水下機(jī)械臂渦激振動測試裝置創(chuàng)新設(shè)計＊

劉 鑫 段德榮 高常青 張 輝 楊學(xué)峰 韓 青

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

隨著社會的發(fā)展，人類對資源的探索逐漸從陸地轉(zhuǎn)向海洋。水下機(jī)械臂作為一種穩(wěn)定、高效的工具，在漁業(yè)捕撈、資源探索等領(lǐng)域都起到了不可忽視的作用[1-2]。然而，海洋環(huán)境的復(fù)雜多樣使機(jī)械臂的探索工作充滿著挑戰(zhàn)。機(jī)械臂在運(yùn)動時受水流擾動以及不平衡力的影響，會導(dǎo)致水下機(jī)械臂的定位出現(xiàn)偏差，極大地影響水下工作的效率[3]。渦激振動作為海洋工程中常見的一種現(xiàn)象，其影響也不容忽視，然而現(xiàn)有文獻(xiàn)卻少有涉及到水下機(jī)械臂渦激振動的研究。

為了探究水下結(jié)構(gòu)的渦激振動響應(yīng)，研究者一般通過拖曳水池實(shí)驗(yàn)測試水下結(jié)構(gòu)的渦激振動響應(yīng)[4]。拖曳試驗(yàn)一般使用拖車帶動測試結(jié)構(gòu)運(yùn)動，從均勻流、剪切流等流場下完成測試[5-6]。高云[7]自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置包括拖車、預(yù)張力施加模塊以及緩沖模塊3部分，將立管橫置于水中完成了均勻來流的渦激振動測試?？登f等人[8]通過滑車、水平導(dǎo)軌、垂向運(yùn)動結(jié)構(gòu)和彈簧系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，對剛性圓柱體開展了渦激振動試驗(yàn)研究，水平導(dǎo)軌與垂向運(yùn)動結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙自由度的測試或是某一方向的自由度的測試。宋磊建[9]利用T型塔架帶動立管模型在水池中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來模擬剪切流，進(jìn)而研究柔性立管渦激振動對于阻力系數(shù)的影響。Li P[10]利用波浪聯(lián)合水槽形成的均勻流，對串聯(lián)柔性立管進(jìn)行了測試，研究流速、間距以及抑振措施對上下游立管渦激振動的影響。綜上所述，渦激振動試驗(yàn)多以立管為研究對象，試驗(yàn)類型較多。但是，測試裝置仍存在一些問題，比如同一測試裝置只能營造一種流場，拖曳試驗(yàn)成本較高，拖車運(yùn)動易受場地限制等。為此，對渦激振動測試裝置的創(chuàng)新設(shè)計是有必要的。

TRIZ與AHP分別作為一種高效的創(chuàng)新方法、輔助決策的運(yùn)籌學(xué)方法，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞，同時也被廣泛地應(yīng)用在創(chuàng)新設(shè)計中。曹衛(wèi)彬[11]使用物場模型與發(fā)明原理，為紅花絲盲采裝置設(shè)計了驅(qū)動機(jī)構(gòu)與采摘結(jié)構(gòu)，提高了采摘的效率，保證了采摘效果。Yang L[12]為了提高播種機(jī)施肥裝置的機(jī)械性能和自動化程度，利用TRIZ中的功能分析、發(fā)明原理等創(chuàng)新設(shè)計了機(jī)械結(jié)構(gòu)與電控部分，提高了機(jī)械裝置的控制精度、可靠性與生產(chǎn)率。Asyraf M R M[13]和Azammi A M N [14]利用TRIZ的發(fā)明原理求解，分別得到了有關(guān)試驗(yàn)臺設(shè)計與復(fù)合材料選擇的多種創(chuàng)新性方案，最終通過AHP完成了對最佳方案的選擇。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，TRIZ理論以及AHP對創(chuàng)新設(shè)計過程有著重要的指導(dǎo)意義。

