系泊系统设计ppt课件.pptx

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1、,关于系泊系统设计的研究,问题重述,问题假设,构建模型,模型评价与结论,目录 / CONTENTS,01,问题重述,选题背景,所求问题,本次研究主要是针对当前近浅海观测网中系泊系统工作效果较差的问题，在保证浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小的条件下，利用Matlab建模确定锚链的型号、长度和重物球的质量，对系泊系统进行设计。,选题背景,浮标：半径1m 高度2m 质量1000kg钢管：一共4节 长1m 质量10kg 直径50mm铁桶：高1m 外径30cm 质量100kg锚： 质量600kg,02,问题假设,为了简化研究问题，做出以下假设： 1.锚与海床的静摩擦系数足够大;2.风和水

2、流的方向相同且与海床平行;3.风倾力矩作用下浮标产生的倾角忽略不计;4.假设所分析海域处的重力加速度g=9. 8ms-2;5.重物球的浮力及水流作用力忽略不计;6.锚链铺底处于展开状态，不存在锚链的堆叠;7.不考虑锚链自身的弹性伸长及结构空隙。,03,构建模型,问题一,选用II型电焊锚链22.05m，选用的重物球的质量为1200kg。现将该型传输节点布放在水深18m、海床平坦、海水密度为1.025103kg/m3的海域。若海水静止，分别计算海面风速为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。,解题思路,系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗

3、拖移锚组成。因为各部分间有拉力作用，通过对每一个部分进行机理分析建立力学方程组，可以将每一个部分间的相互拉力联系起来。建立系泊系统静力特性分析模型，在假设条件和海面风速为12m/s和24m/s的情况下，首先考虑锚链，由于锚链每段相对较短，取锚链的一微段通过迭代的方式，得到锚链顶端至海床高度。其次分别取钢管、浮标为研究对象设参量进行力学分析，列出静力学平衡方程。最终，选取浮标吃水深度为枚举变量，以系泊系统各部分之和等于水深为目标，寻找符合条件的浮标吃水深度，并据此求解出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。,您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后，在此框中选择粘贴，并选

4、择只保留文字。您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。,浮标的静力学分析,又：,得出:,在x轴、y轴两个方向分别列出静力学平衡方程：,单节钢管受力分析,由力矩平衡方程得：,由几何关系得：,在x轴、y轴两个方向分别列出静力学平衡方程：,钢桶和重物球的静力学分析,以钢桶质心为参考点，由力矩平衡方程得：,由几何关系得：,在x轴、y轴两个方向分别列出静力学平衡方程：,锚链的静力学分析,锚链整体受力图：,锚链微元分析图：,锚链微段所受到的上端和下端的拉力分别为F和F+dF，重力为G。根据锚链的单位长度重力可得ds微段重力：G = wds。,微段静力平衡方程为：,当d趋向0时，有cosd1,sindd，

5、进而化简得出：,坐标变换方程为：,当锚链较长，平铺在海床上的情况：,各组成部分的关联性分析,总长度 = 浮标吃水深度 + 钢管竖直方向总长度 + 钢桶竖直方向长度 + 锚链竖直方向总长度,问题一求解,枚举自变量h吃水深度（范围：（0，2），通过循环遍历方法找到系泊系统各部件垂向投影长度最接近海水深度18m的解。如图所示，随着浮漂吃水深度的增加，整个系泊系统高度的也会变化。由于此问要求海水深度为18m，所以选择浮标吃水深度在0.74m左右。,问题一求解,枚举自变量h吃水深度（范围：（0，2），通过循环遍历方法找到系泊系统各部件垂向投影长度最接近海水深度18m的解,图1. 风速为12m/s 时锚链

6、形状示意图 图2. 风速为24m/s时锚链形状示意图,锚链形状示意图,问题二,在问题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。请调节重物球的质量，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。,解题思路,套用问题一的模型，算出风速为36m/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，判断设备是否能够正常工作。若不能，以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度为约束条件，重物球的质量为目标函数，运用多目标函数模型求出满足约束条件的重物球质量。同时解出改变重物球的质量后钢桶和各节钢管的倾斜

