外文翻译1 机械毕业设计外文翻译论文1 （中英文对照）液压挖掘机的半自动控制系统
Semi-automatic control system for hydraulic shovel（液压挖掘机的半自动控制系统）——中英文对照
Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima
日本机械工程研究实验室Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271,
2000年7月27日
摘要
开发出了一种应用于液压挖掘机的半自动控制系统。采用该系统，即使是不熟练的操作者也能容易和精确地操控液压挖掘机。构造出了具有控制器的液压挖掘机的精确数学控制模型，同时通过模拟实验研发出了其控制算法，并将其应用在液压挖掘机上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通过正反馈及前馈控制、非线性补偿、状态反馈和增益调度等各种手段获得较高的控制精度和稳定性能。自然杂志2001 版权所有
关键词：施工机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作
1．引言
液压挖掘机，被称为大型铰接式机器人，是一种施工机械。采用这种机器进行挖掘和装载操作，要求司机要具备高水平的操作技能，即便是熟练的司机也会产生相当大的疲劳。另一方面，随着操作者年龄增大，熟练司机的数量因而也将会减少。开发出一种让任何人都能容易操控的液压挖掘机就非常必要了[1-5]。
液压挖掘机之所以要求较高的操作技能，其理由如下。
1.液压挖掘机的操作，至少有两个操作手柄必须同时操作并且要协调好。
2.操作手柄的动作方向与其所控的臂杆组件的运动方向不同。
例如，液压挖掘机的反铲水平动作，必须同时操控三个操作手柄（动臂，斗柄，铲斗）使铲斗的顶部沿着水平面（图1）运动。在这种情况下，操作手柄的操作表明了执行元件的动作方向，但是这种方向与工作方向不同。
如果司机只要操控一个操作杆，而其它自由杆臂自动的随动动作，操作就变得非常简单。这就是所谓的半自动控制系统。
开发这种半自动控制系统，必须解决以下两个技术难题。
1. 自动控制系统必须采用普通的控制阀。
2. 液压挖掘机必须补偿其动态特性以提高其控制精度。
现已经研发一种控制算法系统来解决这些技术问题，通过在实际的液压挖掘机上试验证实了该控制算法的作用。而且我们已采用这种控制算法，设计出了液压挖掘机的半自动控制系统。具体阐述如下。
2．液压挖掘机的模型
为了研究液压挖掘机的控制算法,必须分析液压挖掘机的数学模型。液压挖掘机的动臂、斗柄、铲斗都是由液压力驱动，其模型如图2所示。模型的具体描述如下。
2.1 动态模型[6]
假定每一臂杆组件都是刚体，由拉格朗日运动方程可得以下表达式：
其中
g是重力加速度；θi铰接点角度；τi是提供的扭矩；li组件的长度；lgi转轴中心到重心之距；mi组件的质量；Ii是重心处的转动惯量(下标i=1-3;依次表示动臂，斗柄，铲斗)。
2.2 挖掘机模型
每一臂杆组件都是由液压缸驱动，液压缸的流量是滑阀控制的，如图3所示。可作如下假设：
1.液压阀的开度与阀芯的位移成比例。
2.系统无液压油泄漏。
3.液压油流经液压管道时无压力损失。
4.液压缸的顶部与杆的两侧同样都是有效区域。
在这个问题上，对于每一臂杆组件，从液压缸的压力流量特性可得出以下方程：
当
时；
其中，Ai是液压缸的有效横截面积;hi是液压缸的长度;Xi是滑芯的位置；Psi 是供给压力;P1i是液压缸的顶边压力；P2i是液压缸的杆边压力；Vi是在液压缸和管道的油量；Bi是滑阀的宽度；γ是油的密度；K是油分子的黏度；c是流量系数。