因此，為了營造均勻流和剪切流的復(fù)雜流場，開展水下機(jī)械臂渦激振動的連續(xù)測試，本文利用TRIZ理論和AHP創(chuàng)新設(shè)計了一種水下機(jī)械臂渦激振動測試裝置。通過對渦激振動測試裝置進(jìn)行TRIZ分析，確定渦激振動測試裝置的發(fā)展趨勢、存在不足以及產(chǎn)生不足的原因。然后，利用發(fā)明原理與AHP從多種可行方案中確定最優(yōu)方案，將一般解轉(zhuǎn)換成特殊解，創(chuàng)新設(shè)計了水下機(jī)械臂渦激振動連續(xù)測試裝置，試驗(yàn)驗(yàn)證了水下機(jī)械臂在均勻流及剪切流等多種流場下的連續(xù)渦激振動測試的可行性。

1 TRIZ分析

1.1 技術(shù)成熟度預(yù)測

以專利數(shù)量為主要研究對象，判斷渦激振動測試裝置的發(fā)展階段，并輔助制定下一步的發(fā)展策略[15]。如圖1所示，以“渦激振動”為關(guān)鍵詞查詢專利庫，對2007—2020年的渦激振動專利數(shù)量進(jìn)行曲線擬合，得到渦激振動測試裝置技術(shù)成熟度預(yù)測曲線。根據(jù)預(yù)測曲線顯示，專利處于成熟期的發(fā)展階段。此階段渦激振動測試系統(tǒng)多以改善結(jié)構(gòu)和優(yōu)化裝置為主，根據(jù)此階段的進(jìn)化特征，選用向微觀級進(jìn)化法則輔助渦激振動測試裝置的改進(jìn)[16]。

圖1 專利技術(shù)成熟度預(yù)測圖

1.2 九屏幕分析

如圖2所示，從左至右分別為渦激振動測試系統(tǒng)的過去、當(dāng)前、未來以及其各自對應(yīng)的子系統(tǒng)和超系統(tǒng)[17]。通過分析發(fā)現(xiàn)，過去的試驗(yàn)系統(tǒng)在海洋中測試，測試效率低且易受到環(huán)境因素干擾，目前的試驗(yàn)系統(tǒng)在大型拖曳水池中進(jìn)行，試驗(yàn)多為全尺寸模型，一定程度上提高了測試效率，但測試裝置只能營造單一流場。根據(jù)系統(tǒng)向微觀級進(jìn)化的進(jìn)化法則，測試裝置成本、規(guī)模將進(jìn)一步降低，且能實(shí)現(xiàn)單一裝置下多流場的水下機(jī)械臂渦激振動測試。

圖2 測試系統(tǒng)九屏幕分析圖

1.3 結(jié)構(gòu)分析

總結(jié)渦激振動測試系統(tǒng)的組件種類，如圖3所示，建立傳統(tǒng)測試裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3 傳統(tǒng)測試裝置結(jié)構(gòu)圖

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善各部分之間的相互關(guān)系，建立測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。如圖4所示，將每個組件按照主要組件、作用對象和超系統(tǒng)組件分類，交叉網(wǎng)格線中的圓形標(biāo)記表示兩組件之間存在相互作用[18]。渦激振動試驗(yàn)系統(tǒng)包含拖車結(jié)構(gòu)、伺服電機(jī)、固定結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、采集裝置、控制裝置、緩沖結(jié)構(gòu)、穩(wěn)流結(jié)構(gòu)和拖曳水池。試驗(yàn)系統(tǒng)在超系統(tǒng)組件水、力的共同作用下完成測試，測試對象一般為立管、線纜等結(jié)構(gòu)。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

1.4 功能分析

功能分析是對渦激振動測試系統(tǒng)進(jìn)行建模的過程。在明確測試系統(tǒng)組件之間的相互作用關(guān)系后，根據(jù)各個組件的功能，按一定順序排列建立功能模型，測試系統(tǒng)功能模型如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)功能模型圖

