單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)水動(dòng)力仿真

丁晶磊，梁 捷，張文良，張 毅

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)水動(dòng)力仿真

丁晶磊，梁 捷，張文良，張 毅

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)放置在主潛標(biāo)上的絞車來(lái)控制升降平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)剖面的測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。為輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文中介紹了通過(guò)OrcaFlex軟件對(duì)該系統(tǒng)的水動(dòng)力建模與仿真，并算出給定海況下幾個(gè)重要部件的位置姿態(tài)和受力情況。結(jié)果表明：根據(jù)各節(jié)點(diǎn)拉力計(jì)算結(jié)果，選用合適的結(jié)構(gòu)來(lái)滿足各工況下的強(qiáng)度要求；倉(cāng)體耐壓和其它性能應(yīng)滿足主潛標(biāo)最大下潛深度；升降的系纜所纏長(zhǎng)度應(yīng)滿足平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程釋放的最大值。在實(shí)際配置系統(tǒng)時(shí)可以參考這幾個(gè)重要數(shù)據(jù)輔助設(shè)計(jì)。

水下絞車；垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)；升降平臺(tái)；O rcaFlex

單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)是一種以系留式潛標(biāo)為基礎(chǔ)，集成具有升降剖面測(cè)量平臺(tái)的海洋觀測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)放置在系泊纜上不同水深的溫、鹽、深、海流剖面等多種傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的定點(diǎn)、長(zhǎng)期、多參數(shù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)升降平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)和其上搭載的海流計(jì)、CTD、北斗通訊機(jī)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下剖面的參數(shù)測(cè)量和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，具有連續(xù)、隱蔽且實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，是海洋觀測(cè)的重要補(bǔ)充和發(fā)展，是先進(jìn)的深遠(yuǎn)海海洋調(diào)查裝備。

水下絞車是單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)中的重要部件，對(duì)升降平臺(tái)能否順利露出水面、能否保證其穩(wěn)定姿態(tài)運(yùn)動(dòng)都起著決定性的作用。電機(jī)、釋纜繩和升降平臺(tái)相互影響、相互耦合，使得升降平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和纜繩姿態(tài)求解成為復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水下纜繩力學(xué)分析的研究開(kāi)展時(shí)間已久，對(duì)水動(dòng)力求解也有很多有效的模型，如集中質(zhì)量法[1-2]、有限差分法[3]、直接積分法[4]，然而多是一維或者二維的討論，沒(méi)有考慮到三維海洋環(huán)境對(duì)纜繩的影響，也沒(méi)有考慮到纜繩本身的運(yùn)動(dòng)。

文中將結(jié)合給定海況和已有的技術(shù)資料，選取4 000 m的布放海深和100～300 m剖面測(cè)量海深，對(duì)研制的單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)求解和力學(xué)計(jì)算，對(duì)幾個(gè)重要部件的姿態(tài)和幾個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，達(dá)到輔助設(shè)計(jì)、完善結(jié)構(gòu)的目的。

1 系統(tǒng)實(shí)際模型的介紹

單點(diǎn)系留式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)由主潛標(biāo)、水下絞車、升降平臺(tái)等主要部件組成，系泊纜上依次懸掛著海流計(jì)、CTD、玻璃浮球等部件，系統(tǒng)配置如圖1所示：

圖1 實(shí)際模型

系統(tǒng)的工作方式是通過(guò)放置在主潛標(biāo)上的水下絞車來(lái)控制升降平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。升降平臺(tái)上搭載了溫、鹽、深、海流等多種傳感器及通訊機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)剖面測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以定點(diǎn)長(zhǎng)期且連續(xù)地對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行多參數(shù)剖面觀測(cè)[5]，通過(guò)改變絞車電機(jī)轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)不同的空間分辨率。與目前最普遍的錨系潛標(biāo)的系統(tǒng)相比，具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和更高的靈活性。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)工作方式圖

