急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

甘 進(jìn) 董睿文 王 彬 吳振磊

(武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)水下檢測(cè)技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (武漢長(zhǎng)江航道救助打撈局3) 武漢 430014)

0 引 言

隨著長(zhǎng)江水域不斷地發(fā)展，長(zhǎng)江水域中包括航道整治工程排體的搭接、橋梁水下墩柱的沖刷狀況，以及大壩水下壩體的健康狀態(tài)等亟須檢測(cè)，以保證水下結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量和安全．在流速大(流速超過(guò)1.5 m/s，可達(dá)3 m/s)的長(zhǎng)江水域中進(jìn)行精確且有效的檢測(cè)難度極大．趙鋼等[1]通過(guò)單波束掃描聲吶對(duì)水下結(jié)構(gòu)物掃測(cè)后發(fā)現(xiàn)，在受到風(fēng)浪的條件下進(jìn)行地水下檢測(cè)難以反映水下結(jié)構(gòu)物的真實(shí)情況．來(lái)記桃[2]研究發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜和急流環(huán)境條件下進(jìn)行的水下檢測(cè)成果往往不夠直觀．

水下機(jī)器人(remote operated vehicle, ROV)是具有代表性的移動(dòng)式水下檢測(cè)裝置，ROV技術(shù)成熟可靠，工作時(shí)間更長(zhǎng)，已廣泛應(yīng)用于海上作業(yè)[3-5]．ROV抗流性能弱，大多用于流速小的海域檢測(cè)．長(zhǎng)江水域流速大，水下檢測(cè)系統(tǒng)要滿足在急流條件下進(jìn)行水下檢測(cè)需要有較強(qiáng)的抗流性能，一般通過(guò)增強(qiáng)ROV動(dòng)力裝置或者增大ROV重量提高ROV的抗流能力，但增強(qiáng)動(dòng)力裝置的要求很高且價(jià)格昂貴，增大水下機(jī)器人重量又會(huì)使水下檢測(cè)系統(tǒng)體積增大，受到更大的來(lái)流阻力．

長(zhǎng)江水域中水質(zhì)的渾濁會(huì)極大地影響到光學(xué)設(shè)備(如攝像機(jī))的拍攝．聲吶設(shè)備受到水質(zhì)的影響較小，用ROV搭載聲吶設(shè)備完成對(duì)水下結(jié)構(gòu)物地水下檢測(cè)是目前主流的使用方式，該方法檢測(cè)的區(qū)域廣、操作靈活、功能多，能夠深入到水下復(fù)雜條件的海洋湖泊中進(jìn)行檢測(cè)．在聲吶探測(cè)方面，圖像聲吶主要有：?jiǎn)尾ㄊ鴴呙杪晠?、多波束前視聲吶、三維成像聲吶、側(cè)掃聲吶等[6]．同時(shí)，聲吶設(shè)備具有一定的重量，ROV搭載聲吶設(shè)備會(huì)使得ROV的重量增加，會(huì)導(dǎo)致水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的增加．

基于此，文中開(kāi)發(fā)一套急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)探究流速、張力纜剛度系數(shù)、來(lái)流角度對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)的影響，解決急流條件下水下結(jié)構(gòu)物水下檢測(cè)的難題，以保證水下結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量和安全．

1 水下檢測(cè)系統(tǒng)方案與使用方法

1.1 水下檢測(cè)系統(tǒng)方案

急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)主要包括ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備四個(gè)部分，選取便攜折疊式3 t吊機(jī)用以下放水下檢測(cè)系統(tǒng)．整體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1．