7、角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。,问题二求解,利用问题一模型，计算风速为36m/s的各个参数。,图3 风速36m/s时锚链形状示意图,问题二求解,在此将重物球的质量问题转化为多目标优化模型，通过改变重物球质量使得浮标的吃水深度、游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。具体来说，以钢桶的倾斜角度不超过5度、锚链在锚点处与海床的夹角不超过16度为约束条件，以浮标吃水深度、钢桶倾角和游动区域这三者为优化目标，对重物球质量进行求解。分别分析重物球质量与浮标吃水深度、游动区域半径、钢桶倾角和锚链与海床夹角之间的关系。此方法通过控制变量进行相关性分析。,问题二求解,图4 重物球质量和浮标吃水深度的关系

8、图,图5 重物球质量和游动区域半径的关系图,问题二求解,图6 重物球质量和钢桶倾角的关系图,图7 重物球质量和锚链底端水平夹角间的关系图,问题二求解,最终通过计算得出，满足浮标吃水深度最大为2m，钢桶倾角小于5，锚链底端水平夹角小于16的重物球质量取值范围在1757kg到5394kg之间。,优化模型：求解合适的重物球质量，使得浮标吃水深度、钢桶倾角和游动区域均处在较小的阶段。由于重物球质量与浮标吃水深度成正比，与游动区域半径、钢桶倾角成反比，所以能够将三个优化目标转换成两个优化目标，其中c为人为给定的权重系数。,问题二求解,由于在给定重物球质量后，不能使得上述两方程同时达到最小。对此，可以使用

9、NSGA-II算法进行优化求解。快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)能够处理多目标优化。在Matlab中能够直接调用自带函数gamutiobj进行求解。在调用函数时需要确定优化目标，变量个数，变量的上下限，以及遗传算法所用到的相关参数（包括最优个体数、种群大小、最大化进化代数、停止代数和适应度函数偏差等）。最终函数会返回一张Pareto front图。,问题二求解,代码：options=gaoptimset(paretoFraction,0.3,populationsize,100,generations,200,stallGenLimit,200,TolFun,1e-100,PlotFc

10、ns,gaplotpareto); 最优个体系数paretoFraction为0.3；种群大小populationsize为100；最大进化代数generations为200；停止代数stallGenLimit为200；适应度函数偏差TolFun设为1e-100；函数gaplotpareto：绘制Pareto前端。,x,fval=gamultiobj(fitnessfcn,nvars,A,b,Aeq,beq,lb,ub,options)fitnessfcn 适应度函数句柄；nvars 变量个数；A、b 线性不等式约束；Aeq,beq 线性等式约束； lb 变量下限；ub 变量上限；option

11、s 具体ga参数,问题二求解,通过运行函数最终会返回一张Pareto front图。Pareto（帕雷托）解又称非支配解或不受支配解：在有多个目标时，由于存在目标之间的冲突和无法比较的现象，一个解在某个目标上是最好的，在其他的目标上可能是最差的。这些在改进任何目标函数的同时，必然会削弱至少一个其他目标函数的解称为非支配解或Pareto解。一组目标函数最优解的集合称为Pareto最优集。最优集在空间上形成的曲面称为Pareto前沿面（Pareto front）。在Pareto front中的所有解较其他解而言拥有最少的目标冲突，可提供一个较佳的选择空间。,问题二求解,此次实验得到Pareto f

12、ront图如下所示。,图8 Pareto front,横坐标所表示的是浮标吃水深度h的优化函数，纵坐标表示的是锚链底端水平夹角和浮动区域面积的联合优化函数。随着浮标吃水深度的增加(效果变差)，联合优化函数的数值在减少(效果变好)。在衡量了两个目标优化函数之后，本实验选取Pareto front斜率较小的一段，即浮标吃水深度在1.2m左右的区域，重物球质量为2650kg。,问题二求解,在确定风速为36 m/s，重物球质量为2650kg后，整个系泊系统的参数和图如下所示：,图9 风速36m/s时锚链形状示意图,问题三求解,海域的实测水深介于16m20m之间。布放点的海水速度最大可达到1.5m/s、

