基于聲固耦合理論對(duì)捕撈航行器的濕模態(tài)分析

劉義翔, 劉凌霄, 田 野, 關(guān)祥毅, 馮硯博

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院 ，哈爾濱150028；2.中建三局集團(tuán)有限公司，武漢430074)

目前對(duì)捕撈作業(yè)水下航行器的研究亟待深入，然而民用水下航行器發(fā)展受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的制約.民用水下航行器的研制始于20世紀(jì)80年代初，其主要用于的海洋資源勘測(cè)、海上石油天然氣的開發(fā)、海洋水產(chǎn)品養(yǎng)殖等.

近年來，水下航行器得到了迅速發(fā)展，在海洋養(yǎng)殖捕撈器、科研探測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，但由于其特殊的工況，不易于進(jìn)行試驗(yàn)，因此利用ANSYS軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析很有必要[1-2].水下航行器在工作時(shí)，會(huì)受到周圍水介質(zhì)的作用，產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)[3].因此對(duì)其濕模態(tài)進(jìn)行分析，取前十階模態(tài)，分析水下環(huán)境對(duì)于航行器的振動(dòng)特性的影響.

本文的水下航行器是一個(gè)典型框架型機(jī)器.機(jī)器本體結(jié)構(gòu)由主體框架和內(nèi)部控制設(shè)備組成，其外部框架作支撐整體機(jī)器的運(yùn)行，如若碰到礁石或其他障礙物，未能及時(shí)躲避的話，它可保護(hù)機(jī)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被損壞.機(jī)器本體的前端裝有圖像采集裝置，以保證機(jī)器能將航行時(shí)的水底工況與周圍環(huán)境及時(shí)向控制器反饋.機(jī)器本體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)浮力裝置能完成機(jī)器的下潛或者上浮[4]，中間段裝有控制器，推進(jìn)器結(jié)構(gòu)安裝在機(jī)器本體末端或中段，它是機(jī)器的動(dòng)力來源[5].

作為典型的水下航行器設(shè)計(jì)分為框架型與流線型設(shè)計(jì)，綜合考慮水下的實(shí)際工況，它們都具有其局限性.考慮到工作目標(biāo)是進(jìn)行拾取海底養(yǎng)殖的海產(chǎn)品收集，流線型航行器在自身負(fù)載方面優(yōu)于框架型航行，故此決定采用流線型水下航行器進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，使其能夠完成養(yǎng)殖海產(chǎn)品捕撈的工作要求，該航行器本體的結(jié)構(gòu)如圖1所示.也稱水下航行器.

該捕撈作業(yè)水下航行器結(jié)構(gòu)上背負(fù)兩個(gè)收集艙，對(duì)稱放置，保持其在水下浮力作用下的穩(wěn)定性，同時(shí)左右還各有兩個(gè)活動(dòng)捕撈裝置，其活動(dòng)空間較大，可靈活地拾取采集目標(biāo)養(yǎng)殖海產(chǎn)品.收集艙外形以原流線型水下航行器的弧度設(shè)計(jì)，為了降低水的阻力采取半圓弧式的結(jié)構(gòu).除此還在航行器底部配有兩個(gè)防撞輪，以保證機(jī)器在遇到海底礁石等不利環(huán)境時(shí)不被損壞.

捕撈作業(yè)水下航行器的關(guān)鍵技術(shù)在于，如何應(yīng)對(duì)水下的復(fù)雜工況中，將機(jī)械設(shè)計(jì)、智能圖像識(shí)別控制系統(tǒng)以及算法等多種技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用[6].

圖1 水下航行器總體設(shè)計(jì)圖Figure 1 Overall design drawing of underwater vehicle

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水下航行器是載體.機(jī)器本體外形主要是流線型框架式，其耐壓殼體設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿足深水載荷作用下的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度要求；另外，必須采用密封結(jié)構(gòu)以保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電器元件，從而保證捕撈作業(yè)水下航行器的正常航行.該捕撈作業(yè)水下機(jī)器人的參數(shù)如表 1所示.

表1 捕撈作業(yè)水下航行器參數(shù)

用CFD仿真模擬捕撈作業(yè)水下航行器在流體中運(yùn)動(dòng)的情況，得到其在不同運(yùn)動(dòng)速度下的阻力系數(shù)和相應(yīng)其他參數(shù)，以及各速度分布情況與壓力云圖等.因水下航行器在其最初設(shè)計(jì)時(shí)，可能達(dá)不到最優(yōu)的性能，仿真可利于對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)作用.