圖5中，功能模型可以直觀地描述測試系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)的功能以及工作原理，確定充分、不足以及有害等作用。結(jié)合功能模型圖與實(shí)際測試過程，組件之間中存在不足作用，其主要表現(xiàn)在拖曳造流不穩(wěn)定、拖車調(diào)速范圍較小、結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致營造流場單一和測試裝置復(fù)雜不易控制4個方面，以上因素會使測試效率降低，甚至?xí)饻y試誤差。

2 TRIZ求解

2.1 技術(shù)沖突

根據(jù)功能分析確定的不足作用，需要考慮的是造流方式的改進(jìn)、調(diào)速結(jié)構(gòu)的設(shè)計、多種流場的營造以及測試裝置的簡化。如表1所示，在設(shè)計過程中利用沖突矩陣，確定了多種可供選用的發(fā)明原理。

表1 涉及的發(fā)明原理

2.2 發(fā)明原理

根據(jù)沖突矩陣中涉及的多種發(fā)明原理，進(jìn)行初步的分析與選擇[19]，得到表2。表2中的“√”表示可行解，作為理論上可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計方向，“×”表示該原理的解決思路對于創(chuàng)新設(shè)計無明顯作用[20]。根據(jù)比較，選用表2中的可行解作為備選的解決方案。

表2 發(fā)明原理初步選用

3 方案選擇

AHP屬于運(yùn)籌學(xué)范疇，是一種定性、定量地輔助決策的方法。如表3所示，將TRIZ求解過程中可行的發(fā)明原理進(jìn)行組合，得到3種不同的設(shè)計方案，最后通過計算加權(quán)分值對方案進(jìn)行綜合評價[21-22]。方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ造流原理如圖6所示，方案Ⅰ通過絲桿帶動模型在水池中做直線運(yùn)動，方案Ⅱ利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行測試，方案Ⅲ使用造流裝置模擬水流。

表3 設(shè)計方案組合

圖6 方案Ⅰ（a）、Ⅱ（b）、Ⅲ（c）造流原理圖

3.1 確定評價指標(biāo)

評價指標(biāo)主要有：功能、成本和結(jié)構(gòu)。功能包含造流平穩(wěn)性、測試準(zhǔn)確性和操作性等；成本包括經(jīng)濟(jì)性、可維修性和可制造性；結(jié)構(gòu)包括體積、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。評價目標(biāo)集為：{造流平穩(wěn)性X1，測試準(zhǔn)確性X2，操作性X3，經(jīng)濟(jì)性X4，可維修性X5，可制造性X6，體積X7，結(jié)構(gòu)形式X8}，用符號表示評價目標(biāo)集：

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

在判斷矩陣中，元素aij的含義表示Xi對Xj影響程度的大小，數(shù)字1、3、5、7、9分別表示指標(biāo)Xi與Xj影響相同、影響稍強(qiáng)、影響強(qiáng)、影響很強(qiáng)、影響極強(qiáng)，當(dāng)取1、1/2、1/3、1/5、1/7、1/9時，則表示相反的意思。各評價指標(biāo)重要性為：測試準(zhǔn)確性=造流平穩(wěn)性＞經(jīng)濟(jì)性=可制造性=可維修性＞操作性＞結(jié)構(gòu)形式=體積。因此，判斷矩陣A為

3.3 計算最大特征值與特征向量

首先，將判斷矩陣A的列向量歸一化，再按行

然后，再次進(jìn)行歸一化處理，得到特征向量w。

最后，根據(jù)特征向量計算最大特征值。

3.4 一致性檢驗(yàn)

其中：CI為一致性判斷的指標(biāo)值；n為矩陣階數(shù)；RI為隨機(jī)指標(biāo)值，取1.41；CR為一致性比值。經(jīng)過檢驗(yàn)，認(rèn)為計算是合理的。

3.5 綜合評價

通過加權(quán)計分獲得3個方案各評價目標(biāo)的分?jǐn)?shù)，性能值用1～5來表示，各方案評價目標(biāo)分?jǐn)?shù)見表4。