2.3 连杆关系
在图1所示模型中，液压缸长度改变率与杆臂的旋转角速度的关系如下：
(1)动臂
(2)斗柄
(3)铲斗
当时，
2.4 扭矩关系
从2.3节的连杆关系可知，考虑到液压缸的摩擦力，提供的扭矩τi如下
其中，Cci是粘滞摩擦系数;Fi是液压缸的动摩擦力。
2.5 滑阀的反应特性
滑阀动作对液压挖掘机的控制特性产生会很大的影响。因而，假定滑阀相对参考输入有以下的一阶延迟。
其中，是滑芯位移的参考输入；是时间常数。
3 角度控制系统
如图4所示，θ角基本上由随动参考输入角θγ通过位置反馈来控制。为了获得更精确的控制，非线性补偿和状态反馈均加入位置反馈中。以下详细讨论其控制算法。
3.1 非线性补偿
在普通的自动控制系统中，常使用如伺服阀这一类新的控制装置。在半自动控制系统中，为了实现自控与手控的协调，必须使用手动的主控阀。这一类阀中，阀芯的位移与阀的开度是非线性的关系。因此，自动控制操作中，利用这种关系，阀芯位移可由所要求的阀的开度反推出来。同时，非线性是可以补偿的（图5）。
3.2 状态反馈
建立在第2节所讨论的模型的基础上，若动臂角度控制动态特性以一定的标准位置逼近而线性化（滑芯位移X 10，液压缸压力差P 110，动臂夹角θ10），则该闭环传递函数为
其中，Kp是位置反馈增益系数；
由于系统有较小的系数a1,所以反应是不稳定的。例如，大型液压挖掘机SK-16
中。X10是0，给出的系数a0=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上加速度反馈放大系数Ka，因而闭环（图4 的上环）的传递函数就是
加入这个因素,系数S就变大，系统趋于稳定。可见，利用加速度反馈来提高反应特性效果明显。
但是，一般很难精确的测出加速度。为了避免这个问题，改用液压缸力反馈取代加速度反馈（图4的下环）。于是，液压缸力由测出的缸内的压力计算而滤掉其低频部分[7，8]。这就是所谓的压力反馈。
4 伺服控制系统
当一联轴器是手动操控，而其它的联轴器是因此而被随动作控制时，这必须使用伺服控制系统。例如，如图6所示，在反铲水平动作控制中，动臂的控制是通过保持斗柄底部Z（由θ1与θ2计算所得）与Zr 的高度。为了获得更精确的控制引入以下控制系统。
4.1 前馈控制
由图1计算Z，可以得到
将方程（8）两边对时间求导，得到以下关系式，
右边第一个式子看作是表达式（反馈部分）将替换成1，右边第二个式子是表达式（前馈部分）计算当θ2手动地改变时，θ1的改变量。
实际上，用不同的△θ2值可确定1。通过调整改变前馈增益Kff，可实现最佳的前馈率。
采用测量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代测斗柄的角速度，因为驱动斗柄的角速度与操作手柄的位置近似成比例。
4.2 根据位置自适应增益调度
类似液压挖掘机的铰接式机器人，其动态特性对位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益稳定的控制机器是困难的。为了解决这个难题，根据位置的自适应增益调度并入反馈环中（图6）。如图7所示，自适应放大系数（KZ或Kθ）作为函数的两个变量，2和Z 、2表示斗柄的伸长量，Z是表示铲斗的高度。
5 模拟实验结论
反铲水平动作控制的模拟实验是将本文第4节所描述的控制算法用在本文第2节所讨论的液压挖掘机的模型上。（在SK-16大型液压挖掘机进行模拟实验。）图8表示其中一组结果。控制系统启动5秒以后，逐步加载扰动。图9表示使用前馈控制能减少控制错误的产生.
