艦船水下應(yīng)急維修機械臂性能分析?

胡 淼 韓江桂 郭文勇

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著我國艦船水下檢測和應(yīng)急維修技術(shù)的快速發(fā)展，水下機械臂為檢測艦船水下部分的工況、實施水下應(yīng)急搶修以及更換水下部件提供了可行性，其應(yīng)用前景十分廣闊。水下機械臂在進行水下作業(yè)時，往往受到風(fēng)浪和潮流等海洋環(huán)境載荷的作用，使機械臂的部分水動力性能參數(shù)產(chǎn)生波動。因此為了減少水流等環(huán)境載荷對水下機械臂性能的影響，需要對水下機械臂所受的水流阻力和阻力矩等水動力學(xué)性能進行分析。

為了得到水下機械臂進行水下作業(yè)時的水阻力和水阻力矩大小，首先需要對水下機械臂各個臂桿的水阻力系數(shù)大小進行計算，從而建立水下機械臂完整的動力學(xué)方程。目前，對水下機械臂水阻力系數(shù)的計算方法主要包括四種：實驗測定法、近似推算法、理論計算法以及計算流體力學(xué)（CFD）模擬法［1］。其中，CFD數(shù)值模擬法以其無法比擬的計算優(yōu)勢在工程應(yīng)用中得到了廣泛使用，且所求結(jié)果較為準確［2］。本文采用CFD數(shù)值模擬法對艦船水下應(yīng)急維修機械臂結(jié)構(gòu)進行流體仿真實驗，通過Flu?ent仿真計算得到水下機械臂各個臂桿所受水阻力和水阻力矩大小，為該型艦船水下維修機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驅(qū)動裝置等的選型和布局提供參考依據(jù)。

2 水下機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進行動力學(xué)仿真之前，需要先確定本文水動力學(xué)分析模型。由于本文研究的水下機械臂主要用于艦船水下部分的觀察、檢測和維修，船體螺旋槳、排水管、海水閥、聲吶等離船舷一側(cè)較遠，只依靠機械臂的長度無法使其到達指定位置進行水下作業(yè)。因此，本文為了增大水下機械臂的活動范圍，在機械臂的底座加裝了一段伸長桁架結(jié)構(gòu)，并通過水下電機與固定的垂直桁架部分連接，來增加一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。由于伸長桁架長度較長而且桿件直徑較小，在進行水下作業(yè)時可能會產(chǎn)生振動，影響水下機械臂的控制精度，所以本文對增加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與水下機械臂本體組裝而成的新的結(jié)構(gòu)進行水動力學(xué)分析，水下機械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下機械臂結(jié)構(gòu)

3 水動力計算模型的建立

3.1 水動力學(xué)理論

對結(jié)構(gòu)為小尺度直立柱體，一般通過Morison方程［3］來計算得到水流作用力。它的完整矢量公式為

式（1）中，ρ為水流密度；D為結(jié)構(gòu)寬度；A為結(jié)構(gòu)垂直水流方向的投影面積；Cd為水阻力系數(shù)；Cm為附加質(zhì)量系數(shù)。

由上式可知，水下機械臂進行水下作業(yè)時主要受到水阻力的影響，其中附加質(zhì)量力所占比例不到10%，因此本文主要對水下機械臂的水阻力和水阻力矩進行分析計算。

3.2 湍流模型的選擇

水下機械臂進行水下作業(yè)時，會受到波、浪和潮流等多種環(huán)境載荷的聯(lián)合作用，選擇一種合適的、精度較高的湍流模型對仿真計算結(jié)果的準確性具有非常重要的作用。

對艦船水下應(yīng)急維修機械臂結(jié)構(gòu)進行水動力學(xué)分析時不涉及能量的交換問題，但所有和流體運動有關(guān)的現(xiàn)象都必定滿足質(zhì)量和動量守恒定律［4］，首先建立本文進行水動力學(xué)分析計算的質(zhì)量守恒方程為

式（2）中，t為時間；ρ為流體密度；ui為沿著x坐標(biāo)軸的速度分量；Sm為單位時間內(nèi)流體質(zhì)量的增量［5］。

然后建立進行水動力學(xué)分析計算的動量守恒方程（Navier-Stokes方程）為

式（3）中，uj為沿著y坐標(biāo)軸的速度分量；p為單位流體上的靜壓力；gi為沿著x坐標(biāo)軸的重力分量；Fi為沿著坐標(biāo)軸的外力分量；τij為粘性應(yīng)力。