圖中：狀態(tài)a表示升降平臺(tái)靜止在主潛標(biāo)上；狀態(tài)b表示升降平臺(tái)在上升/下降；狀態(tài)c表示升降平臺(tái)浮在水面。結(jié)點(diǎn)N1為系泊纜下結(jié)點(diǎn)，表示系泊纜與重力錨連接點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)N2為系泊纜上結(jié)點(diǎn)，表示系泊纜與主潛標(biāo)連接點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)N3為升降繩上結(jié)點(diǎn)，表示升降繩與升降平臺(tái)連接點(diǎn)。

2 水動(dòng)力仿真

深海實(shí)時(shí)潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要通過(guò)水動(dòng)力仿真來(lái)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。現(xiàn)在海洋工程領(lǐng)域最常用的水動(dòng)力軟件包括AQWA、SESAM、Hydrostar等，多用于浮式或者半潛式的數(shù)值計(jì)算，并不配有升降運(yùn)動(dòng)模型。而OrcaFlex軟件的功能強(qiáng)大，配有絞車模型和完整的潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析功能。本文采用OrcaFlex進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算。

Orcaflex進(jìn)行系泊分析采用的是耦合分析方法。它考慮了流體的水動(dòng)力載荷和慣性力，并將系泊系統(tǒng)和潛式平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)聯(lián)合求解[6]。OrcaFlex的水動(dòng)力性能研究主要基于Morison方法[7]，Morison公式如下：

式中：Fw表示物體所受的流體力；Δ表示物體排水質(zhì)量；?w表示流體絕對(duì)加速度；Ca表示流體附加質(zhì)量；?r表示流體相對(duì)物體的加速度；ρ表示流體密度；Cd表示物體的流體阻力系數(shù)；A表示迎流面積；Vr表示流體相對(duì)物體的速度。

式1的后半部分是流體阻力，前半部分表示物體的慣性力，其中包括了由非擾動(dòng)波產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力場(chǎng)力Froude-Krylov力和附加質(zhì)量力。

水中質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)方程如下[8]：

式中：M[p,a]表示質(zhì)點(diǎn)慣性力；C[p,v]表示質(zhì)點(diǎn)所受的阻尼力；K[p]表示質(zhì)點(diǎn)所受的剛性載荷；F[p, v,t]表示環(huán)境載荷；p，v，a表示位置、速度和加速度；t表示仿真時(shí)間。

對(duì)于水中質(zhì)點(diǎn)和繩子節(jié)點(diǎn)通過(guò)式（2）可以輸入微元質(zhì)量矩陣便可以得到微元的初始加速度向量，再使用歐拉向前差分得到各個(gè)時(shí)刻的位置、速度。

2.1 系統(tǒng)的建模

深海實(shí)時(shí)剖面測(cè)量系統(tǒng)采用單點(diǎn)懸鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)。系泊纜和升降繩采用OrcaFlex中的line模型，錨鏈凈浮力3.8 kg/m，Kevlar繩凈浮力0.021 kg/m。海流計(jì)和浮球可以設(shè)置成line中的固件，主潛標(biāo)和升降平臺(tái)采用軟件中的6D Buoy模型，水下絞車采用winch模型。系統(tǒng)尺寸和水中重量（方向豎直向下）參數(shù)如表1，再設(shè)置錨點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，輸入包括水體密度、水體溫度等環(huán)境參數(shù)和仿真步長(zhǎng)等仿真條件之后便可以開(kāi)始數(shù)值計(jì)算。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2.2 工況的設(shè)定

系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析之前，需要計(jì)算系統(tǒng)的靜態(tài)平衡，以此作為動(dòng)態(tài)分析的初始條件。故設(shè)定工況1為計(jì)算初始靜態(tài)?？紤]實(shí)際工況，最后設(shè)定了3種工況，如表2：

表2 工況的設(shè)定

設(shè)置工作海況和極限海況部分參數(shù)如表3和圖3所示：

表3 波浪參數(shù)

