深海遙控?zé)o人潛水器臍帶纜動(dòng)態(tài)特性及張力抑制方法

王海龍,張奇峰,崔雨晨,3,劉相斌

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110016;2.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110169;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

目前,除“海溝”號(hào)外絕大部分深海遙控?zé)o人潛水器(Remotely operated vehicle,ROV)的臍帶纜均為鋼絲反螺旋鎧裝,臍帶纜在母船與ROV之間起到能源供給、信息傳輸和物理連接等重要作用。由于受母船升沉、海流流速和自身材料特性等多重影響,臍帶纜在水下的動(dòng)力學(xué)特性極其復(fù)雜。如何從機(jī)理上揭示臍帶纜的動(dòng)態(tài)特性,并針對(duì)高張力情況提出有效措施,是當(dāng)前ROV走向深海作業(yè)所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前,針對(duì)水下系泊系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)和ROV鎧纜系統(tǒng)等水下纜索動(dòng)力學(xué)建模主要有3種方法:有限差分法、高階有限元法和集中質(zhì)量法。Driscoll等人提出由粘彈性單元組合形成的單維集中質(zhì)量纜模型,仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能較好地預(yù)測(cè)不同海流激勵(lì)下ROV中繼器的水下運(yùn)動(dòng)及鎧纜內(nèi)部張力變化[1]。Buckham綜合考慮水下纜索彎曲、扭轉(zhuǎn)等幾何非線性因數(shù)影響,基于集中質(zhì)量法建立了三維臍帶纜動(dòng)態(tài)力學(xué)模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該模型能較好捕獲纜索低張力狀態(tài)[2]。Koh采用有限差分法建立了臍帶纜動(dòng)態(tài)力學(xué)模型,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析,并搭建試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了所建立模型的正確性[3]。Gobat等人基于有限差分法建立了水下纜索的動(dòng)力學(xué)模型,并采用隱式時(shí)間積分算法和自適應(yīng)步長(zhǎng)進(jìn)行時(shí)域數(shù)值仿真,分析了二維纜索靜、動(dòng)態(tài)效應(yīng)[4]。Huo等基于Euler-Bernoulli 梁理論建立了ROV臍帶纜的動(dòng)力學(xué)模型,并利用隱式中心差分法對(duì)其進(jìn)行離散求解,利用該模型分析了臍帶纜與ROV耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,以及近ROV端臍帶纜局部區(qū)域系縛浮球?qū)|內(nèi)張力的影響[5-6]。

就水下纜索建模而言,集中質(zhì)量法忽略了節(jié)點(diǎn)間彎曲和扭轉(zhuǎn),僅考慮彈性因素的影響,屬于低階有限元法;有限差分法不適合處理低張力纜索問(wèn)題,因?yàn)樵撍惴ㄔ诹銖埩r(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)值奇點(diǎn);高階有限元法具有完整的物理意義和理論基礎(chǔ),能夠很好模擬纜索低張力動(dòng)態(tài)特性。受母船升沉影響,ROV臍帶纜在水下呈現(xiàn)高低張力交替變化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);同時(shí),受海流的影響,臍帶纜在水下做大幅度的三維運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有大位移、小應(yīng)變的動(dòng)態(tài)非線性特征,其動(dòng)力學(xué)建模更適合采用高階有限元法。綜合上述分析結(jié)果,本文基于幾何精確梁理論對(duì)“海星6000”水下鎧纜系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,獲得下潛過(guò)程中鎧纜內(nèi)部張力變化,并通過(guò)合理的系縛浮球,從而降低高海況下深水鎧纜系統(tǒng)的高張力波,確保“海星6000”能夠下潛到6 000 m級(jí)深度,并能在此區(qū)域安全作業(yè)[7-8]。

1 “海星6000”鎧纜系統(tǒng)