圖1 整體方案設(shè)計(jì)圖

在選取BlueView BV5000水下三維全景成像聲吶設(shè)備的基礎(chǔ)上，以“江豚”IV-C作為ROV部分的研究對(duì)象．ROV驅(qū)動(dòng)主要有以下三種驅(qū)動(dòng)方式[7]：①采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑輪沿張力纜滾動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)ROV的升降；②通過(guò)改變ROV體積來(lái)改變其在水中所受浮力，從而實(shí)現(xiàn)ROV的升降；③采用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)ROV的升降．受到ROV驅(qū)動(dòng)方式的啟發(fā)，決定主要利用①③相配合對(duì)ROV進(jìn)行驅(qū)動(dòng)．為使水下檢測(cè)系統(tǒng)在工作時(shí)保持穩(wěn)定，該水下檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的錨纜系統(tǒng)避免ROV在急流下發(fā)生較大幅度地漂移以保證聲吶設(shè)備的正常檢測(cè)．在近海中多采用拉緊型、全錨鏈?zhǔn)较盗舴绞?、松弛式彈性系留方式．該水下檢測(cè)系統(tǒng)用于急流條件下的長(zhǎng)江水域，故設(shè)計(jì)了張緊型錨纜系統(tǒng)包括張力纜和錨體部分，錨體采用重量為2.5 t純鐵塊，錨體可使張力纜的張力達(dá)到約20 kN．

張緊型錨纜系統(tǒng)中的張力纜選取18×19+IWS(鋼芯)鋼絲繩，表1為張力纜參數(shù)．

表1 張力纜參數(shù)

抱纜裝置整體結(jié)構(gòu)是以齒輪傳動(dòng)為主體的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，依靠抱纜裝置提供的摩擦力實(shí)現(xiàn)ROV與張力纜的相對(duì)固定，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2．主動(dòng)齒輪、直流無(wú)刷電機(jī)、滾珠絲桿螺母副、從動(dòng)齒輪、拉力傳動(dòng)桿共同構(gòu)成了齒輪的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)所傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成拉力，利用拉力傳動(dòng)桿將拉力傳遞到張力纜抱緊環(huán)之上，從而實(shí)現(xiàn)將拉力轉(zhuǎn)換為壓力傳遞給張力纜座，實(shí)現(xiàn)張力纜座與張力纜之間的摩擦固定．

圖2 抱纜裝置整體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖

1.2 使用方法

步驟1對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估(包括流速、風(fēng)速等)，并完成對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)各部分的常規(guī)檢測(cè)，保證水下檢測(cè)系統(tǒng)各部分的正常運(yùn)行．

步驟2完成ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備的獨(dú)立安裝并運(yùn)送至工程船上．

步驟3下放張緊型錨纜系統(tǒng)，控制吊機(jī)將錨體沉放到水底進(jìn)行錨泊定位，使張力纜處于張緊狀態(tài)成為ROV下運(yùn)動(dòng)的軌道，將ROV降到指定位置；

步驟4對(duì)ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備進(jìn)行連接安裝，將聲吶設(shè)備安裝在ROV上，張緊型錨纜系統(tǒng)的張力纜與ROV通過(guò)抱纜裝置相連接．待水下檢測(cè)系統(tǒng)安裝完畢后，啟動(dòng)吊機(jī)，通過(guò)吊機(jī)將水下檢測(cè)系統(tǒng)移動(dòng)到水下結(jié)構(gòu)物處，利用ROV搭載的聲吶設(shè)備對(duì)水下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行快速且有順序地掃描，實(shí)現(xiàn)整體外形測(cè)繪；

步驟5通過(guò)控制ROV與吊機(jī)的運(yùn)動(dòng)，將水下檢測(cè)系統(tǒng)移動(dòng)到水下結(jié)構(gòu)物的重點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的檢測(cè)，獲得相應(yīng)的聲吶成像圖像；

步驟6完畢之后進(jìn)行水下檢測(cè)系統(tǒng)的拆除，包括回收ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備，進(jìn)行張緊型錨纜系統(tǒng)的張力纜與ROV連接處抱纜裝置的拆除以及聲吶設(shè)備的拆除等．