圖3 海流參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果

上述工況下，對(duì)于位置姿態(tài)，應(yīng)主要關(guān)注以下兩個(gè)值來(lái)表征系統(tǒng)的特征：

（1）電機(jī)升降繩子的長(zhǎng)度；

（2）整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主潛標(biāo)的升沉和水平偏移。對(duì)于節(jié)點(diǎn)力學(xué)特征主要關(guān)注以下兩個(gè)點(diǎn)：（1）升降繩與升降平臺(tái)聯(lián)接節(jié)點(diǎn)的受力；（2）系泊纜的上下連接點(diǎn)的載荷。

2.3.1 工況1計(jì)算結(jié)果 工況1為靜態(tài)初始條件，部分結(jié)果如表4。

表4 靜態(tài)初始條件

2.3.2 工況2和工況3計(jì)算結(jié)果

（1）升降平臺(tái)的收放

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為升降平臺(tái)從主潛標(biāo)處上浮—海面停留—下降至主潛標(biāo)，對(duì)應(yīng)于電機(jī)的正轉(zhuǎn)-停止-反轉(zhuǎn)，當(dāng)升降平臺(tái)到達(dá)海面之后讓電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，設(shè)定停留時(shí)間為200 s，數(shù)據(jù)完成發(fā)送后電機(jī)反轉(zhuǎn)使升降平臺(tái)回到主潛標(biāo)上方。升降繩的長(zhǎng)度變化如圖4所示：

圖4 纜繩長(zhǎng)度變化

圖4表明，升降平臺(tái)在工作海況要比極限海況先到達(dá)水面。在極限海況下電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)3 937 s并釋放395 m的繩子，工作海況下電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)2 194 s并釋放225m的繩子，升降平臺(tái)才能露出水面。這說(shuō)明纏繞在絞車上的升降繩的長(zhǎng)度也不應(yīng)小于395 m。

（2）主潛標(biāo)位置

主潛標(biāo)位置變化如圖5及圖6所示：

圖6 主潛標(biāo)水平位置變化

由圖5和圖6計(jì)算結(jié)果可以得知，工況2下主潛標(biāo)的初始位置為水下304 m，相對(duì)錨點(diǎn)水平偏移了1 260m，運(yùn)動(dòng)到3 805 s時(shí)主潛標(biāo)位置開(kāi)始發(fā)生快速下降，最深下沉到316m，運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)主潛標(biāo)回到水下305 m，水平1 264 m。工況3下主潛標(biāo)的初始位置為水下208 m，水平偏移930 m，運(yùn)動(dòng)到2 104 s時(shí)快速下降，下沉到210 m，并最終回到水下209 m，水平偏移933 m，位置變化相對(duì)工況2而言不大。工況2和3下主潛標(biāo)都是在升降平臺(tái)即將到達(dá)水面時(shí)發(fā)生位置顯著偏降，對(duì)應(yīng)升降平臺(tái)的水深為5m和0.9m，這個(gè)值與所設(shè)置的波浪參數(shù)有關(guān)。從以上可知主潛標(biāo)最多下沉到316m，則主潛標(biāo)上主控倉(cāng)體需至少承受316m的水壓。

（3）纜索受力

由于升降平臺(tái)和主潛標(biāo)是系統(tǒng)最重要的兩個(gè)部件，因此系泊纜與重力錨和主潛標(biāo)連接處及升降繩與升降平臺(tái)連接處的纜索受力為關(guān)切點(diǎn)。系泊纜上下結(jié)點(diǎn)受力如圖7(a)和7(b)，升降繩上端受力如圖7(c)。

圖7 纜索結(jié)點(diǎn)受力

圖7看出工況2的系統(tǒng)載荷在2 716 s時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)抖動(dòng)，對(duì)應(yīng)升降平臺(tái)在水深72 m的位置，載荷浮動(dòng)主要由波浪載荷縱向傳播造成，說(shuō)明升降平臺(tái)受力需開(kāi)始考慮波浪載荷的影響。工況3下，載荷從1 881 s開(kāi)始抖動(dòng)，此時(shí)升降平臺(tái)在水深26m，直到2 194 s到達(dá)水面波動(dòng)達(dá)到最大。受力最大值及時(shí)間點(diǎn)如表5所示。