“海星6000”是一套深海有纜遙控作業(yè)裝備,主要用于在6 000 m以?xún)?nèi)海域開(kāi)展海洋環(huán)境要素測(cè)量、原位觀測(cè)及采樣等科學(xué)考察[9]。該系統(tǒng)由潛水器本體、臍帶纜、收放裝置、動(dòng)力單元以及操縱控制臺(tái)等部分組成,如圖1所示。傳統(tǒng)ROV一般通過(guò)中繼器與水面相連,這種方式在回收過(guò)程中存在一定風(fēng)險(xiǎn),若母船升沉幅度較大,則母船、中繼器和ROV三者之間的運(yùn)動(dòng)不同步現(xiàn)象,將導(dǎo)致臍帶纜承受較大的沖擊載荷使鎧纜斷裂。因此,“海星6000”采用無(wú)中繼器模式,母船直接通過(guò)臍帶纜與潛水器相連[10-11]?！昂Ｐ?000”所使用的臍帶纜為反螺旋鋼絲鎧裝纜,單位長(zhǎng)度水下重量0.953 kg,如不考慮鎧纜在海流作用下的水下變形,當(dāng)潛器下潛到5 604 m深度,水面下鎧纜自身重量已超過(guò)了其安全工作載荷53.4 kN,無(wú)法滿(mǎn)足下潛到6 000 m級(jí)深度的需求,而且由于鎧纜受自身剛度影響,具有一定彈性,會(huì)起到放大母船升沉運(yùn)動(dòng)的作用,潛水器在水下的升沉運(yùn)動(dòng)幅度比母船大,同時(shí),兩者相位存在延遲,當(dāng)延遲較大時(shí),會(huì)在臍帶纜內(nèi)部產(chǎn)生沖擊載荷,導(dǎo)致臍帶纜內(nèi)部出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力波,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成臍帶纜和潛水器的損壞。圖2所示的張力曲線取自“海星6000”第一次海試中第5潛次,ROV下潛深度為4 613 m。由圖2可知,鎧纜首端(近絞車(chē)端)張力峰值已接近鎧纜的安全工作載荷,如果潛水器繼續(xù)下潛到5 000～6 000 m級(jí)深度,很有可能超過(guò)臍帶纜的安全工作載荷造成鎧纜損壞,因此,有必要對(duì)深?？瓶夹蚏OV鎧纜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究,并采取有效措施降低鎧纜張力。

圖1 “海星6000”工作原理圖

圖2 鎧纜首端張力波動(dòng)曲線

2 臍帶纜動(dòng)力學(xué)建模

目前針對(duì)水下拖曳系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)和深海ROV鎧纜系統(tǒng)等水下纜索等數(shù)值分析法主要分為集中質(zhì)量法、有限差分法、有限段法和有限元法。其中集中質(zhì)量法屬于低階有限元法,僅考慮拉伸和彈性,無(wú)法處理低張力彎曲問(wèn)題;有限差分法將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程來(lái)求解,大量應(yīng)用于流體力學(xué)問(wèn)題。有限元法將無(wú)限自由度的連續(xù)問(wèn)題進(jìn)行離散,在纜索建模上,能處理較復(fù)雜的幾何形狀,且模塊性能好,應(yīng)用廣泛。由Reisser[11],Simo[12-13],Ibrahimbegovic等[14-16]所提出幾何精確梁理論,所描述的應(yīng)變—位移之間關(guān)系是精確的非線性,可應(yīng)用于小應(yīng)變、大位移對(duì)象的動(dòng)力學(xué)建模[17]。本節(jié)將采用幾何精確梁理論對(duì)“海星6000”鎧纜系統(tǒng)進(jìn)行有限元模型建立。

2.1 臍帶纜運(yùn)動(dòng)學(xué)