13、风速最大可达到36m/s。请给出考虑风力、水流力和水深情况下的系泊系统设计，分析不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。,对系泊的影响因素： 水深、水流速、风速；优化变量： 重物球质量、锚链型号、锚链长度；优化目标： 浮标吃水，游动区域、钢桶倾角,您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后，在此框中选择粘贴，并选择只保留文字。您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。,浮标的静力学分析,又：,得出:,在x轴、y轴两个方向分别列出静力学平衡方程：,问题三求解,单节钢管受力分析,由力矩平衡方程得：,由几何关系得：,在x轴、y轴两个方向分别列出静力学平衡方程：,钢桶和重物球

14、的静力学分析,以钢桶质心为参考点，由力矩平衡方程得：,由几何关系得：,在x轴、y轴两个方向分别列出静力学平衡方程：,悬链线模型分析,锚链悬链线示意图如下所示：,对于只受重力和两端拉力的锚链进行分析，设锚链处于平衡态，链下端顶点为 (0, 0)，末端顶点为 (x6, y6)，下端水平夹角为 2。对悬链任意一微段 ds 进行分析，由悬链线特性得：其中w为链单位长度重量，又因为 ，所以对其取微分得：分离变量后求积分：,问题三求解,求解不定积分得到：再对方程进行分离变量，求积分可得：由于悬链末端水平夹角为，所以有 ，又因为 ，所以能够求出C1和C2的值。悬链线方程为： 悬链线长度S： 拉力T：,问题三

15、求解,（1）在极限条件下（风速36m/s、水流1.5m/s、水深20m），以系统能够正常工作为条件（锚链与海床夹角16、钢桶倾斜角5），对五种锚链型号进行计算。（2）根据题目要求，使用层次分析法，以钢桶倾斜角度、浮标吃水深度、游动区域三个因素最优为标准，选取最适合的锚链长度、重物球质量、浮标吃水深度。（3）选取最合适的锚链型号和重物球质量后，选取海水深度、风速、水流速，求出在此方案下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。,层次分析法优化模型,层次分析法(AHP,analytic hierarchy process)是一种多目标、多准则的决策方法。影响复杂系统的因素往往结构

16、繁复、不确定性大。因此评估复杂系统中不同影响因素的重要程度（权重）是非常有必要的。使用层次分析法进行分析决策的主要步骤：构建层次结构模型、判断矩阵的构造、计算相对权重与一致性检验。,（1）构建层次结构模型根据系泊系统设计使得浮标的吃水深度、游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小的要求，初步确定浮标吃水深度、游动区域范围、钢桶的倾斜角度为系泊系统设计优化指标。这三项指标的值相互存在关联，如减小钢桶的倾斜角度可能要以增加浮标的吃水深度为代价，因此考虑将三个优化指标综合考虑。,（2）判断矩阵构造确定各层次各因素之间的权重时，不把所有因素放在一起比较，而是两两相互比较，以尽可能减少性质不同的各因素相互比较的

17、困难，来提高准确度。重要性相等、略重要、明显重要、非常重要、极端重要分别采用1、3、5、7、9标度表示。 为要素i与要素j重要性比较结果。并且判断矩阵具有 这一特性。浮标能正常采集数据需要吃水深度尽量小且浮标不能沉没；游动区域则反映了浮标的稳定程度；钢桶倾斜角小于 5是系泊系统正常工作的条件。针对前两问计算结果的分析，确定钢桶的倾斜角度、浮标吃水深度、游动区域三个指标的判别矩阵A。 A=,层次分析法优化模型,（3）计算相对权重（算数平均法）首先对判断矩阵的每一列向量做归一化处理：再对每一行求平均得到钢桶倾斜角度、浮标吃水深度、游动区域三个因素的权重。 每列做归一化 每行求平均 综合优化指标 f