2 水下檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)值分析模型

在AQWA中設(shè)置水深為60 m，水下檢測(cè)系統(tǒng)布置在深度30 m處，張力纜設(shè)置為60 m．張力纜布置在機(jī)器人的首部，通過(guò)ROV抱纜裝置上的滾輪以及抱緊環(huán)的卡鎖進(jìn)行升降和固定．水下檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際模型結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，在AQWA的計(jì)算分析模型中對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，原則上在保證計(jì)算收斂的基礎(chǔ)上，最大程度上還原真實(shí)模型，水下檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖3a)．

水下檢測(cè)系統(tǒng)水動(dòng)力模型整體坐標(biāo)系定義：①X方向?yàn)楦◇w的長(zhǎng)度(縱向)方向；②Y方向?yàn)楦◇w的寬度(橫向)方向；③Z方向?yàn)楦◇w的高度(垂向)方向；④風(fēng)、浪、流入射方向與X軸正方向之間的夾角定義為入射角，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?°表示X軸正方向與波浪傳播方向一致，其坐標(biāo)選取見(jiàn)圖3b)．?dāng)?shù)據(jù)記錄時(shí)，0°表示水下檢測(cè)系統(tǒng)遭遇迎浪迎流，90°表示水下檢測(cè)系統(tǒng)遭遇橫浪橫流，與計(jì)算角度相差180°．

圖3 水下檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型圖和坐標(biāo)示意圖

AQWA基于三維勢(shì)流理論計(jì)算波浪場(chǎng)中的浮體受到的波浪荷載，視流體為理想流體，無(wú)旋、不可壓縮，不考慮流體粘性．AQWA 的分析模塊主要包括：AQWA-Line輻射衍射計(jì)算、AQWA-Fre不規(guī)則波頻域計(jì)算、AQWA-Librium系泊纜索的初始靜動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算、AQWA-Drift慢漂流的隨機(jī)波浪時(shí)域計(jì)算、AQWA-Naut規(guī)則波和不規(guī)則波的非線性時(shí)域計(jì)算．基于AQWA并針對(duì)急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)在波浪和流的聯(lián)合載荷作用下的張力纜張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等問(wèn)題[8]，應(yīng)用AQWA-Line進(jìn)行輻射衍射分析，通過(guò)AQWA-Naut求解在特定載荷作用下，水下檢測(cè)系統(tǒng)的張力纜張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間歷程，對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)的張力纜張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析．

AQWA中可通過(guò)建立與求解分布源積分方程和運(yùn)動(dòng)微分方程，得到流場(chǎng)的總速度勢(shì)、附加質(zhì)量和附加阻尼．由于急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工作過(guò)程中完全浸沒(méi)于水中，因此不受到風(fēng)荷載的作用，計(jì)算過(guò)程中只需考慮波浪和流對(duì)結(jié)構(gòu)的影響．模型計(jì)算過(guò)程中僅考慮ROV以及張緊型錨纜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等問(wèn)題，將流荷載考慮為定常載荷，AQWA中對(duì)于定常流載荷的處理方式是用戶自己定義各方向的流載荷系數(shù)，AQWA根據(jù)系數(shù)與給定的流速度和方向來(lái)計(jì)算流載荷．

3 水下檢測(cè)系統(tǒng)水動(dòng)力特性分析

3.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻域分析

在AQWA計(jì)算分析過(guò)程中，需要設(shè)置模型的重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，水下檢測(cè)系統(tǒng)中ROV的重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是通過(guò)ANSYS的static structure分析模塊求得．

表2 水下檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)