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析之前,首先對(duì)臍帶纜進(jìn)行一定簡(jiǎn)化,假設(shè)臍帶纜材料連續(xù),且初始狀態(tài)為直線,橫截面為圓形,如圖3所示;圖中黃色部分為鎧纜系縛的浮力材料,本文將浮力材考慮為纜索外部節(jié)點(diǎn)。為分析方便,定義如圖3所示的3個(gè)坐標(biāo)系,分別為:大地坐標(biāo)系、材料坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系[18]。大地坐標(biāo)系{Ei}為慣性坐標(biāo)系,坐標(biāo)設(shè)為{E1,E2,E3};{ei}為材料坐標(biāo)系,坐標(biāo)設(shè)為{e1,e2,e3},e1與纜索初始狀態(tài)的中線相切,e2,e3位于纜索的初始橫截面。{ti}為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,初始狀態(tài)與材料坐標(biāo)系{ei}重合。

圖3 鎧纜三維運(yùn)動(dòng)學(xué)描述

臍帶纜在變形過(guò)程中符合Reissner-Timoshenko運(yùn)動(dòng)學(xué)假設(shè),即初始狀態(tài)下垂直于纜軸線的橫截面在變形過(guò)程中始終為平面。由于受剪力作用,變形后臍帶纜中軸線的切線并不一定與橫截面保持垂直關(guān)系。上述所定義3個(gè)坐標(biāo)系滿(mǎn)足以下關(guān)系[17]

Ei(s)=R0(s)ei,ti(t,s)=R(t,s)Ei(s)

(1)

式中:s代表弧長(zhǎng),t代表時(shí)間,R0與R為正交轉(zhuǎn)動(dòng)張量算子,滿(mǎn)足RRT=I。其中R0和R代表初始和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)張量算子,分別表征從固定空間坐標(biāo)系{Ei}到材料坐標(biāo)系{ei}、材料坐標(biāo)系{ei}到運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系{ti}的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

由羅德里格斯公式推導(dǎo)得到張量算子R與總轉(zhuǎn)動(dòng)矢量Ψ之間的函數(shù)關(guān)系為

(2)

x(t,s)=xc(t,s)+X2t2(t,s)+X3t3(t,s)=

xc(t,s)+RE

(3)

式中:E=X2E2+X3E3,xc(t,s)為臍帶纜中軸線的位置矢量。

臍帶纜位置矢量的空間虛位移可表示為

(4)

式中:Θ稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)矢量增量。對(duì)式(3)求二階導(dǎo)數(shù)得

(5)

2.2 臍帶纜三維動(dòng)力學(xué)方程弱形式

在建立臍帶纜動(dòng)力學(xué)模型時(shí),同樣將其分成系縛浮球和無(wú)系縛浮球兩種情況,將幾何精確梁理論的運(yùn)動(dòng)學(xué)假設(shè)代入到連續(xù)介質(zhì)力學(xué)動(dòng)量定理,由虛功原理得到臍帶纜變形過(guò)程中運(yùn)動(dòng)方程的等效弱形式,作為臍帶纜動(dòng)力學(xué)有限元模型建立的基礎(chǔ)。

虛功原理公式可表示為

(6)

式中:q=(d,ψ)為廣義位置矢量;Gext、Gint、Gacc分別為外力、內(nèi)力和慣性力作用虛功項(xiàng)。負(fù)號(hào)表示外力虛功項(xiàng)與內(nèi)力和慣性力虛功項(xiàng)的方向相反,下面將詳細(xì)介紹3個(gè)虛功項(xiàng)的具體推導(dǎo)過(guò)程。

外力虛功項(xiàng)是指由外界力的作用而產(chǎn)生的虛功,這里的外力包括面力、體力和集中力3種,為分析方便,本文將集中力看作為作用在微小面積上的面力。則臍帶纜的外力虛功項(xiàng)可表示為

(7)

(8)

總的內(nèi)力虛功項(xiàng)的顯式表述為

(9)

式中:N和M分別代表單位弧長(zhǎng)的材料應(yīng)力和應(yīng)力偶矢量,Γ和ΚR分別代表材料的應(yīng)變與曲率矢量,δε計(jì)算公式如下

(10)