6 半自动控制系统
建立在模拟实验的基础上，半自动控制系统已制造出来，应用在SK-16型挖掘机上试验。通过现场试验可验证其操作性。这一节将讨论该控制系统的结构与功能。
6.1 结构
图10的例子中，控制系统由控制器、传感器、人机接口和液压系统组成。
控制器是采用16位的微处理器，能接收来自动臂、斗柄、铲斗传感器的角度输入信号，控制每一操作手柄的位置，选择相应的控制模式和计算其实际改变量，将来自放大器的信号以电信号形式输出结果。液压控制系统控制产生的液压力与电磁比例阀的电信号成比例，主控阀的滑芯的位置控制流入液压缸液压油的流量。
为获得高速度、高精度控制，在控制器上采用数字处理芯片，传感器上使用高分辨率的磁编码器。除此之外，在每一液压缸上安装压力传感器以便获得压力反馈信号。
以上处理后的数据都存在存储器上，可以从通信端口中读出。
6.2 控制功能
控制系统有三种控制模式，能根据操作杆
和选择开关自动切换。其具体功能如下。
（1）反铲水平动作模式：用水平反铲切换开关，在手控斗柄推动操作中，系统自动的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平运动。在这种情况下，当斗柄操作杆开始操控时，其参考位置是从地面到斗柄底部的高度。对动臂操作杆的手控操作能暂时中断自动控制，因为手控操作的优先级高于自动控制。
（2）铲斗水平举升模式：用铲斗水平举升切换开关，在手控动臂举升操作中，系统自动控制铲斗。保持铲斗角度等于其刚开始举升时角度以阻止原材料从铲斗中泄漏。
（3）手控操作模式：当既没有选择反铲水平动作模式，也没有选择铲斗水平举升模式时，动臂，斗柄，铲斗都只能通过手动操作。
系统主要采用C语言编程来实现这些功能，以构建稳定模组提高系统的运行稳定性。
7 现场试验结果与分析
通过对系统进行现场试验，证实该系统能准确工作。核实本文第3、4节所阐述的控制算法的作用，如下所述。
7.1 单个组件的自动控制测试
对于动臂、斗柄、铲斗每一组件，以±5o的梯度从最初始值开始改变其参考角度值，测量其反应，从而确定第3节所描述的控制算法的作用。
7.1.1 非线性补偿的作用
图11 表明动臂下降时的测试结果。因为电液系统存在不灵敏区，当只有简单的位置反馈而无补偿时（图11中的关）稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后（图11中的开）能减少这种错误的产生。
7.1.2 状态反馈控制的作用
对于斗柄和铲斗，只需位置反馈就可获得稳定响应，但是增加加速度或压力反馈能提高响应速度。以动臂为例，仅只有位置反馈时，响应趋向不稳定。加入加速度或压力反馈后，响应的稳定性得到改进。例如，图12表示动臂下降时，采用压力反馈补偿时的测试结果。
7.2 反铲水平控制测试
在不同的控制和操作位置下进行控制测验，观察其控制特性，同时确定最优控制参数（如图6所示的控制放大系数）。
7.2.1 前馈控制作用
在只有位置反馈的情况下，增大放大系数Kp，减少△Z错误，引起系统不稳定，导致系统延时，例如图13所示的“关”，也就是Kp不能减小。采用第4.1节所描述的斗柄臂杆前馈控制能减少错误而不致于增大Kp。如图示的“开”。
7.2.2 位置的补偿作用
当反铲处在上升位置或者反铲动作完成时，反铲水平动作趋于不稳定。不稳定振荡可根据其位置改变放大系数Kp来消除，如第4.2节所讨论的。图14 表示其作用，表明反铲在离地大约2米时水平动作结果。与不装补偿装置的情况相比较，图中的关表示不装时，开的情况具有补偿提供稳定响应。
7.2.3 控制间隔的作用
关于控制操作的控制间隔的作用，研究结果如下：
1.当控制间隔设置在超过100ms时，不稳定振荡因运动的惯性随位置而加剧。
2.当控制间隔低于50ms时，其控制操作不能作如此大提高。
因此，考虑到计算精度，控制系统选定控制间隔为50ms。
7.2.4 受载作用
利用控制系统，使液压挖掘机执行实际挖掘动作，以研究其受载时的影响。在控制精度方面没有发现与不加载荷时有很大的不同。
8 结论
本文表明状态反馈与前馈控制组合，使精确控制液压挖掘机成为可能。同时也证实了非线性补偿能使普通控制阀应用在自动控制系统中。因而应用这些控制技术，允许即使是不熟练的司机也能容易和精确地操控液压挖掘机。
将这些控制技术应用在其它结构的机器上，如履带式起重机，能使普通结构的机器改进成为可让任何人容易操控的机器。
参考文献
