海上试验场是海洋观测、监测、仪器设备研发及海洋科学研究的重要试验平台，国外海洋发达国家对海上试验场的建设都投入了大量的资金和精力。我国研发体制中相关经费主要支持瞄准国际先进水平的传感器等海洋仪器设备研发^[1-2]，而在样机研发成功后产品化测试支撑相对不足。由于条件良好的现场试验条件还不具备，大量功能样机没有实现产品定型，建立海上仪器设备试验场是解决这一问题的必由之路。国外海洋发达国家海上试验场多为大型综合试验场，而国内由于对试验场的建设起步较晚，试验场功能单一，与海洋发达国家存在一定差距^[3-5]。为解决这一问题，基于上海近海现有测站基础设施，提出了以大戟山为中心，南槽东、芦潮港、唐脑山岛及绿华礁等4个分站点组成的传感器试验场建设方案，可以充分利用这些站点间盐度、浊度、营养盐变化大的特点，降低仪器设备测试周期。

测试传感器与利用传感器进行海洋环境检测不同，需要进行具有不同功能的装备结构开发，包括可用于观测传感器腐蚀和生物附着的升降装置，减缓附着形成的螺旋桨动力系统，降低波浪影响的消波结构等。试验场中站点潮差大、流速高，海洋仪器测试装置需保证传感器工作的可靠性、稳定性及抗风浪性。不同于外露式检测，立管结构测试装置能够保证传感器在浪流中工作的可靠性和升降的稳定性。为增强系统设计的合理性，满足在测站安装后的强度要求，进行结构力学和流固耦合分析有助于满足海上长周期作业要求，提升系统可靠性。

1 海洋仪器测试装置立管结构设计 1.1 立管内部机构设计及工作原理

海洋仪器测试装置立管包含立管体、升降装置、被测仪器固定机构三部分，如图 1所示。升降装置包括同轴且可旋转的上、下升降立管。上升降立管内设置升降涡轮蜗杆减速电机，下升降立管内壁设有带滚珠的套管装置，提高海洋仪器升降平稳性，减小升降过程中的摩擦阻力；上升降立管外部设有转动卡箍，便于海洋仪器的检查、更换。被测仪器安装于固定机构，采用卡箍对传感器进行锁紧和拆卸操作。海洋仪器固定装置底部的螺旋桨通过旋转涡流对被测对象外壁进行冲刷，减缓传感器生物附着的产生。下升降立管内含有柱形浮力块，浮力块可以提供浮力，减轻钢缆的受力。上、下升降机构组成如图 2所示。

由于传感器升降幅度最大8 m，考虑到钢缆及线缆的长度，为避免其缠绕，升降装置中设计有排线装置。排线装置中收线轮与排线螺纹杆的传动比为1: 1，从而使升降减速电机带动收线轮和排线螺母同步旋转，线缆有序排在收线轮上。当电机收到控制信号后，通过齿轮啮合传动带动排线装置工作，使被测仪器顺着立管上升(下降)，并且收线轮每转一圈，排线螺母相应移位，使钢缆线紧密排在收线轮上，不发生缠绕现象。

1.2 系统总体结构与功能实现

海洋仪器测试装备需要挂载不同型号的传感器等设备，以对传感器进行性能检测和对比^[6-11]。如图 3所示，在海上测站平台预装支架，将立管固定用螺栓安装在支架上。立管内部的浮力块底部设有液位控制开关，当其接触海平面时，开关断开，升降减速电机停止。此时，传感器伸入海面下方设定的距离，并由浮力块牵拉。涨潮时，浮力块随潮位上升，并牵拉下部传感器上升；退潮时，并且超过原始液位，则液位开关开启，电机运作，直到传感器下降到海面以下指定的距离。立管装置采用大口径圆管互相嵌套的机理，自内向外依次设有内层PVC立管、中层PVC立管，中层PVC立管上布有硬质硅胶珠。

本装备能够实现海洋仪器稳定的升降，并能一定程度上减少海洋仪器生物附着，有效保证海洋仪器稳定运作，自动适应海上潮位变化，为海洋仪器样机测试、海洋环境检测提供高效的服务平台。

2 立管关键部件功能的分析

海洋仪器测试装备安装在海上测站，高潮位时，装备立管深入海中达数米，因此，需要考虑立管结构本身的受力变形、抗风浪性以及装备固定卡箍、螺栓组是否会产生失效问题，以保证测试装置立管结构的海上作业的可靠性。

