海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)研究

薛 鋼， 劉 延 俊*,,3， 季 念 迎， 張 瑩 瑩

( 1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250061；2.山東拓普液壓氣動(dòng)有限公司， 山東 濟(jì)南 250061；3.山東大學(xué) 海洋研究院， 山東 濟(jì)南 250100 )

海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)研究

薛 鋼1， 劉 延 俊*1,2,3， 季 念 迎2， 張 瑩 瑩2

( 1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250061；2.山東拓普液壓氣動(dòng)有限公司， 山東 濟(jì)南 250061；3.山東大學(xué) 海洋研究院， 山東 濟(jì)南 250100 )

海底底質(zhì)聲學(xué)特性在海洋工程勘察、海底資源勘探開發(fā)、海洋軍事國防建設(shè)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值．隨著海洋事業(yè)的發(fā)展，對(duì)海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的要求也越來越高．首先介紹了所研制的海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)，然后基于AMESim和Workbench聯(lián)合分析，確定了機(jī)械系統(tǒng)的工作荷載，以滑輪組支架為例進(jìn)行了優(yōu)化．研究表明，經(jīng)過仿真優(yōu)化，能夠大幅度降低機(jī)械系統(tǒng)總質(zhì)量，延長設(shè)備水下作業(yè)時(shí)間．研究成果對(duì)海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值．

海底底質(zhì)；機(jī)械系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元分析

0 引 言

海底底質(zhì)聲學(xué)特性在海洋工程勘察、海底資源勘探開發(fā)、海底環(huán)境監(jiān)測(cè)以及軍事國防建設(shè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]．目前，聲學(xué)探測(cè)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋探測(cè)和調(diào)查工作中，尤其是在大尺度探測(cè)、淺地層剖面等領(lǐng)域，已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)[3-4]．董楠等開展了淺海躍層底質(zhì)對(duì)水下聲學(xué)特性的影響研究工作[5]，Bae等進(jìn)行了海洋沉積環(huán)境與海底沉積物聲學(xué)特性相關(guān)性的研究[6]．與樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相比，海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)對(duì)沉積物擾動(dòng)小，能夠保持現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，已成為底質(zhì)聲學(xué)特性測(cè)量和調(diào)查的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的需求也越來越高．

在底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備研發(fā)方面，吳炳昭等研制了一種走航式海底表層底質(zhì)聲學(xué)探測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)水深小于100 m的淺層底質(zhì)[7]．郭常升等設(shè)計(jì)了包含水上主控子系統(tǒng)和水下測(cè)量子系統(tǒng)的底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，用來測(cè)量海底沉積物的聲速和聲衰減參數(shù)[8]．美國海軍研制的現(xiàn)場(chǎng)沉積地質(zhì)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)(ISSAMS)能夠測(cè)量橫、縱波速/衰減等參數(shù)，已經(jīng)過海試驗(yàn)證[9]．由北歐多國參與，瑞典和挪威主要實(shí)施的ESMAC項(xiàng)目也側(cè)重于海底沉積物測(cè)量設(shè)備的研制[10]．中國科學(xué)院海洋研究所研制的一種海底底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)原位測(cè)量系統(tǒng)，能夠快速靈活地原位獲取海底底質(zhì)物理參數(shù)，系統(tǒng)測(cè)量值相對(duì)誤差僅為0.04%[11-12]．

為使海洋裝備在海洋多變荷載作用下能夠穩(wěn)定工作，在設(shè)備投入使用前，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．目前，海洋裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)大多基于其水動(dòng)力性能[13]，而海底沉積物測(cè)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性是影響其使用性能的關(guān)鍵，針對(duì)該方面的研究報(bào)道較少．利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的方法已較為成熟，已經(jīng)開發(fā)出了Workbench、ABAQUS等商用軟件．此外，海洋裝備中大量使用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源，液壓系統(tǒng)動(dòng)力特性對(duì)海洋裝備結(jié)構(gòu)性能的影響尤為重要，而AMESim軟件也能夠精確獲得液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性．