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一、问题重述 近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成（如图1所示）。某型传输节点的浮标系统可简化为底面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。锚的质量为600kg，锚链选用无档普通链环，近浅海观测网的常用型号及其参数在附表中列出。钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。要求锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，致使节点移位丢失。水声通讯系统安装在一个长1m、外径30cm 的密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为100kg。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度（钢桶与竖直线的夹角）超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。 系泊系统的设计问题就是确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。 问题1某型传输节点选用II型电焊锚链，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×103kg/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。 | 问题2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。 问题3 由于潮汐等因素的影响，布放海域的实测水深介于16m~20m之间。布放点的海水速度最大可达到s、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。 二、模型假设 1.不考虑流体对锚链的作用，忽略锚链本身的伸长，锚链沿长度均匀分布； 2.假设风是二维的，只存在平行于水平面的风速，不存在垂直方向上的分量；
数学建模A题系泊系统 设计 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
系泊系统的设计 摘要 本题要求观测近海观测网的组成，建立模型对其中系泊系统进行设计，在不同风速和水流的情况下确定锚链，重物球，钢管及浮标等的状态，从而使通讯设备的工作效果最佳。求解的具体流程如下： 针对问题一，分别对系统中的受力物体在水平方向和竖直方向上的力进行分析，找出锚链对锚无拉力时的临界风速，运用力矩平衡求出钢管与钢桶的倾斜角度。对于锚链，将其等效为悬链线模型，根据风速不同判断锚链的状态，从而求出结果。 ?时能够正常工作。为针对问题二，需要调节重物球的质量，使通讯设备在36m m 了确定重物球的质量，首先将实际风速与临界风速进行比较，判断此时系统中各物体的状态，与题目中已知数据进行比较。在钢桶倾斜角度达到临界角度时，计算锚链与海床的夹角并于题中数据进行比较，计算重物球的质量。在浮标完全没入海面时，计算相应条件下重物球的质量，从而确定满足条件的重物球的质量范围。 针对问题三，要求在不同条件下，求出系泊系统中各物体的状态。以型号I锚链为例，当水流方向与风速方向相同时，系统条件最差，分析在不同水深条件下的系泊系统设计。由题中已知条件确定系统设计的限制条件，对系统各物体进行受力分析，以使整体结果最小，即可得出最优的系泊系统设计。 关键词：悬链线多目标非线性规划 一、问题重述 近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成（如图1所示）。某型传输节点的浮标系统可简化为底面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。锚的质量为600kg，锚链选用无档普通链环，近浅海观测网的常用型号及其参数在附表中列出。钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。要求锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，致使节点移位丢失。水声通讯系统安装在一个长1m、外径30cm的密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为100kg。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度（钢桶与竖直线的夹角）超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。 系泊系统的设计问题就是确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。
