接，具体表现为受力点处加一横杠，横杠两端有转环，钢性拉杆与横杠之间是通过这
两个自由转环连接，实现钢性拉杆自由摆动；整个拉力杆组成矩形，钢性拉杆末端为连接杠，
连接锚链。因此通过拉杆转轴连接到锚链、转轴卸解浮体扭力矩。第四，平衡叶片的作用还 可用来调整浮标下部受海流的曳力作用的面积。以上所有结构将保证浮标体在受锚链的张力 作用下不会产生大角度倾斜。
本发明所提出的用以设定浮标系留受力点位置的公式通过以下的理论推导得到：
原理：根据海流对浮体的曳力F4CSV2计算公式，其中K为曳力系数，C为海水比重与重
力加速度之比，S为海流垂直方向的投影面积，V流速。并根据不同形状曳力系数K不一样（K 球形:K平面-l: 4)的特点。选定某一系留受力点，海流曳力在该点上产生转动合力矩为零， 即在浮标受力点的上下部分受海流的曳力作用在该受力点上产生合力矩为零，sfl=0。
本发明的浮标中，其技术参数：假设大球半径为R，小球半径为r，受力点离小球底部高 度为D，平衡叶片投影面积为S叶片，球形结构体受海流的曳力系数K球形，平衡叶片曳力系数
K平面，吃水线在大球中线处。为了达到减小海流波浪对浮标的影响，需计算出受力点离平衡 叶片中轴中心点的距离U
这时，由于大球有一半在水中，半个大球受海流的曳力-
F大球-K球形CS大球乂2/2= K球形C兀R2V2/2; 水中半球质点距受力点距离：L大球二3R/5+2r+D; 小球受海流的曳力：F小球-K球形CS小球V2= K球形C兀r〜2; 小球球心距受力点距离：L小球二r+D; 因此：海流对浮标受力点上部分产生力矩-F大球• L大球+F小球• L小球
平衡叶片受海流的曳力：F叶片二K平面CS叶片V2 海流对浮标受力点下部分产生力矩二F叶片• L 为了满足EFL二O，有F大球'L大球+F小球'L小球-F叶片'L，把上面各式子代入：
K球形C兀RV2 • (3R/5+2r+D)十K球形C兀r〜2 . (r+D) = K平面CS叶片V2 • L ......(1)
由于K球形：K平面-1:4，
式（l)得结果：L=ji [ R2 (3R/5+2r+D) +2r 2 (r+D) ]/8S叶片……（2)
因此，在设计浮标时，确定了大小球体半径、受力点离小球底部高度和平衡叶片面积后，可算出受力点离平衡叶片中心点距离L。由于小球实际结构比其直径小、大球吃水线波动、 海面塔架受风曳力影响、主杆的曳力等都有起作用。因此L值的误差控制在土1(W范围进行调 整。
本发明的载体平台由于浮标球体和平衡叶片对海流产生阻力，反过来海流对浮标产生一 种曳力。通过科学设计使平衡叶片大小达到海流对浮标平衡叶片曳力在受力点产生力矩，与 海流对球体曳力在受力点产生的力矩相等，从而实现了浮体倾斜角度受海流变化而影响小的 平稳载体平台。
本发明的优点是设备结构简单、抗压强度大，使用、连接可靠，海上容易布放回收。特 别实用于需要平稳状态载体平台，例如光学辐射测量等应用。浮标设计时的自摇周期必须避 开常遇波周期，避免与常遇波周期发生共振。
本方案经模型水池试验计算以及实物海上多次应用，得到大量科学数据，效果很好。 附图说明
图1为本发明实施例正视方向的结构示意图； 图2为本发明实施例侧视方向的结构示意图。 具体实施方式
如附图l、图2所示，在本载体平台的结构中，15为小球浮体，20为大球浮体，两个球型 浮体串接成柱状浮标，以提供系统需要的浮力；浮体上方固定有三脚塔架26，为安装科学仪 器平台，三脚塔架是由钢管构成，管里布放电缆。在浮体侧面不同处焊横杆7、 17、 25，其顶 端悬挂特殊要求的仪器6、 16、 24。 14、 18是两个球型浮体防碰圈，同时18也是吃水线的标志； 水下仪器的电缆穿过19钢管内部，对电缆起保护作用，电缆经22水密口进入浮标仓体内；在 小球浮体15底端用法兰盘安装固定一条垂直下垂的主杆8，主杆下端挂装有重块4和平衡叶片 5;重块4使浮标重心降低，增高整个稳心高度，提高浮标的稳定性，不至于浮标倒翻；主杆8 上具有一系留受力点O，在该系留受力点上焊接一条横杠12，该横杠12与主杆8成十字平衡连 接，横杠12的两端连接一 形拉力杆9，该"U"形拉力杆与横杠12组成一个矩形摆框，横 杠12两端设有转轴11， "U"形拉力杆9的两端配有转环，"U"形拉力杆9通过它的转环和横杠 转轴配合可以自由摆动，"U"形拉力杆下面横杆中间作为锚链系留点2，与浮标锚链系统l相 连接；系留受力点0到主杆的下端点3的长度比"U"形拉力杆长点，可阻止矩形摆框往另一侧 摆动。吊耳IO、 20为挂接钢缆起吊之用。