假設(shè)臍帶纜和浮球的材料各向同性,且滿(mǎn)足線彈性關(guān)系。引入線性本構(gòu)方程描述材料的線彈性關(guān)系可表示為

N=CnΓ;M=CmKR

(11)

式中:N和M分別代表合應(yīng)力和合應(yīng)力偶矢量、Γ為材料應(yīng)變矢量、KR為曲率矢量。

材料的軸向和彎曲彈性模量張量可表示

(12)

式中:EA和GJ分別為軸向和扭轉(zhuǎn)剛度,GA2和GA3為纜截面沿慣性主軸方向的剪切剛度,EI2和EI3為纜截面的彎曲剛度;截面A2和A3包含了剪切修正系數(shù)。以上6個(gè)參數(shù)每個(gè)均包含兩組:臍帶纜和臍外掛浮球的材料參數(shù)。

水下臍帶纜的慣性力虛功顯式表示

(13)

加速度力Facc又可以分成兩部分Facc,a和Facc,b

Facc=Facc,a+Facc,b=

(14)

(15)

2.3 鎧纜系統(tǒng)的三維流體水阻力

深海ROV的鎧纜系統(tǒng)在水下受到的外力一般包括:重力、浮力、水阻力和附加質(zhì)量力。其中水阻力和附加質(zhì)量力分別與鎧纜的移動(dòng)速度和加速度相關(guān)。下面分別給出單位長(zhǎng)度水下鎧纜和鎧纜與浮力材料復(fù)合體的外力計(jì)算公式。

單位體積鎧纜的重力矢量可表示為

(16)

式中:ρC和ρCB分別代表臍帶纜和臍帶纜與浮球復(fù)合體的密度;ρw為海水密度,g0是重力加速度矢量。雖然臍帶纜和浮球由于受海水壓力的作用體積可能發(fā)生變化,但所引起的密度變化非常小,基本可以忽略;因此,假設(shè)材料變形前后的密度相同。

鎧纜在水下運(yùn)動(dòng)受到的水動(dòng)力非常復(fù)雜,雖然可通過(guò)CFD數(shù)值仿真的方法獲得水動(dòng)力參數(shù),但效率很低,因此最好采用經(jīng)驗(yàn)公式的方式。通過(guò)檢索文獻(xiàn),如忽略渦流脫落的影響,計(jì)算水動(dòng)力參數(shù)可采用半經(jīng)驗(yàn)公式,如Morison公式。

V=v2(h)e2+v3(h)e3

(17)

由此可得,水流流速矢量在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下{ti}下的分量為

(18)

式中:下標(biāo)1、2和3分別與t1、t2和t3軸對(duì)應(yīng),表示3個(gè)基矢量方向的流速分量,則臍帶纜相對(duì)于水流的移動(dòng)速度在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系{ti}下可表示為

(19)

此時(shí)單位纜長(zhǎng)所受的水阻力在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系{ti}的分量為

(20)

式中:CCD1、CCD2和CCD3分別為臍帶纜切向、法向與副法向的水阻力系數(shù);CCBD1、CCBD2和CCBD3分別為臍帶纜與浮球復(fù)合體切向、法向與副法向的水阻力系數(shù)。

在空間坐標(biāo)系下表示單位纜長(zhǎng)受到的水阻力為

(21)

由式(16)和(21)得到,單位長(zhǎng)度臍帶纜所受的總外力為

(22)

3 有限元離散化

3.1 完全拉格朗日列式的線性化

由式(15)可知,臍帶纜動(dòng)力學(xué)方程具有高度非線性的特點(diǎn),很難直接求得解析解。針對(duì)該類(lèi)方程,通常采用迭代校正的方法逐步逼近真實(shí)解,常用的方法有Newton-Raphson法。因此,首先需要對(duì)弱形式的完全拉格朗日列式進(jìn)行線性化,通過(guò)對(duì)式(15)求導(dǎo),得到整個(gè)虛功項(xiàng)的線性部分如下

(23)