通常情況下使用Fluent軟件進行一次水下機械臂的水阻力計算需要的時間相對很長，而且對于一些比較復(fù)雜的模型還容易導(dǎo)致計算失敗，為了提高計算效率，減少計算機進行流體仿真時的計算負擔(dān)，本文采用非直接的雷諾時均Navier-Stokes（RANS）方程來進行湍流數(shù)值模擬計算［6］，其方程為

其中，剪切應(yīng)力傳輸方程SSTk-ω模型在k-ω模型的基礎(chǔ)上考慮了湍流主切應(yīng)力輸運的影響，改進了渦粘性［7～8］。本文就SSTk-ω模型進行介紹，該模型輸運方程表達式為

式（5）中，k為湍流動能；v為運動粘度；σk2=1；Gk是湍動能的生成項；β′=0.09；ω是比耗散率：

式（6）中，σω3、α3、β3、σω2為常數(shù)。

混合函數(shù)的值為

式（8）中：y為到最近壁面的距離。

為了消除湍流切應(yīng)力的輸運影響帶來的計算誤差，Menter［9］等又提出以下計算公式：

式（10）中，F(xiàn)2是第二混合函數(shù)，用來修正F1在自由剪切流中的誤差。

3.3 計算域網(wǎng)格劃分及其設(shè)置

由于水下機械臂結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，在對水下機械臂進行流體仿真之前，為了便于計算，對水動力學(xué)分析模型進行等效處理，保證其模型盡可能規(guī)則而且簡單，從而減少計算機進行網(wǎng)格劃分和流體計算的負擔(dān)。同時，假定水是不可壓縮的液體，而且只考慮水流的速度和方向［10］。艦船水下維修機械臂的計算模型主要包括機械臂、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和計算域三部分。建立8m×1m×2m（長×寬×高）的長方體計算域流場（domain2），長方體的前端為流場入口（inlet），后端為流場出口（outlet）［11～12］，如圖2所示。在水槽沿程x=3m處放置水下機械臂，低于靜水面0.45m。將簡化后的水下機械臂模型放入計算域domain2中。再在模型周圍創(chuàng)建一個0.3m×0.3m×1.2m（長×寬×高）的計算域（domain1），該計算域是為了方便近模型區(qū)域的網(wǎng)格劃分。湍流模型采用對全局預(yù)測較好的SSTk-ω模型。然后進行計算域的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是水下機械臂進行水動力學(xué)仿真分析的關(guān)鍵，本文采用分區(qū)域混合網(wǎng)格劃分的方法，整體計算域網(wǎng)格劃分和計算域（domain1）中的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分分別如圖3、圖4所示。

圖2 計算域流場

圖3 整體計算域網(wǎng)格

圖4 計算域1非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

4 水動力性能分析

4.1 水阻力特性分析

水下機械臂進行水下作業(yè)時，各個臂桿繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，各個臂桿在轉(zhuǎn)動時所受到的水阻力包括法向阻力和切向阻力兩部分，其中切向阻力對水下機械臂運動的影響非常小，在進行結(jié)構(gòu)的流體仿真計算時往往不考慮［13］，因此本文主要對水下機械臂各個臂桿所受的法向水阻力進行分析計算。通過仿真計算得到水下機械臂運動時各臂桿質(zhì)心的等效水阻力隨時間的變化如圖5～7所示。

圖5 連桿1質(zhì)心的等效水阻力

圖6 連桿2質(zhì)心的等效水阻力

圖7 連桿3質(zhì)心的等效水阻力

同時，通過仿真計算得到各臂桿質(zhì)心的等效水阻力矩如圖8～10所示。

圖8 連桿1質(zhì)心的等效水阻力矩

圖9 連桿2質(zhì)心的等效水阻力矩

圖10 連桿3質(zhì)心的等效水阻力矩

由連桿質(zhì)心的等效水阻力和水阻力矩曲線圖可知，連桿3質(zhì)心的等效水阻力和力矩大于連桿1和2，且各連桿在第5s時等效水阻力和水阻力矩達到最大值。這是因為各個連桿的長度和距離基座的遠近不一樣，從而導(dǎo)致各個連桿的運動軌跡和姿態(tài)不一樣，因為連桿3距離機械臂的基座最遠，因此連桿3的法向線速度及等效水阻力和水阻力矩大于連桿1和2，同時由于在第5s時各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速最大，所以各連桿在第5s時的等效水阻力和水阻力矩達到最大值。