Internal Combustion Engine &Parts 0引言 近海系泊系统作为气象监控，海洋探测的主要载体工具，对工程的实际应用有一定的积极作用。为了开发海洋资源，促进经济的发展，满足日益增长的能源需求量，深海油气的开发已成为必然趋势，而系泊系统的设计是深海平台开发的关键问题之一，其设计的目的是保证选择的型号满足工作功能需求，建立相关的代数模型研究在不同情况下的设计方案。 1系泊系统模型 1.1系泊系统平衡模型 忽略作用在锚链上的流动力， 可以将整个锚链简化成悬链线的形式，浮标系统和系泊系统在经过持续海风时浮 标停止运动，系泊系统达到平衡，运用牛顿运动定律和平 行四边形状规则对系统内的各个物体进行受力分析，得到关系表达式为 第一钢管对浮标的拉力为T ，T 与竖直方向多的夹角为θ，浮标所受的浮力为F f ，所受海风荷载为F N ，浮标本身的重力为G ，浮标沉在水中的百分比为α，浮标的直径为d ，沉在水中的高度为h f ，海水的密度为ρ，风速为V ，根据海风荷载近似公式为 求。同时满足轮胎加防滑链极限包络大于 15mm 间隙要求。图3图4Z 向空间 >80mm 图5铆接设计图6铆接设计 ③翼子板下部设计。翼子板下部设计成台阶形。当下部长度>120mm ，需设计成双台阶形（图4），便于两个安装点安装。当翼子板下部刚度不足时，翼子板下部增加下部加强板。翼子板下部设计注意几点：1）翼子板下部加强板材料DC05，料厚为0.7-1.0。2）翼子板下部加强板与翼子板下部安装面打3-5焊点相连。④翼子板后部设计。翼子板后部由于前门总成运动包络影响，翼子板翻边向内小于45度，利于成型。通常安装面设计成台阶形或平 面。翼子板后部安装孔设计圆孔或开口U 形孔，U 形更利于装配。 ⑤翼子板上部设计。 翼子板上部通常安装点采有台阶设计。根据冲压工艺反馈，翻边高度设计为<40mm ，防止出现面品问题。 为满足行人保护要求，通常会从以下几种方式考虑。通常翼子板支架设计成几字形，并在支架两开孔落化（图4）。翼子板上部与边梁高度控制在80mm 以上（图4）。翼子板翻边在满足刚度前提下，尽量开豁口。随着新工艺的发展，翼子板结构，可以采铆接技术，具体设计如图5、6所示。 3制造过程控制 ①翼子板周边件产品要符合设计精度要求。②翼子板过涂装通常有两种方式，一种是在焊装装配 随车身一同电泳，另一种是单件单独电泳。建议采用第一 种，防止总装配出现难调整问题。③总装装配严格按工艺装配相关件。按装配顺序装配完成，再作微调。4结语总之保证翼子板品质，要从设计、制造过程着手。随着 铝合金翼子板、塑料翼子板应用，翼子板设计、制造过程有所变化，但总体设计理念不变。参考文献: [1]袁亮，秦信武，苗布和.汽车前翼子板的布置和结构设计[J].设计研究，2012，04，28. 系泊系统的研究设计 王莎莎;晏明莉 （河南师范大学，新乡453007） 摘要:本文所建立的近海系泊系统模型主要用于研究系泊系统在不同环境下的内在关系，进而给出适应不同情况的设计方案。影 响系泊系统的主要因素分别为锚链的型号，长度和重物球的质量，以及锚链的倾斜角度，浮标的吃水深度和游动区域，通过对系统中各个部分进行受力分析，建立相关的代数模型。该模型通过建立平衡方程组，采用最优控制策略、二分法收敛性和迭代判断，反复迭代计算求解。分别把锚链的型号，长度和重物球的质量作为自变量，把锚链的倾斜角度，浮标的吃水深度和游动区域作为因变量，建立模型进而得出不同环境下系泊系统的设计方案。 关键词:系泊系统设计；最优控制策略；二分法；平衡方程组；迭代计算
系泊系统的设计 摘 要 近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成，其中系泊系统由钢管、钢桶、重物球及锚链共同组成。此种系泊系统承受风、浪、流的作用及锚链的作用力，运动特性十分复杂。因此，针对海洋环境中水声通讯系统的要求，分析风浪中浮标的动力问题并设计出既安全又经济的系泊系统，对保证水声通讯系统的工作效果来说意义重大。 本文运用了两种方法对锚链进行了受力分析，首先对单一材质的锚链进行分析，从而得出了经典悬链方程，对不同段不同材质的锚链进行分段受力分析，得出了不同段不同材质的悬链方程，该方程的得出极大的方便了计算浮标锚泊系统的初始状态，为动力分析奠定基础；其次利用牛顿法对锚链受力问题进行了数值求解，得到当海面风速为12/m s 加大到24/m s 时，每节钢管的倾斜角度也随之变大，浮标的吃水深度也不断增大，浮标的游动区域增加的更为明显。当风速加大为36/m s 时，钢桶的倾斜角已超过5度，为使钢桶倾斜角小于5度，须将重物球的质量增加至1783kg 。 再考虑风力、水流力、潮汐（波浪）等动力因素时，可以将问题进行简化，即直接考虑在水深18m 的情况下由于波浪的作用（准确的说是2m 波浪的作用），可使整个浮标漂浮于水面上（20m 情形），也可使整个浮标沉于水面下（16m 情形）。最后通过对浮标的受力分析，可得到浮标的动力控制方程，采用数值方法，可以得到在风速为36/m s ，水流速度为1.5/m s 时，倾斜角、吃水深度的数值解。 关键词： 浮标；系统；设计；动力分析