式中:下標(biāo)“0”表示在t=t0時(shí)刻的狀態(tài)量。其中等號(hào)后面3項(xiàng)依次代表給定狀態(tài)下的殘值和線性增量。下面將分別對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行線性化。

由式(23)可得外力虛功項(xiàng)線性化的一般表述為

lin[Gext(q,δq)]=Gext,0+DqGext,0Δq=

(24)

式中:Kext為切向剛度張量,其表征大位移情況下外力負(fù)載變化所引起切向剛度張量的變化。因纜索在水下運(yùn)動(dòng)受到外力包括保守力與非保守力,其中保守力為重力和浮力,非保守力為粘性水阻力。因此對(duì)外力虛功項(xiàng)線性化得到的切向剛度張量Kext也應(yīng)包括保守與非保守兩部分。由分析可知,非保守力對(duì)于載荷剛度矩陣貢獻(xiàn)較小,為分析方便,本文忽略了載荷剛度矩陣非保守力部分。

由式(23)可得,臍帶纜內(nèi)力虛功項(xiàng)線性化的一般表述為

(25)

慣性力虛功項(xiàng)一般表述為

(26)

式中:M為質(zhì)量張量;Kcent和Cgyro分別為離心力和哥氏力張量,這兩個(gè)量對(duì)于臍帶纜動(dòng)力學(xué)影響較小,除了纜高速旋轉(zhuǎn)的情況下可忽略。

3.2 線性弱形式的有限元離散化

本節(jié)通過(guò)有限元法對(duì)線性化后的結(jié)果進(jìn)行離散。采用ne=2節(jié)點(diǎn)線性插值等參單元,對(duì)廣義位移矢量進(jìn)行離散

(27)

線性等參插值形函數(shù)在局部坐標(biāo)系ξ下可表示為

(28)

對(duì)應(yīng)的形函數(shù)導(dǎo)數(shù)為

(29)

由于

(30)

因此,形函數(shù)對(duì)整體坐標(biāo)s的導(dǎo)數(shù)為

(31)

局部與整體坐標(biāo)間的雅克比矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(32)

采用人為插值可以得到虛擬應(yīng)變的離散近似值

(33)

(34)

(35)

(36)

式中:

(37)

為了避免膜閉鎖現(xiàn)象的發(fā)生,采用一點(diǎn)高斯積分計(jì)算纜索內(nèi)部節(jié)點(diǎn)力、外力和切向張量,采用兩點(diǎn)高斯積分計(jì)算加速度力和矩陣,由式(34)、(35)和(36)可得

(38)

這里的單元?dú)堄喙?jié)點(diǎn)力為

(39)

由式(38)可得對(duì)應(yīng)的單元有限元方程為

(40)

按照線性有限元中的組裝方法,對(duì)單元進(jìn)行組裝得到總體有限元方程為

(41)

3.3 線性弱形式的有限元離散化

上述所討論的問(wèn)題屬于數(shù)學(xué)上的邊界值問(wèn)題,為了求解該類(lèi)方程,需給出一定的約束作為邊界條件。針對(duì)深海ROV臍帶纜系統(tǒng),鎧纜通過(guò)甲板上的絞車(chē)進(jìn)行收放,如忽略絞車(chē)的旋轉(zhuǎn),臍帶纜首節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與母船的運(yùn)動(dòng)一致。可將母船的運(yùn)動(dòng)作為臍帶纜動(dòng)力學(xué)求解的邊界條件

(42)

臍帶纜末端直接與ROV蘑菇頭相連,因而,其邊界條件為潛器的動(dòng)力平衡方程。ROV在水下受到自身重力、浮力、水阻力和臍帶纜拉力的共同作用,其動(dòng)力平衡方程為

(43)