4.2 水下機械臂動能分析

由于進行艦船水下維修的水下機械臂連桿較長，其運動穩(wěn)定性受桿件慣性的影響較大，從而影響機械臂的水下作業(yè)精度，因此為了保證水下機械臂能在水下環(huán)境下穩(wěn)定作業(yè)，可以按預(yù)定要求平穩(wěn)、連續(xù)的運動工作位置，還需要對水下機械臂進行水下作業(yè)時各連桿的動能變化情況進行分析。通過仿真得到水下機械臂各連桿的動能變化曲線如圖11～13所示。

圖11 連桿1動能

圖12 連桿2動能

圖13 連桿3動能

由圖11～13可知，水下機械臂的三個連桿在第5s時動能達到最大，連桿1前3秒的動能為零。這是因為水下機械臂運動到第5秒時各驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速達到最大，因此各個臂桿的動能達到最大值，同時前三秒關(guān)節(jié)1不轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速為零，所以其動能為零。另外，三個連桿的動能隨時間變化曲線均平滑連續(xù)，沒有突變，表明該型船用水下機械臂關(guān)節(jié)動能穩(wěn)定變化，符合水下機械臂關(guān)節(jié)設(shè)計要求。

4.3 水阻力對驅(qū)動力矩的影響

為了保證水下機械臂進行水下作業(yè)時的動力需求以及各關(guān)節(jié)動力布局的合理性，需要對機械臂進行水下作業(yè)時水阻力對各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的影響大小進行分析。通過仿真得到水下機械臂各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩大小隨時間變化曲線如圖14-16所示。

圖14 關(guān)節(jié)1的驅(qū)動力矩

圖15 關(guān)節(jié)2的驅(qū)動力矩

圖16 關(guān)節(jié)3的驅(qū)動力矩

由上圖可知，水阻力對關(guān)節(jié)1的驅(qū)動力矩影響在第5s時達到最大，而關(guān)節(jié)2和3添加水阻力的驅(qū)動力矩在1.5s時有最大值，且關(guān)節(jié)2添加水阻力的驅(qū)動力矩大于關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)3。這是因為關(guān)節(jié)1在第5s時轉(zhuǎn)速達到最大，關(guān)節(jié)1離水下機械臂的底座最近，且水下機械臂完全伸展開時受到不斷變化的水阻力作用較大，從而對關(guān)節(jié)1產(chǎn)生很大的力矩，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3在1.5s時關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速達到最大，且關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)速大于關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)3。由此表明水下機械臂進行水下作業(yè)時的驅(qū)動力矩受關(guān)節(jié)速度的影響。因此在進行水下機械臂驅(qū)動裝置的設(shè)計時，在保證其能夠為機械臂提供足夠的動力需求的同時，也要保證其布局的合理性。

5 結(jié)語

為實現(xiàn)艦船停留在水面上時對其進行水下應(yīng)急維修，本文基于數(shù)值分析方法對用于艦船水下維修的水下機械臂進行了水動力學(xué)性能分析，具體結(jié)論如下。

1）通過水下機械臂各連桿質(zhì)心的等效水阻力和水阻力矩的計算分析，由于各個連桿的運動軌跡和姿態(tài)不一樣，連桿1和連桿2質(zhì)心的最大等效水阻力和水阻力矩均小于連桿3。因此，在進行水下機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)機械臂不同部位的工作姿態(tài)來合理分布驅(qū)動裝置的位置。

2）通過對水下機械臂各關(guān)節(jié)連桿的動能分析，可以觀察到機械臂水下運動過程中各關(guān)節(jié)動能變化平滑連續(xù)、運行穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。該水下機械臂可以在一定范圍的水流載荷作用下保證其作業(yè)精度要求。

3）通過對水下機械臂在水阻力作用下各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩大小的分析，可以發(fā)現(xiàn)水阻力對驅(qū)動關(guān)節(jié)的影響大小與機械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速大小有關(guān)。所以在進行水下機械臂驅(qū)動裝置的設(shè)計時，要保證其能夠為機械臂提供足夠動力需求的同時，也要保證其分布合理。以上分析結(jié)果可為用于艦船水下維修的機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驅(qū)動裝置等的選型和布局提供參考依據(jù)。