一．问题重述 近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成（如图1所示）。某型传输节点的浮标系统可简化为底面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。锚的质量为600kg，锚链选用无档普通链环，近浅海观测网的常用型号及其参数在附表中列出。钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。要求锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，致使节点移位丢失。水声通讯系统安装在一个长1m、外径30cm 的密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为100kg。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度（钢桶与竖直线的夹角）超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。系泊系统的设计问题就是确定锚链的型号、长度和重物球的质量，使得浮标的吃水深度和游动区域及钢桶的倾斜角度尽可能小。 问题1某型传输节点选用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1.025×103kg/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。 问题2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。 问题3 由于潮汐等因素的影响，布放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、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。 二．模型假设与符号说明 1.模型的假设 由于浮标在海洋受海风、气流、海浪等的作用，气象及水文条件多变，在此，我们对整个问题作适当假设，在下文中，当涉及到具体问题时，我们将有针对性地给出必要的补充。 （1）锚链重力远远大于锚链所受到的流体作用力； （2）海床平坦，无凹凸不平情况； （3）浮标始终是垂直于海平面的，无倾斜或跌倒现象； （4）海面风速均匀、恒定，且风向始终平行于海平面； （5）海水流速均匀（流速与水深无关），且方向恒定（海流无垂直分量）； （6）锚链在整个过程中是不可弹性形变。
数学建模a题系泊系统 设计 集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]
系泊系统的设计 摘要 本题要求观测近海观测网的组成，建立模型对其中系泊系统进行设计，在不同风速和水流的情况下确定锚链，重物球，钢管及浮标等的状态，从而使通讯设备的工作效果最佳。求解的具体流程如下： 针对问题一，分别对系统中的受力物体在水平方向和竖直方向上的力进行分析，找出锚链对锚无拉力时的临界风速，运用力矩平衡求出钢管与钢桶的倾斜角度。对于锚链，将其等效为悬链线模型，根据风速不同判断锚链的状态，从而求出结果。 ?时能够正常工针对问题二，需要调节重物球的质量，使通讯设备在36m m 作。为了确定重物球的质量，首先将实际风速与临界风速进行比较，判断此时系统中各物体的状态，与题目中已知数据进行比较。在钢桶倾斜角度达到临界角度时，计算锚链与海床的夹角并于题中数据进行比较，计算重物球的质量。在浮标完全没入海面时，计算相应条件下重物球的质量，从而确定满足条件的重物球的质量范围。 针对问题三，要求在不同条件下，求出系泊系统中各物体的状态。以型号I 锚链为例，当水流方向与风速方向相同时，系统条件最差，分析在不同水深条件下的系泊系统设计。由题中已知条件确定系统设计的限制条件，对系统各物体进行受力分析，以使整体结果最小，即可得出最优的系泊系统设计。 关键词：悬链线多目标非线性规划 一、问题重述 近浅海观测网的传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成（如图1所示）。某型传输节点的浮标系统可简化为底面直径2m、高2m的圆柱体，浮标的质量为1000kg。系泊系统由钢管、钢桶、重物球、电焊锚链和特制的抗拖移锚组成。锚的质量为600kg，锚链选用无档普通链环，近浅海观测网的常用型号及其参数在附表中列出。钢管共4节，每节长度1m，直径为50mm，每节钢管的质量为10kg。要求锚链末端与锚的链接处的切线方向与海床的夹角不超过16度，否则锚会被拖行，致使节点移位丢失。水声通讯系统安装在一个长1m、外径30cm的密封圆柱形钢桶内，设备和钢桶总质量为100kg。钢桶上接第4节钢管，下接电焊锚链。钢桶竖直时，水声通讯设备的工作效果最佳。若钢桶倾斜，则影响设备的工作效果。钢桶的倾斜角度（钢桶与竖直线的夹角）超过5度时，设备的工作效果较差。为了控制钢桶的倾斜角度，钢桶与电焊锚链链接处可悬挂重物球。