圖4 “海星6000”ROV

4 鎧纜局部系縛浮球動(dòng)態(tài)特性研究

在動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)上,利用FORTRAN語(yǔ)言編制有限元分析程序,數(shù)值算法采用廣義α算法求解。然后利用該模型對(duì)“海星6000”ROV鎧纜系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析?！昂Ｐ?000”ROV結(jié)構(gòu)如圖4所示,其最大設(shè)計(jì)潛深6 000 m,空氣中重量3.2 t,尺寸為1.6 m×3.2 m×2.6 m,其所采用的鎧纜主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 “海星6000”ROV水下鎧纜系統(tǒng)主要物理參數(shù)

影響水下鎧纜系統(tǒng)安全工作的主要因素包括支持母船的升沉運(yùn)動(dòng)、鎧纜自身參數(shù)變化以及海流流速變化。因此,在接下來(lái)的仿真中將綜合考慮多個(gè)因素聯(lián)合作用下鎧纜系統(tǒng)的張力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化。

4.1 未掛浮球仿真結(jié)果

首先采用廣義α預(yù)測(cè)算法對(duì)“海星6000”ROV水下鎧纜系統(tǒng),在線性遞減恒定海流和4級(jí)海況母船升沉運(yùn)動(dòng)共同作用下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。4級(jí)海況母船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取自“大洋一號(hào)”科考船,數(shù)據(jù)包含母船升沉的位移、速度和加速度,采用頻率為10 Hz,總時(shí)間長(zhǎng)度為100 s,如圖5所示,仿真中將該約束施加到鎧纜首節(jié)點(diǎn)上。設(shè)海流只與深度相關(guān),并且在全水深范圍內(nèi)是遞減的,海水表面水平分量為0.8 m/s,豎直方向上無(wú)海流分量。仿真得到ROV下潛6 000 m深度時(shí)鎧纜首端張力,以及80 s時(shí)刻水下鎧纜空間動(dòng)態(tài)構(gòu)型分別如圖6和圖7所示。

圖5 “大洋一號(hào)”母船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)

由圖6可知,鎧纜首端張力值基本都超過(guò)了鎧纜的安全工作載荷53.4 kN,鎧纜首端張力在4.6～6.6 t范圍內(nèi)波動(dòng),均值為57.2 kN,若海況進(jìn)一步提高,最大張力極易突破理論動(dòng)態(tài)峰值負(fù)載66.7 kN,可能導(dǎo)致鎧纜損壞失效。因此,為了提高鎧纜的使用安全性,有必要采用一種抑制鎧纜內(nèi)部張力的方法。

圖6 “海星6000”ROV下潛6 000 m鎧纜首端張力變化

由圖7可知,ROV下潛深度6 000 m,在100 s有限時(shí)間內(nèi),由于海流的作用鎧纜逐漸偏離初始直線狀態(tài),其偏離方向?yàn)楹Ａ鞯暮纤俣确较?鎧纜上半部分偏移量大于下端,由于仿真時(shí)間有限,最大偏移量并沒(méi)有出現(xiàn)在鎧纜的最末端,而是在深度約1 500 m位置。鎧纜末端水平偏移量在80 s時(shí)為3 m(非鎧纜穩(wěn)態(tài)構(gòu)型)。