本文所研究的海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備整機(jī)質(zhì)量2 000 kg，工作水深500 m，聲學(xué)探桿最大下插深度1 400 mm，最大下插力15 000 N，利用液壓系統(tǒng)和行程放大機(jī)構(gòu)將安裝有聲學(xué)換能器的聲學(xué)探桿插入到海底沉積物中，然后進(jìn)行聲波的發(fā)射、接收和采集工作，從而實(shí)現(xiàn)底質(zhì)聲學(xué)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量．本文利用AMESim和Workbench聯(lián)合仿真，對(duì)所研制設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析．

1 機(jī)械系統(tǒng)組成

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

海底存在復(fù)雜的洋流，為提高水下工作的穩(wěn)定性，設(shè)備的外形設(shè)計(jì)為六棱柱框架結(jié)構(gòu)，如圖1(a) 所示．根據(jù)設(shè)備控制單元、聲學(xué)單元等部件的結(jié)構(gòu)要求，上、下底面六邊形的尺寸設(shè)計(jì)為2 070 mm(對(duì)角)×1 800 mm(對(duì)邊)．根據(jù)聲學(xué)探桿的行程要求，機(jī)架總體高度設(shè)計(jì)為2 000 mm．

設(shè)備工作時(shí)，深水電機(jī)帶動(dòng)柱塞泵，從而驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作，利用行程放大機(jī)構(gòu)擴(kuò)大聲學(xué)探桿的行程，使得聲學(xué)探桿最大伸出長度達(dá)1 400 mm，如圖1(b)所示．

(a) 框架

(b) 聲學(xué)探桿

為方便對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用Solidworks軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，其主要機(jī)械部分包括機(jī)架、行程放大機(jī)構(gòu)、聲學(xué)探桿、液壓缸、液壓艙以及為液壓系統(tǒng)提供信號(hào)的控制艙，如圖2所示．

1.2 行程放大機(jī)構(gòu)

在海底工作時(shí)，設(shè)備的整體高度不宜過高．為保證聲學(xué)探桿能夠達(dá)到沉積物中的預(yù)定貫入深度，同時(shí)盡量降低設(shè)備的整體高度，以提高設(shè)備在海底的穩(wěn)定性和貫入傳動(dòng)的平穩(wěn)性，設(shè)計(jì)了由滑輪組組成的行程放大機(jī)構(gòu)，以擴(kuò)大聲學(xué)探桿的行程，如圖3所示．

圖2 海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備三維模型

1 深水電機(jī)；2 液壓泵；3 電磁閥；4 液壓缸；5 活塞桿；6 下定滑輪組；7 發(fā)射探桿；8 接收探桿；9 活動(dòng)壓盤；10 鎖緊卡環(huán)；11 水密插頭；12 傳動(dòng)鋼絲繩；13 上定滑輪組；14 上動(dòng)滑輪；15 下動(dòng)滑輪

圖3 行程放大機(jī)構(gòu)

Fig.3 Stroke amplification mechanism

聲學(xué)探桿包括發(fā)射探桿和接收探桿，均固定在活動(dòng)壓盤上，同時(shí)下插或上提．上動(dòng)滑輪和下動(dòng)滑輪固定在一起．鋼絲繩通過鎖緊卡環(huán)與活動(dòng)壓盤固定連接．當(dāng)聲學(xué)探桿下插時(shí)，液壓缸活塞桿伸出，通過鋼纜和滑輪組帶動(dòng)活動(dòng)壓盤向下運(yùn)動(dòng)，聲學(xué)探桿在活動(dòng)壓盤的壓力下緩慢勻速插入海底沉積物中．當(dāng)聲學(xué)探桿上提時(shí)，液壓缸活塞桿反向運(yùn)動(dòng)，通過鋼纜和滑輪組帶動(dòng)活動(dòng)壓盤向上運(yùn)動(dòng)，即可將聲學(xué)探桿提出沉積物．

下插過程中活塞桿的伸出力Fc，鋼纜上的作用力Fcl，3個(gè)下定滑輪的受力Fc1、Fc2和Fc3(如圖3所示)以及上提過程中活塞桿的縮回力Fh，鋼纜上的作用力Fhl，3個(gè)上定滑輪的受力Fh1、Fh2和Fh3(如圖3所示)的關(guān)系如下：