表4 方案評價目標(biāo)分值

由表4中分值建立以下評價目標(biāo)分值矩陣，并求解各方案加權(quán)分值R如下

上面3個方案的加權(quán)分值R2＜R3＜R1，因此，3個方案優(yōu)劣順序?yàn)椋悍桨涪颍痉桨涪螅痉桨涪?，故選用方案Ⅱ作為最終概念方案。

4 設(shè)計方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 設(shè)計方案

將求解方案進(jìn)一步細(xì)化得到最終的設(shè)計方案：

（1）基于發(fā)明原理20，將直線測試轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)測試。水下機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使測試不受水池尺寸的限制，消除了測試過程中的間隙，實(shí)現(xiàn)了被測試對象的連續(xù)運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不僅會營造穩(wěn)定的水流，同時可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確控制水流速度，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

（2）基于發(fā)明原理26，在傳統(tǒng)測試裝置的基礎(chǔ)上，用簡單的傳動系統(tǒng)對拖車進(jìn)行替代。傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要使用電機(jī)驅(qū)動傳動結(jié)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。此部分結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。

（3）基于發(fā)明原理24，本文創(chuàng)新設(shè)計尺桿結(jié)構(gòu)作為電機(jī)與水下機(jī)械臂調(diào)速的中介物。當(dāng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的角速度不變時，增大作用的半徑可以有效增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的線速度。使用電機(jī)驅(qū)動尺桿運(yùn)動，將滑塊結(jié)構(gòu)使用緊定螺釘固定在尺桿上。通過調(diào)節(jié)滑塊結(jié)構(gòu)的相對位置即可輔助實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。尺桿的存在為測試裝置的調(diào)速增加了一種的調(diào)速方式，使得可調(diào)節(jié)的流速范圍變大，滿足更高流速測試的需求。

（4）基于發(fā)明原理17，利用相對運(yùn)動原理輔助造流，改變機(jī)械臂在水中運(yùn)動時豎直、傾斜的姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)均勻流、剪切流的營造。該造流方式方便調(diào)節(jié)，流場營造穩(wěn)定。

經(jīng)過三維建模，零件制造，裝置組裝等工作，完成連續(xù)式水下機(jī)械臂渦激振動測試裝置的搭建工作，測試裝置實(shí)物如圖7所示。

圖7 測試裝置實(shí)物圖

與傳統(tǒng)測試裝置相比，連續(xù)式測試裝置的結(jié)構(gòu)更加簡化，主要包括直流電源、電機(jī)、上位機(jī)、調(diào)節(jié)滑塊、采集儀器、機(jī)械臂、加速度傳感器、水池、尺桿和電滑環(huán)等結(jié)構(gòu)。直流電源負(fù)責(zé)為電機(jī)供電，上位機(jī)與計算機(jī)相連接，通過輸入脈沖的方式完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，尺桿與調(diào)節(jié)滑塊相互配合能夠輔助調(diào)節(jié)流場流速。同時，機(jī)械臂姿態(tài)可傾斜，來實(shí)現(xiàn)流場形式的改變，均勻流與剪切流營造示意圖如圖8、圖9所示。由線速度與角速度的關(guān)系式可知，當(dāng)機(jī)械臂豎直放置時，機(jī)械臂上各點(diǎn)的線速度相等，即流速相等，機(jī)械臂受到均勻流的影響；當(dāng)機(jī)械臂的擺放與豎直方向存在某一角度時，機(jī)械臂各點(diǎn)流速不同且呈現(xiàn)梯度變化，可測試剪切流下的渦激振動響應(yīng)。為了準(zhǔn)確營造流場流速，可以通過線速度公式計算與加速度一次積分的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖8 均勻流營造示意圖

圖9 剪切流營造示意圖

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測試，分別從多組流速工況對機(jī)械臂進(jìn)行渦激振動測試，觀察試驗(yàn)結(jié)果是否清晰且存在明顯的周期性與規(guī)律性。