圖7 80 s鎧纜水下構(gòu)型

4.2 鎧纜局部系縛浮力球

由上節(jié)計(jì)算結(jié)果可知,ROV下潛到6 000 m級(jí)深度鎧纜首端張力已超過(guò)安全工作載荷,極易導(dǎo)致其失效損壞,為了減少水面母船及鎧裝重纜對(duì)潛水器載體運(yùn)動(dòng)的干擾,同時(shí)降低鎧纜內(nèi)部張力值,本文擬在鎧纜的某一段長(zhǎng)度上系縛一定數(shù)量的浮球,所系浮球物理參數(shù)如表2所示,通過(guò)系縛正浮力球可抵消一部分纜索重量,從而起到降低鎧纜內(nèi)部張力的作用。每個(gè)浮力球由2個(gè)半球組成,中間留有走鎧纜通道,通過(guò)卡子將纜夾在兩半球間,浮球系在纜上場(chǎng)景見(jiàn)圖8,與本文2.1節(jié)所建立的理論模型完全一致。浮力球在水下除了受到重力和浮力作用外,由于隨纜一起運(yùn)動(dòng),也會(huì)受到水動(dòng)力及其附加質(zhì)量力的影響,同時(shí)浮球?qū)|索微段也會(huì)有力的作用。因此,本文將浮球考慮為纜索外部節(jié)點(diǎn),隨纜一起運(yùn)動(dòng),按照前文所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真,首先證明系縛浮球是否能起到降低鎧纜內(nèi)部張力作用,仿真中在纜索的任意位置每隔2 m加掛浮球,分別加掛20、40和60個(gè),仿真得到鎧纜首端張力變化如圖9所示。

圖8 海試現(xiàn)場(chǎng)與鎧纜系縛浮球場(chǎng)景

表2 浮球參數(shù)

圖9 纜索系縛浮力球鎧纜首端張力變化

由圖9可知,在一定范圍內(nèi),隨著系縛浮力球數(shù)目的增加,鎧纜首端張力波動(dòng)均值逐漸減小;未加掛浮球時(shí)張力波動(dòng)均值為57.2 kN,系縛60個(gè)浮力球后張力波動(dòng)均值降低為53.4 kN。

由仿真結(jié)果可知,在鎧纜上系縛浮力球確實(shí)可以降低鎧纜內(nèi)部張力,但具體在纜的那個(gè)位置系縛效果更佳,暫時(shí)還未知。通過(guò)查詢(xún)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),加拿大深海ROV系統(tǒng)ROPOS采用的是在近潛水器端系縛浮力球方式,如圖10(a)所示,當(dāng)鎧纜絞車(chē)放纜50 m后,開(kāi)始加系縛浮球,每隔2 m系縛一個(gè),共系縛27個(gè)浮球;另外一種方案如圖10(b)所示,絞車(chē)不斷放纜,當(dāng)水下鎧纜重量接近纜安全工作載荷時(shí),開(kāi)始系縛浮力球,即遠(yuǎn)離潛水器端系縛浮球。兩種方案鎧纜首端張力波動(dòng)如圖10所示。

圖10 纜索不同位置系縛浮力球方案

由圖11(a)可知,當(dāng)鎧纜系縛10個(gè)浮球?yàn)闀r(shí),兩種系縛方案鎧纜首端張力曲線基本吻合,由圖11(b)可知,當(dāng)鎧纜系縛60個(gè)浮球?yàn)闀r(shí),兩種系縛方案鎧纜首端張力曲線產(chǎn)生了明顯差異,近絞車(chē)端系縛浮球張力曲線整體下移,兩種方案張力均值分別為55 kN和54 kN,由此可見(jiàn),在遠(yuǎn)離ROV端鎧纜上系縛浮球效果更佳。通過(guò)上述分析最終確定采用遠(yuǎn)離ROV端系縛浮球方案;接下來(lái)要將確定系縛浮球的數(shù)量,即系縛多少個(gè)浮球才能保證ROV安全下潛到6 000 m級(jí)深度。

通過(guò)對(duì)“海星6000”ROV鎧纜的物理參數(shù)分析可知,為確保安全下潛,最基本的要求是鎧纜首端張力均值小于鎧纜的安全工作載荷,為此本文進(jìn)行了大量仿真,仿真結(jié)果如圖12所示,由圖可知,當(dāng)系縛浮球60個(gè)時(shí),鎧纜首端張力均值為5.39 t,小于鎧纜安全工作載荷;為確保鎧纜的絕對(duì)安全,應(yīng)使張力峰值小于安全工作載荷,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出,此時(shí)需要大約120個(gè)浮球,但這種方式過(guò)于保守,增加了潛器保障人員的工作量;綜合考慮鎧纜的安全性,同時(shí)滿(mǎn)足ROV具有一定的作業(yè)半徑(2 km),最終確定加掛系縛數(shù)量為90～100。