表5 結(jié)點(diǎn)受力最大值

對(duì)仿真期間各結(jié)點(diǎn)的受力大小進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)，看受力大小主要分布的區(qū)間，得到圖8：

圖8 纜索結(jié)點(diǎn)受力統(tǒng)計(jì)圖

將受力大小按照大小排列，統(tǒng)計(jì)幾個(gè)區(qū)間內(nèi)力的值在仿真階段出現(xiàn)的次數(shù)，由圖8可以統(tǒng)計(jì)得到表6：

表6 結(jié)點(diǎn)受力頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

表5列出重要結(jié)點(diǎn)的沖擊載荷最大值，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)。圖8和表6是對(duì)受力頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)，用于輔助驗(yàn)證部件疲勞。受海流和波浪的影響，工況2和3的值差別很大。系統(tǒng)受力最大值在系泊纜下結(jié)點(diǎn)，沖擊載荷可達(dá)到14.7 kN，作用時(shí)間為1 s，載荷主要出現(xiàn)在10.3 kN附近，載荷值主要用于重力錨和錨鏈的選取。

受波浪的影響，升降平臺(tái)浮在水面時(shí)升降繩上結(jié)點(diǎn)受力波動(dòng)很大，平臺(tái)將產(chǎn)生很大震蕩。尤其當(dāng)工況2下平臺(tái)接近水面時(shí)，結(jié)點(diǎn)力大于平臺(tái)的浮力，平臺(tái)露出水面很難保證，證明極限海況下升降平臺(tái)不適合釋放。

3 結(jié)論

綜合分析上述結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）系泊纜的下結(jié)點(diǎn)沖擊載荷最大可達(dá)到14.7 kN，則重力錨配重需與之匹配，同時(shí)重力錨其上的錨鏈可適當(dāng)增大強(qiáng)度。

（2）主潛標(biāo)最多下沉到316 m海深，主潛標(biāo)上電機(jī)倉(cāng)、電池倉(cāng)等重要倉(cāng)體的耐壓應(yīng)至少保證滿足相應(yīng)深度的耐壓。

（3）電機(jī)釋放纜繩過(guò)程中升降平臺(tái)受水流影響而水平偏移，偏移量過(guò)大則升降繩的長(zhǎng)度也會(huì)增大，纜繩釋放最多達(dá)到395m，故纏繞在絞車上的纜繩長(zhǎng)度不應(yīng)小于395m。

（4）系泊纜整體采用了新型的kevlar繩，對(duì)于上下結(jié)點(diǎn)的載荷都可以滿足要求，可以在滿足強(qiáng)度的同時(shí)減小纜繩的直徑，以此來(lái)減少主潛標(biāo)的偏降[9]。

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Hydrodynamic Simulation of the Single Moored Vertical Profile Measuring System

DING Jing-lei,LIANG Jie,ZHANGWen-liang,ZHANG Yi
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

The singlemoored vertical profilemeasuring system controls the platform tomove up and down through the winch placed on the submersible buoy,so as to achieve vertical profilemeasurement and data transmission to the satellite.In order to assist the design of the system,this paper focuses on the hydrodynamic modeling and simulation through the OrcaFlex software,and derives some important results under given sea conditions.The results show that optimal structure should be designed to meet the strength requirement under various working conditions,themajor submersible buoy will occur depth variation during complete work time,the cabin should be pressure-resistant to meet maximum diving depth,and the length of the lifting cable should suitable for the maximum length released during the motion process.All these important data can assist the design of whole system's structure.

underwaterwinch;vertical profilemeasuring system;lifting platform;OrcaFlex

P715

A

1003-2029（2017）01-0097-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.018

2016-04-25

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201405006-4）

丁晶磊（1991-），男，碩士，主要研究方向?yàn)樗掠^測(cè)控制系統(tǒng)研制。E-mail：djl1938@163.com