Fc=2Fcl，F(xiàn)h=2Fhl

(1)

Fc1=Fc，F(xiàn)h1=Fh

(2)

(3)

(4)

1.3 液壓系統(tǒng)

聲學(xué)探桿的動(dòng)作由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，其原理圖如圖4所示．控制艙發(fā)出指令信號(hào)，深水電機(jī)和液壓泵啟動(dòng)．控制單元控制電磁閥2DT通電，液壓油經(jīng)過單向閥和電磁閥，注入液壓缸無桿腔使活塞桿伸出．通過位移傳感器和壓力傳感器測(cè)量到的液壓缸位移及工作壓力，判斷聲學(xué)探桿下插深度及貫入力．當(dāng)聲學(xué)探桿下插到設(shè)定深度時(shí)，深水電機(jī)和液壓泵關(guān)閉．工作完成后，深水電機(jī)和液壓泵再次啟動(dòng)，電磁閥1DT通電，液壓油注入液壓缸有桿腔，活塞桿縮回，聲學(xué)探桿提起，位移傳感器檢測(cè)到位后，深水電機(jī)和液壓泵停止，完成一個(gè)工作過程．

1 充放油閥； 2 吸油濾油器； 3 壓力補(bǔ)償器； 4 浸油式深水電機(jī)； 5 液壓泵； 6 單向閥； 7 壓力傳感器； 8 溢流閥； 9 電磁閥； 10 液控單向閥； 11 安全閥； 12 油箱； 13 排氣閥； 14 油阻尼； 15 液壓缸； 16 位移傳感器

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

Fig.4 Principle diagram of hydraulic system

在本液壓系統(tǒng)中，選定的液壓泵額定壓力為50 MPa，理論流量為8.95 L/min；液壓缸缸徑為80 mm，活塞桿桿徑為50 mm，溢流閥最大調(diào)壓為21 MPa．

2 分析結(jié)果與討論

2.1 AMESim分析

AMESim軟件是多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，包含機(jī)械庫、信號(hào)控制庫、液壓庫等模塊，可方便地進(jìn)行系統(tǒng)模擬仿真分析．本文利用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，以確定活塞桿的輸出力，所建立的AMESim模型如圖5所示．

圖5 液壓系統(tǒng)的AMESim模型

仿真過程中，控制電磁閥的輸入信號(hào)，分別對(duì)活塞桿的伸出力和縮回力進(jìn)行分析，如圖6所示，其中圖6(a)為伸出力，圖6(b)為縮回力，縮回力方向與活塞桿伸出方向相反，故為負(fù)值．

由分析結(jié)果可知，活塞桿的最大伸出力可達(dá)104 140 N，最大縮回力為63 460 N，通過行程放大機(jī)構(gòu)，作用在聲學(xué)探桿上的最大伸出力可達(dá)52 070 N，最大縮回力可達(dá)31 730 N．

2.2 Workbench分析

Workbench軟件是基于有限元法開發(fā)的協(xié)同仿真平臺(tái)，其中的static structure模塊常用于機(jī)械結(jié)構(gòu)分析．本文以滑輪組支架為例進(jìn)行強(qiáng)度分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化．為提高計(jì)算精度，不對(duì)模型進(jìn)行簡化，直接導(dǎo)入Workbench軟件進(jìn)行分析．根據(jù)2.1節(jié)的AMESim軟件分析結(jié)果，滑輪組支架在聲學(xué)探桿下插和上提的過程中，受力情況如圖7所示，其中圖7(a)為伸出過程的受力情況，圖7(b)為上提過程的受力情況．

按照滑輪組支架在海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備中的安裝情況，滑輪組支架底面施加固定荷載．根據(jù)行程放大機(jī)構(gòu)在滑輪組支架上的安裝情況，按照?qǐng)D3中力的大小和方向分別施加力荷載．

此外，采用四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為10 mm，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終網(wǎng)格數(shù)為87 450個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為164 826個(gè)．