以某流速工況為例，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 r/min，在30 s的測試時間內(nèi)機(jī)械臂繞旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動兩周。將此段試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為前15 s與后15 s兩部分，通過對比加速度數(shù)值大小、變化規(guī)律來證明連續(xù)測試的可行性。圖10、圖11分別為均勻流、剪切流下橫流向加速度時程曲線，表5、表6為均勻流、剪切流下前15 s與后15 s試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。

圖10 均勻流下橫流向加速度時程曲線

圖11 剪切流下橫流向加速度時程曲線

表5 均勻流下前15 s與后15 s試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

表6 剪切流下前15 s與后15 s試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

如表5所示，前15 s加速度的最大值、最小值、平均值分別為13.07 m/s2、-13.15 m/s2、-0.04 m/s2，后15 s加速度的最大值、最小值、平均值分別為12.43 m/s2、-13.07 m/s2、-0.32 m/s2，最值均出現(xiàn)在測試時間的6 s前后。通過比較前15 s與后15 s加速度幅值可以發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)動時間的增加，加速度最大值減少了4.9%，加速度最小值增加了0.6%，平均值接近。

如表6所示，前15 s加速度的最大值、最小值、平均值分別為4.68 m/s2、-4.62 m/s2、0.03 m/s2，后15 s加速度的最大值、最小值、平均值分別為5.19 m/s2、-5.03 m/s2、0.08 m/s2，最值出現(xiàn)的時間不同，但數(shù)值相近。通過比較前15 s與后15 s加速度幅值可以發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)動時間的增加，加速度最大值增加了10.9%，加速度最小值減少了8.9%，平均值差距不大。

根據(jù)比較兩種流場下的加速度時程曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨測試時間的增加，振動幅度整體趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈周期性變化的同時，也遵循著某種規(guī)律，這對接下來進(jìn)一步分析、研究機(jī)械臂的渦激振動有極大幫助。該試驗(yàn)結(jié)果表明，水下機(jī)械臂渦激振動測試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測試，并且擁有操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定以及測試準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

5 結(jié)語

基于TRIZ和AHP創(chuàng)新設(shè)計了適用于水下機(jī)械臂渦激振動測試的試驗(yàn)裝置，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了渦激振動測試的連續(xù)性，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）根據(jù)TRIZ分析，渦激振動測試裝置正處于成熟期的發(fā)展階段，測試系統(tǒng)的進(jìn)化方向是可營造多種流場的小型模型試驗(yàn)系統(tǒng)。同時，傳統(tǒng)測試裝置在功能層次存在一些不足，包括造流方式限制、調(diào)速結(jié)構(gòu)缺失、流場形式單一和測試裝置復(fù)雜。

（2）針對不同技術(shù)沖突，利用TRIZ求解得到多種發(fā)明原理，將不同發(fā)明原理組合得到3種備選的測試裝置設(shè)計方案，使用基于最高優(yōu)先級向量值的方法完成方案的綜合評價與篩選。最終，取加權(quán)分值最高的設(shè)計方案Ⅱ作為解決方案，包括發(fā)明原理20有效作用的連續(xù)性、26復(fù)制、24中介物以及17維數(shù)變化。

（3）提出一種水下機(jī)械臂渦激振動測試裝置的創(chuàng)新設(shè)計方案。相比較傳統(tǒng)測試裝置，將造流的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，設(shè)計可調(diào)的滑塊與尺桿來增加調(diào)速范圍，簡化測試裝置結(jié)構(gòu)數(shù)量，利用水下機(jī)械臂的傾斜放置來實(shí)現(xiàn)流場形式的改變。測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速方式多樣，可營造均勻流及剪切流多種流場，實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)械臂單一裝置下多流場渦激振動測試。

綜上所述，利用TRIZ與AHP完成渦激振動測試裝置的創(chuàng)新設(shè)計是可行的。新的設(shè)計方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水下機(jī)械臂的渦激振動測試，而且有助于提高測試效率、保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于下一步研究水下機(jī)械臂在水中所受渦激振動有著重要意義。