2.1 立管消波设计与分析

当流体流经一个非流线型圆柱体的前缘时，流体形成的水流剪切层在柱体外部形成漩涡^[12-15], 易引发涡激振动现象，对主管具有很大的破坏作用。利用CFD分析软件模拟研究附属管对立管绕流流场特性的影响，主立管外部添加的附属管为消波管。立管消波设计如图 4所示。

为研究消波管对主立管圆柱绕流流场特性的影响，需建立数学模型，利用CFD软件进行流固耦合分析，软件模型为标准k-ε湍流模型。根据Launder等的推荐值，各模型常数取值为：C_ε1=1.44，C_ε2=1.92，C_U=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3, 其中C_ε1，C_ε2，C_U为经验常数，σ_k，σ_ε为与湍动能和耗散率对应的Prandt1数，湍动能耗散率方程：

式中：u_i(i=1，2，3)—沿方向的速度分量；f_i—沿方向质量的力；P—压力；ρ—流体密度；v—流体的运动线性系数；P_r—湍动能生成率，其表达式为：

式中：v_i—涡黏性系数，可采用下式计算：v_i=C_U。

计算所使用的软件为ANSYS Workbench中的fluent，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，差分格式采用二阶迎风格式，流场的计算采用多重参考系法。

利用进行单向流固耦合分析，试验参数设置如表 1所示，流体域和立管网格划分如图 5所示。设置流体域尺寸为2 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，velocity specification method选择magnitude normal to boundary，入口流速为4 m/s，湍流强度和水力直径设置为1.6%和4.8 m。

图 6与图 7为立管在流体分界面受力云图。图 8与图 9为立管周围流场流速云图。分别对比上图可以看出，无消波设计的立管背压区流场压力更大，周围流场流速大，流场形成的涡流脱落影响范围广。引入消波设计后，可以发现由于立管周围“消波管”的存在，流场结构被破坏，减小了水流对立管的冲击，使立管前端面水流冲击压力降低，周围流场流速小，两侧压力区和背压力区压力大幅度减小。因此，消波管的存在，抑制了流体与圆柱体表面的分离，进而抑制了漩涡生成。

消波设计能够抑制流场涡旋带来的尾流影响，使立管在流场冲击力下物理变形大幅度减小。对比立管变形及应力图(10~13)可判断出无消波设计的立管在流速4 m/s水流场作用下，本体受力大，变形较大，最大变形量为0.079 7 mm；而在添加消波管后，外套管无明显物理变形，受力基本未涉及外套管本体，管最大变形量为0.045 3 mm，减少了43%。

2.2 固定装置螺栓组及卡箍的力学分析与校核

本系统是利用卡箍将立管装备与支架进行连接固定的，卡箍的设计与装置螺栓组校核非常重要，尤其要保证卡箍受到外力形成的倾覆力矩时不会脱落失效。由于海水潮位存在变化，退潮时系统没入海水中部分减少，装备外套管竖直方向受力增大。为验证系统可靠性，以退潮时状态对装备卡箍相应螺栓组受力进行分析与校核。

如图 14所示，卡箍与螺栓组受到水流横向载荷、轴向载荷(含浮力与自重)及倾覆力矩共同作用且有可能出现如下三种失效形式：在轴向载荷作用下，立管产生下滑；在倾覆力矩和横向载荷作用下，卡箍与支架接合面发生分离或压溃；受力最大的螺栓被拉断或塑形变形^[16-18]。为防止分离和下滑的发生，应保证螺栓组及卡箍有足够的预紧力，而为避免接合面被压溃，则需考虑到将预紧力控制在一定范围内。

卡箍及螺栓组实际受力情况如图 15所示，由于螺栓组连接所受的横向载荷和倾覆力矩所产生的轴向工作载荷方向相同，矢量叠加后数值最大，对卡箍上部两个螺栓进行螺栓强度校核。

装备立管与螺栓组及卡箍连接固定于平台钢立柱支架上，卡箍材料及钢立柱材料分别为HT150及Q235，查阅机械手册可知，HT105卡箍许用挤压应力为[σ]_P=60 MPa，螺栓材料强度级别6.6级，许用安全系数[S]=3, 接合面摩擦因数f=0.15，可靠性因数K_a=1.2，螺栓相对刚度，经测算，该螺栓组受到最大横向载荷F_X=2 310 N，最大轴向载荷F_Y=6 820 N，卡箍厚度为10 mm，卡箍所在圆内径为330 mm。