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用Workbench軟件對(duì)原滑輪組支架壁厚減小5 mm后的滑輪組支架進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖8～11所示．其中，圖8(a)、圖9(a)、圖10(a)、圖11(a)分別為原滑輪組支架在聲學(xué)探桿下插過程中滑輪組支架的變形分布和應(yīng)力分布以及聲學(xué)探桿上提過程中滑輪組支架的變形分布和應(yīng)力分布，圖8(b)、圖9(b)、圖10(b)、圖11(b)分別為優(yōu)化后的滑輪組支架在聲學(xué)探桿下插過程中滑輪組支架的變形分布和應(yīng)力分布以及聲學(xué)探桿上提過程中滑輪組支架的變形分布和應(yīng)力分布．

從分析結(jié)果可以看出，滑輪組支架壁厚減小后，在聲學(xué)探桿下插過程中，結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布幾乎不發(fā)生變化．而在聲學(xué)探桿上提過程中，最大變形從0.587 32 mm增大到0.783 46 mm，增加了33.4%；最大應(yīng)力從51.041 MPa增大到69.339 MPa，增加了35.8%，但變形量和應(yīng)力值仍在許用范圍內(nèi)．通過減重優(yōu)化，滑輪組支架總質(zhì)量從320 kg減為267.2 kg，減輕了16.5%．滑輪組質(zhì)量的降低，將減小液壓系統(tǒng)的工作荷載，進(jìn)而延長設(shè)備的水下作業(yè)時(shí)間．

(a) 伸出力

(b) 縮回力

(a) 伸出過程

(b) 上提過程

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

此外，利用AMESim和Workbench 聯(lián)合分析，對(duì)海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的其他零件也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的兩臺(tái)設(shè)備對(duì)比如圖12所示．

本設(shè)備已在青島附近海域進(jìn)行了海試，聲學(xué)探桿下插36次，實(shí)測(cè)最大下插深度1 398 mm，液壓系統(tǒng)最高工作壓力達(dá)到20.394 MPa，設(shè)備運(yùn)行良好．

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的兩臺(tái)設(shè)備

3 結(jié) 語

本文介紹了所研制的海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了行程放大機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)．在確保設(shè)備海底穩(wěn)定工作的前提下，行程放大機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了聲學(xué)探桿的下插深度．利用AMESim軟件對(duì)設(shè)備的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析了液壓缸的最大作用力．使用Workbench軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，獲取了滑輪組支架在工作狀態(tài)下的變形值和應(yīng)力分布．基于AMESim和Workbench 聯(lián)合分析，對(duì)滑輪組支架進(jìn)行優(yōu)化，使其質(zhì)量減小了16.5%，優(yōu)化效果明顯．本文為海底底質(zhì)聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化提供了一種可借鑒的分析方法．

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Research on mechanical system of seabed acoustic in-situ detection equipment

XUE Gang1, LIU Yanjun*1,2,3, JI Nianying2, ZHANG Yingying2

( 1.Key Laboratory of High-efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education,School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China；2.Shandong Top Hydraulic & Pneumatic Co., Ltd., Jinan 250061, China；3.Institute of Marine Science and Technology, Shandong University, Jinan 250100, China )

Seabed acoustic property has valuable applications to marine engineering survey, ocean resource exploration, and maritime military defence construction. With the development of the marine affairs, the requirements for seabed acoustic in-situ detection equipment are increased. Firstly, the developed mechanical system of seabed acoustic in-situ detection equipment is introduced. Then, based on the co-analysis of AMESim and Workbench, the work loads of mechanical system are numerically calculated and the pulley bracket is optimized as an example. It is shown that the total mass of mechanical system reduces and the work time extends after the simulation optimization. The study results will do favor for the design of mechanical system of seabed acoustic in-situ detection equipment.

seabed; mechanical systems; optimization design; finite element analysis

1000-8608(2017)03-0252-07

2016-09-06；

2017-03-24．

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201405032).

薛 鋼(1990-)，男，博士生， E-mail：xuegangzb@163.com；劉延俊*(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師， E-mail：lyj111ky@163.com.

TH766

A

10.7511/dllgxb201703006