1 理論基礎(chǔ)

應(yīng)用聲固耦合基礎(chǔ)對(duì)水下航行器的濕模態(tài)進(jìn)行分析，將流體視為可壓縮的聲學(xué)介質(zhì)[7-8]，流體對(duì)水下航行器的影響表現(xiàn)為作用在結(jié)構(gòu)壁面的聲壓動(dòng)載荷.

在進(jìn)行耦合分析時(shí)，需要對(duì)流體及聲固耦合水下航行器的模型做出如下基本假設(shè)：

1)流體是無黏和可壓縮的；

2)聲波振幅相對(duì)較窄，這樣流體密度變化較??；

3)波傳播與熱力學(xué)過程是絕熱的.

可壓縮流體的Helhmoltz聲學(xué)波動(dòng)方程為[9]：

(1)

離散化后的流體波動(dòng)方程用矩陣形式表示為[10]：

(2)

航行的水下航行器結(jié)構(gòu)力學(xué)方程為[8]：

[KS]{U}-[R]{P}=[FS]

(3)

將方程(2)與(3)合并，得聲固耦合方程：

(4)

其中：[Mfs]=ρ0[R]T,[Kfs]=-[R],[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，{P}為流體聲學(xué)載荷矩陣，[Mfs]為質(zhì)量耦合矩陣，下標(biāo)S為水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)，f為流體.

2 水下航行器模態(tài)分析

本文選取了典型的海洋捕撈水下航行器，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化以便于分析，在聲固耦合方程的理論基礎(chǔ)上，求得了航行器在水下懸浮狀態(tài)的前10階模態(tài).

2.1 模態(tài)分析前處理

該水下航行器模型長(zhǎng)1.065 m，半徑0.075 m，壁厚0.1 m，采用合金鋼材料，密度7 800 kg/m3,彈性模量2e+11Pa，泊松比0.3，材料為各向同性[11-12].

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，對(duì)該航行器設(shè)置流體包圍域并劃分網(wǎng)格，如圖1所示，由于分析航行器在水下漂浮狀態(tài)時(shí)的模態(tài)，所以不對(duì)其施加載荷及約束，基于公式( 4 )給出的聲固耦合方程，求解出航行器在水下受流固耦合效應(yīng)的前10階模態(tài).

圖2 水下航行器網(wǎng)格化分結(jié)果Figure 2 Meshing results of underwater vehicle

2.2 模態(tài)分析

由于未施加位移約束，故此計(jì)算的前6階模態(tài)均為水下機(jī)器人的剛體模態(tài)，其值近似為0[13]，水下機(jī)器人第7階至第10階的頻率如表2所示.第7階至第10階振型如圖3～6所示.

表2 水下航行器第7～10階頻率

圖3 第7階振型Figure 3 7th Modal Shape Figure

圖4 第8階振型Figure 4 8th Modal Shape Figure

圖5 第9階振型Figure 5 9th Modal Shape Figure

圖6 第10階振型Figure 6 10th Modal Shape Figure

由表1可看出，該水下航行器在第9階時(shí)頻率發(fā)生變化較大，且頻率較高，發(fā)生高頻共振的可能性大[14]，結(jié)合各階振型圖可以看出，第7階、第8階的振型為彎曲振型，而第9階、第10階為扭轉(zhuǎn)振型.同時(shí)水下航行器的位移在各階模態(tài)下產(chǎn)生微小變動(dòng)，對(duì)水下航行器工作狀態(tài)影響有限，說明結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)要求；但剛度不夠，需要進(jìn)一步優(yōu)化.由于模型是對(duì)水下航行器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只保留了殼體，因此在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理安排，以盡量提高整體剛度，保持在水下工作時(shí)的穩(wěn)定性[15].

3 結(jié) 語

基于聲固耦合理論對(duì)捕撈作業(yè)水下航行器的濕模態(tài)分析，具有較大的實(shí)際工程意義，通過對(duì)其模態(tài)的分析，可檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)能否滿足要求，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).該捕撈作業(yè)水下航行器經(jīng)過濕模態(tài)分析，根據(jù)其位移量大小與振型圖，其外形結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)及工作要求，但仍需要進(jìn)一步優(yōu)化，以更好地提高工作性能；同時(shí)根據(jù)提取的前10階頻率，還需要防范捕撈作業(yè)水下航行器發(fā)生高頻共振現(xiàn)象.