本载体平台实施例的具体设计数据如下：
大球浮体20的直径为1. 4米，小球浮体15的直径为1.1米，主杆8的长度为2. 36米， 系留受力点0距小球浮体15底部0.35米，平衡叶片设计为"X"型，其每片为0.6米（宽） X0.85米（高），按与水流方向成45度夹角计算，平衡叶片投影面积为0. 36m2。
上述主杆8的长度和主杆上的系留受力点的位置按以下方法计算确定：根据本发明所提出的公式（2):
L:兀[R2 (3R/5+2r+D) +2r 2 (r+D) ]/8S咐
计算所述的主杆上的系留受力点的位置，得L=1.59米。由此可设计确定主杆长度为： 0. 35+0. 85/2+1. 59=2. 36米。
根据实际，上述L值可按（1±10%)范围进行调整，即L值可控制在1.43〜1.75米范围，
而主杆长度可控制在2.2〜2. 52米范围。
本发明装置的目的是提供一个可供观测仪器安装使用，其倾斜角度受海流影响小的平稳 的浮体载体平台，以解决海流对仪器倾斜角度的影响问题。
实现本发明目的的技术方案如下：
设计一种浮体载体平台，由一大球浮体和一小球浮体上下串接成柱状浮标，在小球浮体 的下部连接固定一根下垂的主杆，主杆的下部挂装有重块和平衡叶片，在主杆上具有一设定 的系留受力点，该系留受力点上固定有一横杆，该横杆与主杆成十字平衡连接，横杠两端分 别通过转环连接一 "U"形拉力杆，构成一个可自由摆动的矩形摆框，该矩形摆框的长度短于 系留受力点到主杆的未端的长度，所述的U形拉力杆的下面横杆中间作为锚链系留点，与浮 标锚链系统相连接，所述的主杆上的系留受力点的位置按以下公式设定-
Li (1±10% ) [ R2 (3R/5+2r+D) +2r 2 (r+D) ]/8S叶片，
式中，L为系留受力点离平衡叶片中轴中心点的距离，R为大球半径，r为小球半径，D 为系留受力点离小球底部高度，S他为平衡叶片在垂直于水流方向的投影面积。
上述所设计的浮体载体平台的主要特点是：第一，浮体的设计形状：上部分采用两个球
状串接成柱状浮标，以提供系统需要的浮力，提高浮心，同时减小浮标受海流作用曳力系数;
下部分连接一根主杆，下端挂接一重块和平衡叶，降低浮标重心，增高整个浮标稳心高度，
提高浮标的稳定性；平衡叶用来加大海流对浮体下部分的曳力。第二，浮标系留受力点位置
的设定：这是锚链拉曳浮标的受力点，浮标通过锚链软性结构链接锚住海底。由于海流对浮标体产生一种推力即曳力，使得单系留浮标产生一个力矩，最终与浮标倾斜重力矩平衡，达 到某一倾斜角。为了使浮标不受海流影响保持垂直，要使浮标受力点的上下部分受海流的曳
力作用在浮标受力点上产生合力矩为零，即i:fi^0，浮标受力点位置的确定和平衡叶片的大 小、浮体的设计形状、球体大小、主杆长短有关，本发明提供了该系留受力点的位置的设计 计算公式，可以达到使浮标受力点的上下部分受海流的曳力作用在浮标受力点上产生合力矩 接近零的目标。第三，在浮标体主杆上的系留受力点与锚链连接点之间通过两条会转动钢性 拉杆连接，具体表现为受力点处加一横杠，横杠两端有转环，钢性拉杆与横杠之间是通过这
两个自由转环连接，实现钢性拉杆自由摆动；整个拉力杆组成矩形，钢性拉杆末端为连接杠，
连接锚链。因此通过拉杆转轴连接到锚链、转轴卸解浮体扭力矩。第四，平衡叶片的作用还 可用来调整浮标下部受海流的曳力作用的面积。以上所有结构将保证浮标体在受锚链的张力 作用下不会产生大角度倾斜。
本发明所提出的用以设定浮标系留受力点位置的公式通过以下的理论推导得到：
原理：根据海流对浮体的曳力F4CSV2计算公式，其中K为曳力系数，C为海水比重与重
力加速度之比，S为海流垂直方向的投影面积，V流速。并根据不同形状曳力系数K不一样（K 球形:K平面-l: 4)的特点。选定某一系留受力点，海流曳力在该点上产生转动合力矩为零， 即在浮标受力点的上下部分受海流的曳力作用在该受力点上产生合力矩为零，sfl=0。
本发明的浮标中，其技术参数：假设大球半径为R，小球半径为r，受力点离小球底部高 度为D，平衡叶片投影面积为S叶片，球形结构体受海流的曳力系数K球形，平衡叶片曳力系数