系泊系统的设计 发表时间：2020-01-18T09:59:04.837Z 来源：《基层建设》2019年第28期作者：武佳雷宇张曼[导读] 摘要：系泊系统不论是在船舶航行，还是在海洋资源的综合利用与开发中，均得到了广泛应用，因而，系泊系统的设计问题十分具有现代意义。 华北理工大学数学建模实验室 063000摘要：系泊系统不论是在船舶航行，还是在海洋资源的综合利用与开发中，均得到了广泛应用，因而，系泊系统的设计问题十分具有现代意义。本文隔离系统各组成部分，逐一进行受力分析和力矩分析，构造相应的刚体力学方程组，并根据海水深度联系各参数最终建立系泊系统状态模型。 关键词：系泊系统状态模型；受力平衡；力矩平衡 0引言 当海面风速一定且海水静止时，系泊系统的状态，即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与系泊系统各部分之间的受力平衡和力矩平衡以及海水深度的约束密切相关。因此，可以隔离该系统的各组成部分，逐一进行力学分析，并最终根据海水深度，联系各参数建立系泊系统状态模型。具体数值参考2016年高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题。系泊系统可分为浮标、钢管、钢桶和重物球、锚链四个部分，由题中锚链长度和型号计算得锚链共有210个链环，为了方便表述，对系统内部由上到下的构件进行标记：表1 各构件编号 1力学方程与模型的建立 1.1对浮标的力学分析[1] 漂浮在水面上的浮标，受到来自水平方向的风力、海水对它的浮力、其余组件对它作用力以及自身的重力，与夹角为 。已知浮标的高为，质量为，直径为，海水的密度为，设浮标的吃水深度为，根据重力、浮力公式，以及近海风荷载的近似计 算公式，可得。此时，浮标受到速度为的海风作用在海面上达到平衡，受力分解后，其在水平方向和垂直方向的受力均平衡。于是整理可得关于浮标的完整的刚性力学方程组[2]。其中，其在竖直面的投影高度即为浮标的吃水深度。 1.2对钢管的力学分析没入水中的钢管，由于海水静止，因此忽略水流力水平方向的作用。以与浮标相接的第一节钢管为例，其受到浮标对它的反作用力 、其余组件对它的作用力、海水对它的浮力以及自身的重力。为保持力矩平衡，钢管不发生旋转的现象，浮标对它的反作用力应相对于它的中心轴更偏向竖直方向。 此时有相对于竖直方向的夹角与和的夹角相等，即：，根据牛顿第三定律：。此时，钢管在这些力的共同作用下保持平衡。已知每节钢管的长度为 ，直径为，质量为，根据受力平衡、力矩平衡和重力、浮力公式，可得到相应的刚性力学方程组。其中，其在竖直面的投影高度为。 对于余下的三节钢管，依次进行同样的力学分析。得到对应的完整的刚性力学方程组，以及各钢管在竖直面的投影高度为、 、。 1.3对钢桶和重物球的力学分析没入水中的钢桶和重物球，由于海水静止，则忽略水流力水平方向的作用。对于重物球，其受到钢桶对其的作用力、海水对它的浮 力以及自身的重力。对于钢桶，其受到重物球对其的作用力（方向竖直向下）、其余部件对它的作用力（与竖直方向夹角为 ）和（与夹角为）、海水对它的浮力以及自身的重力.根据牛顿第三定律有。此时，钢桶在这些力的共同作用下保持平衡。已知钢桶的长度为，重物球的质量，设备和钢桶的总质量为，且外径为，根据受力平衡、力矩平衡（注意判断力矩方向）、牛顿第三定律则和阿基米德定律可得到对应的完整的刚性力学方程组。 此时，其在竖直面的投影高度为。 1.4对锚链的力学分析选取编号为的链环，联系该链环以及其上的其余部件构成一个新的整体，对该整体进行受力平衡的分析，其受到海风给它的风力、余下部分给它的拉力、海水给它的浮力以及自身所受的总重力，与水平方向夹角为。通过对整体的分析，简化了作用力与反作用力不断迭代的过程，更加直观的得到受力平衡时的状态。锚链密度为，每节链环的长度和单位长度的质量，再根据前式得到整体所受的总重力，受到海水的总浮力，整理后，可得到关于这个整体的完整的刚性力学方程组。 此时，各链环与竖直方向的夹角即可描述出锚链的形状。各节链环在竖直面的投影高度分别为： 1.5建立系泊系统状态模型 已知水深为，则有