18、=0.11*钢桶倾斜角度+0.63*浮标吃水深度+0.26*游动区域综合优化指标越小，系泊系统的效果越好。,层次分析法优化模型,（4）一致性检验首先计算判断矩阵最大特征值 =3.0385、一致性指标CI。 CI = 0.01925其次根据n的大小，按照下表查找平均随机一致性指标RI。最后计算一致性比例CR，如果CR 0.1, 则可认为判断矩阵的一致性可以接受；否则需要对判断矩阵进行修正。 通过计算得CR=0.0370.1。满足要求,层次分析法优化模型,问题三求解,在极限条件下（水深20m，风速36m/s，水流速1.5m/s），计算对系泊系统能够正常工作的锚链型号和长度、重物球质量及综合评分。本

19、次实验采用枚举遍历的方法，以吃水深度为变量，系泊系统高度与水深相等为目标，通过枚举锚链长度和重物球质量的方法，找到满足系泊系统正常工作条件的参数，并计算其综合评分。最后得到五种不同型号锚链的长度、对应重物球质量和综合评分。,由于综合评分越小系统越稳定，故选择锚链型号V（单位质量为28.12Kg），锚链长度20.34，重物球质量4210kg的条件。,问题三求解,由于获得了锚链的型号、长度和重物球质量，接下来能够求解出不同风速、水速和水深情况下，系泊系统正常工作的状态图。第三问对锚链模型进行了改进，使用悬链线方程。前两问对锚链使用的微元法进行求解。接下来将对锚链的不同模型进行对比分析。,问题三求解

20、,在风速为36m/s，水速为1.5m/s以及水深为18m时的系泊系统正常工作的状态：,图10 风速36m/s,水速1.5m/s,水深18m时锚链形状示意图（悬链线模型）,图11 风速36m/s,水速1.5m/s,水深18m时锚链形状示意图（微元法模型）,问题三求解,在风速为24m/s，水速为1.25m/s以及水深为20m时的系泊系统正常工作的状态：,图12 风速24m/s,水速1.25m/s,水深20m时锚链形状示意图（悬链线模型）,图13 风速24m/s,水速1.25m/s,水深20m时锚链形状示意图（微元法模型）,问题三求解,风速、水流速对系泊系统影响分析： 风速和水流速的增加将导致整个系

21、泊系统向其相同的方向偏移，其导致浮标的游动区域变得更大，锚链水平夹角变大、钢桶倾角变大，系泊系统的工作状态变差。,图14 风速对系泊系统影响图 图15 风速对系泊系统影响图,问题三求解,海水深度对系泊系统影响分析： 海水深度的增加会使得锚链水平夹角变大，但是浮标游动区域会减小，对于钢桶倾角没有明显的改变。,图16 水深对系泊系统影响图,04,模型评价与结论,模型一、二的误差分析1.在海水静止的情况下，系泊系统所示的各结构模块也可能不位于同一竖直平面内，连接处对系统高度和受力情况存在一定影响。2.锚链自身和其与相邻锚链相连时都有空隙。3.实际情况下，浮标的风倾角对系统产生的极微弱影响在分析对象不

22、同时显著性可能有差别。模型三误差分析 1.在海水流动的情况下，浮标可能受到随时间变化的复杂的力，本模型视近海水流力和风力为恒力可能会产生一定的误差。2.在计算过程中为了方便计算会适当简化方程，由此产生计算误差。3.层次分析法的判断矩阵存有误差，还有更好的优化方法。4.实际海况较为复杂且系泊系统受力也比较复杂，因此需进一步改进该系统使得它适用范围更广。,结论：本模型对系泊系统中的每个组件都进行受力分析，建力了关于力平衡与力矩平衡方程，并且寻求最优的设计方案。整个设计的系泊系统主要还是以其能够在极限海况中正常工作为目标，由于其不确定因素较多，无法全面的考量整个系统的最优解。对于此模型，主要还是一个符合设计功能的较为简易的模型。改进之处：（1）此模型并未考虑经济方面的影响因素，设计的系泊系统可能存在用料较大，费用较高的缺点。在实际应用中，可以综合考虑这方面的因素，对锚链和重物球的规格做一定的限制，更好地满足实际应用需求。（2）实际海况更为复杂且系泊系统受力也复杂，海水流速随着深度也会相应变化。因此需进一步改进该系统使得它适用范围更广。例如，在不同的海域存在相应的季风区域和洋流，通过结合地理位置来设计系泊系统，能够使其工作效果更好。,THANKS!,