圖11 兩種方案鎧纜首端張力對(duì)比

圖12 鎧纜系縛浮力球數(shù)量確定

為了解釋兩種加掛浮球方案差異產(chǎn)生機(jī)理,本文進(jìn)行了大量仿真,仿真結(jié)果顯示:當(dāng)系縛浮球小于20個(gè)時(shí),兩者效果基本一致,當(dāng)大于20個(gè)浮球時(shí),首端張力差異逐漸產(chǎn)生,而20個(gè)浮球所提供的正浮力恰好與水下100 m鎧纜重量一致;可見(jiàn),當(dāng)系縛浮球多于20個(gè),近ROV端掛浮球鎧纜會(huì)處于松弛狀態(tài),導(dǎo)致浮力無(wú)法完全作用到鎧纜首端。由此可見(jiàn),當(dāng)浮球較少時(shí),兩方案無(wú)本質(zhì)差異,當(dāng)加掛浮球較多時(shí),盡量選用遠(yuǎn)離ROV端加掛浮球。

5 海試驗(yàn)證

“海星6000ROV”于2015年初確定開(kāi)展研制,2017年5月進(jìn)行潛水器裝配及聯(lián)調(diào),2017年9月完成水池和碼頭試驗(yàn)。在完成系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)、水池試驗(yàn)和碼頭試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,于2017年9月開(kāi)展第一次海上試驗(yàn)驗(yàn)證。第一次海上試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)由淺海試驗(yàn)至深海試驗(yàn)的過(guò)程,最終完成6 000 m深度級(jí)別的海上試驗(yàn),全面考核潛水器功能、性能是否滿(mǎn)足研制要求,為課題驗(yàn)收和ROV實(shí)際使用奠定基礎(chǔ),并視情況開(kāi)展一定水下樣品采集、原位要素測(cè)量、環(huán)境觀測(cè)攝像等科學(xué)考察任務(wù)。

同時(shí),為了驗(yàn)證本文理論計(jì)算結(jié)果的正確性,在6 000 m級(jí)潛次中,按照計(jì)算確定的最佳系縛浮力球位置和數(shù)量進(jìn)行操作,海試現(xiàn)場(chǎng)及鎧纜系縛浮球場(chǎng)景如圖8所示,該潛次ROV最大下潛深度突破了5 611 m,試驗(yàn)得到鎧纜首端張力和下潛深度曲線如圖13所示。由圖13可知,鎧纜首端張力均值基本維持在50 kN左右,小于鎧纜安全工作載荷53.4 kN,滿(mǎn)足臍帶纜安全使用要求,驗(yàn)證了本文理論計(jì)算的正確性。

圖13 系縛浮球后鎧纜首端張力變化

6 結(jié)論

本文基于幾何精確梁理論的有限元方法,建立了深海ROV水下鎧纜系統(tǒng)的三維非線性動(dòng)力學(xué)模型,基于該模型分析了在母船升沉和海流聯(lián)合激勵(lì)下臍帶纜的動(dòng)態(tài)特性,并提出了一種臍帶纜內(nèi)部張力抑制方法,最后通過(guò)“海星6000”海上試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性,結(jié)論如下。

(1)不采取任何措施的情況下,金屬鎧裝臍帶纜下潛到5 000 m級(jí)深度,鎧纜首端張力就已波動(dòng)超過(guò)臍帶纜安全工作載荷,安全使用風(fēng)險(xiǎn)較高;

(2)通過(guò)在臍帶纜上系縛浮球的方法,可有效降低鎧纜內(nèi)部張力值,當(dāng)系縛浮球90～100個(gè)時(shí),鎧纜首端張力均小于安全工作載荷,滿(mǎn)足安全使用要求;

(3)當(dāng)系縛浮球較多時(shí),盡量選用遠(yuǎn)離ROV端加掛浮球,張力抑制效果更為明顯。