螺栓所受倾覆力矩M：

上部螺栓轴向工作载荷F为：

式中：F_M为倾覆力矩作用下，每个螺栓受到的轴向工作载荷；F_f为轴向载荷作用下，每个螺栓受到的轴向工作载荷。

该螺栓组连接预紧后，受轴向载荷作用时，其接合面间压紧力为剩余预紧力F_S, 而受倾覆力矩M作用时，其接合面上部压紧力减小，下部压紧力增大，故M对接合面压紧力的影响可忽略不计。在立管不下滑条件下预紧力F_P及接合面不分离条件预紧力F_PP为：

式中：A—接合面面积；W—接合面抗弯截面系数；Z—螺栓数目；

根据接合面下部不被压溃条件计算预紧力F_PPP：

式中：[σ]_P为卡箍材料的许用挤压应力，[σ]_P=60 MPa。

综上所述，即在满足以上三个条件式后，预紧力F预取值为14 200 N，螺栓总拉力为：

拟选取M18螺栓，并进行校核。若M18尺寸不合适，再进行更换。M18螺栓小径d₁=15.79 mm，由螺栓强度级别为6.6级，得σ_s=360 MPa，[S]=3，螺栓许用拉伸应力为：

该螺栓可提供预紧力F_L为：

卡箍所用的材料为HT150，无限寿命区的对称循环的疲劳极限ε_-1=260 MPa，循环基数N₀=5×10⁵, 指数m=9，设循环次数为30 000次，由下式计算卡箍与螺栓组的有限寿命疲劳极限Q_xy^[17]:

式中：S—卡箍接合面面积；σ_-1—零件有限寿命疲劳极限。

在疲劳寿命范围内，材料仍不发生断裂的最大应力Q_xy大于卡箍本身的受力，即Q_xy大于螺栓组受到最大横向载荷F_X=2 310 N，最大轴向载荷F_Y=6 820 N。

因此，M18直径尺寸能够提供为螺栓组连接提供足够的强度，此外，卡箍与螺栓组的有限疲劳寿命极限能够确保立管在浪流环境下的工作模式的安全性，满足装备挂载要求，不会产生失效问题。

3 现场测试与应用

上海市浦东芦潮港水质水文检测站包含内外水文测亭各一座、测站管理楼以及工作场地等。港口受潮流和径流的双重作用，潮汐类型为非正规半日浅海潮，每天两涨两落，落潮流流速大于涨潮流流速。泥沙含量高，水生物品种多样，光、热、水资源丰富。为对所设计的立管结构进行实际校核，利用其初始运行过程进行了测试。立管及钢架通过吊车安装在水文站管理楼内侧，两者距离约为3 m，海洋仪器测试装置与管理楼内的水质水文数据采样设备通过线缆连接，并进行数据采集、传送。根据计算所获得的受力分布特点进行了卡箍和螺栓组的安装和预紧，经过30 d的连续观察，立管能够很稳定地处于预紧紧固状态，未出现压溃、脱离等问题，初步表明系统强度设计符合实际要求，如图 16所示。

2017年9月20日，利用便携式流速仪(LS300-A)测量海水流速，获得数据为1.8 m/s。经过实际测试，在1.8m/s水流下，立管末端最大形变为1.5 mm。该数据远小于立管塑性变形临界值，系统的可靠性具有较大安全余量，一定程度上表明所设计结构在消波和减缓水流冲击方面有较好的效果。另外，立管内浮式上、下升降装置运行稳定、平滑，阻力小，可自动适应海上潮差变化。

4 结语

本文所设计立管及其附属结构应用于海洋仪器的测试平台，可搭载多种不同型号的海洋仪器，为仪器间的比测和可靠性测试等提供服务。通过CFD流固耦合仿真分析及实际测试，立管测试装置能够实现被测仪器在立管内稳定升降；消波设计能够有效控制水流经过立管的尾流方向，减小立管应力形变；螺旋桨的旋转能够起到一定的清污，减缓生物附着的作用。作为一种现场自动检测、分析水质变化的设备，该装置也适用于海洋环境污染检测、港湾工程、赤潮预报及海洋研究。

目前，海洋仪器的检测主要通过人工定期查看海洋仪器生物附着情况，尚未实现完全自动化。后续研究中通过增加云台相机对海洋仪器生物附着情况进行远程查看，便于海洋仪器间的性能参数对比，为海洋水文、水质、气象环境监测、仪器设备研发测试及试验场建设提供支撑。