K平面，吃水线在大球中线处。为了达到减小海流波浪对浮标的影响，需计算出受力点离平衡 叶片中轴中心点的距离U
这时，由于大球有一半在水中，半个大球受海流的曳力-
F大球-K球形CS大球乂2/2= K球形C兀R2V2/2; 水中半球质点距受力点距离：L大球二3R/5+2r+D; 小球受海流的曳力：F小球-K球形CS小球V2= K球形C兀r〜2; 小球球心距受力点距离：L小球二r+D; 因此：海流对浮标受力点上部分产生力矩-F大球• L大球+F小球• L小球
平衡叶片受海流的曳力：F叶片二K平面CS叶片V2 海流对浮标受力点下部分产生力矩二F叶片• L 为了满足EFL二O，有F大球'L大球+F小球'L小球-F叶片'L，把上面各式子代入：
K球形C兀RV2 • (3R/5+2r+D)十K球形C兀r〜2 . (r+D) = K平面CS叶片V2 • L ......(1)
由于K球形：K平面-1:4，
式（l)得结果：L=ji [ R2 (3R/5+2r+D) +2r 2 (r+D) ]/8S叶片……（2)
因此，在设计浮标时，确定了大小球体半径、受力点离小球底部高度和平衡叶片面积后，可算出受力点离平衡叶片中心点距离L。由于小球实际结构比其直径小、大球吃水线波动、 海面塔架受风曳力影响、主杆的曳力等都有起作用。因此L值的误差控制在土1(W范围进行调 整。
本发明的载体平台由于浮标球体和平衡叶片对海流产生阻力，反过来海流对浮标产生一 种曳力。通过科学设计使平衡叶片大小达到海流对浮标平衡叶片曳力在受力点产生力矩，与 海流对球体曳力在受力点产生的力矩相等，从而实现了浮体倾斜角度受海流变化而影响小的 平稳载体平台。
本发明的优点是设备结构简单、抗压强度大，使用、连接可靠，海上容易布放回收。特 别实用于需要平稳状态载体平台，例如光学辐射测量等应用。浮标设计时的自摇周期必须避 开常遇波周期，避免与常遇波周期发生共振。
本方案经模型水池试验计算以及实物海上多次应用，得到大量科学数据，效果很好。 附图说明
图1为本发明实施例正视方向的结构示意图； 图2为本发明实施例侧视方向的结构示意图。 具体实施方式
如附图l、图2所示，在本载体平台的结构中，15为小球浮体，20为大球浮体，两个球型 浮体串接成柱状浮标，以提供系统需要的浮力；浮体上方固定有三脚塔架26，为安装科学仪 器平台，三脚塔架是由钢管构成，管里布放电缆。在浮体侧面不同处焊横杆7、 17、 25，其顶 端悬挂特殊要求的仪器6、 16、 24。 14、 18是两个球型浮体防碰圈，同时18也是吃水线的标志； 水下仪器的电缆穿过19钢管内部，对电缆起保护作用，电缆经22水密口进入浮标仓体内；在 小球浮体15底端用法兰盘安装固定一条垂直下垂的主杆8，主杆下端挂装有重块4和平衡叶片 5;重块4使浮标重心降低，增高整个稳心高度，提高浮标的稳定性，不至于浮标倒翻；主杆8 上具有一系留受力点O，在该系留受力点上焊接一条横杠12，该横杠12与主杆8成十字平衡连 接，横杠12的两端连接一 形拉力杆9，该"U"形拉力杆与横杠12组成一个矩形摆框，横 杠12两端设有转轴11， "U"形拉力杆9的两端配有转环，"U"形拉力杆9通过它的转环和横杠 转轴配合可以自由摆动，"U"形拉力杆下面横杆中间作为锚链系留点2，与浮标锚链系统l相 连接；系留受力点0到主杆的下端点3的长度比"U"形拉力杆长点，可阻止矩形摆框往另一侧 摆动。吊耳IO、 20为挂接钢缆起吊之用。
本载体平台实施例的具体设计数据如下：
大球浮体20的直径为1. 4米，小球浮体15的直径为1.1米，主杆8的长度为2. 36米， 系留受力点0距小球浮体15底部0.35米，平衡叶片设计为"X"型，其每片为0.6米（宽） X0.85米（高），按与水流方向成45度夹角计算，平衡叶片投影面积为0. 36m2。
上述主杆8的长度和主杆上的系留受力点的位置按以下方法计算确定：根据本发明所提出的公式（2):
L:兀[R2 (3R/5+2r+D) +2r 2 (r+D) ]/8S咐
计算所述的主杆上的系留受力点的位置，得L=1.59米。由此可设计确定主杆长度为： 0. 35+0. 85/2+1. 59=2. 36米。
根据实际，上述L值可按（1±10%)范围进行调整，即L值可控制在1.43〜1.75米范围，
而主杆长度可控制在2.2〜2. 52米范围。