通過(guò)頻域計(jì)算分析，該水下檢測(cè)系統(tǒng)的附加質(zhì)量幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，橫搖附加質(zhì)量約為29.61 kg，縱搖附加質(zhì)量約為41.08 kg，橫搖阻尼與縱搖阻尼很小幾乎為零．該水下檢測(cè)系統(tǒng)在迎浪0°與逆浪180°，斜浪45°與斜浪135°浪向角下，橫搖幅值響應(yīng)算子與縱搖幅值響應(yīng)算子的值十分接近．圖4為橫搖和縱搖幅值響應(yīng)算子，橫搖幅值響應(yīng)算子RAO在波浪角度為橫浪90°且頻率為0.1 Hz時(shí)，數(shù)值最大可到達(dá)0.85．縱搖幅值響應(yīng)算子RAO在波浪角度為迎浪0°且頻率為0.1 Hz時(shí)，數(shù)值最大可到達(dá)0.74．由頻域掃頻結(jié)果可知，水下檢測(cè)系統(tǒng)最危險(xiǎn)波浪頻率為0.1 Hz(0.16 rad/s)，因此時(shí)域計(jì)算時(shí)取波浪頻率為0.1 Hz(0.16 rad/s)，計(jì)算最危險(xiǎn)波浪頻率下水下檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)．水下檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)所受環(huán)境載荷參數(shù)見(jiàn)表3．

圖4 橫搖、縱搖幅值響應(yīng)算子

表3 環(huán)境載荷參數(shù)

3.2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析

3.2.1流速的影響分析

結(jié)合水下檢測(cè)系統(tǒng)在急流條件下的檢測(cè)環(huán)境，分析在張力纜剛度系數(shù)為160 kN/m，迎流0°時(shí)，不同流速下的張力纜張力以及水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4．

表4 不同流速下的張力纜張力以及水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

由表4可知：隨著流速的遞減，水下檢測(cè)系統(tǒng)在X(縱向)位移減小，其他運(yùn)動(dòng)響應(yīng)參數(shù)也在不斷地減小．計(jì)算發(fā)現(xiàn)，RY(縱搖)角度較大，這是由于迎流0°時(shí)，在流荷載的沖擊下水下檢測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)頭效應(yīng)(縱搖)比較明顯．在3 m/s流速下，RY(縱搖)角度為7.07°，此時(shí)水下檢測(cè)系統(tǒng)可利用自身的浮力與ROV自身的螺旋槳推力使水下檢測(cè)系統(tǒng)在急流條件下保持較好的穩(wěn)定性，保證聲吶設(shè)備在水下進(jìn)行檢測(cè)．

3.2.2張力纜剛度系數(shù)的影響分析

為保證水下檢測(cè)系統(tǒng)在張力纜約束作用下水下檢測(cè)的穩(wěn)定性，分析討論張力纜剛度系數(shù)對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響．對(duì)于抱纜裝置而言，抱緊環(huán)最大直徑為18 mm，合金鋼的彈性模量為206 GPa，張力纜最大剛度系數(shù)約為1 700 kN/m．選取小一寸直徑的鋼絲繩，即直徑為14 mm的張力纜，張力纜最小剛度系數(shù)約為120 kN/m，見(jiàn)表5．計(jì)算在3 m/s流速，迎流0°時(shí)，不同張力纜剛度系數(shù)對(duì)張力纜張力以及水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響．

表5 不同張力纜剛度系數(shù)對(duì)張力纜張力以及水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響

由表5可知：隨著張力纜剛度系數(shù)的變化，水下檢測(cè)系統(tǒng)位移與轉(zhuǎn)角變化呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)．降低張力纜剛度系數(shù)會(huì)使得張力纜對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)的約束作用降低從而導(dǎo)致水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)幅值的增加．為保證水下檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)的穩(wěn)定性以及檢測(cè)結(jié)果的可靠性，需限制搭載聲吶設(shè)備的ROV的位移和轉(zhuǎn)角，在檢測(cè)過(guò)程中最好采用張力纜剛度系數(shù)較大的張力纜，更有利于聲吶設(shè)備的穩(wěn)定探測(cè)．在3 m/s流速下，采用剛度系數(shù)為160 kN/m的張力纜，可保證聲吶設(shè)備的正常檢測(cè)．

3.2.3來(lái)流角度的影響分析

為保證水下檢測(cè)系統(tǒng)能在多角度來(lái)流的沖擊下穩(wěn)定地進(jìn)行水下檢測(cè)，將主要探討在3 m/s流速，張力纜剛度系數(shù)為160 kN/m時(shí)，不同來(lái)流角度對(duì)張力纜張力以及水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，見(jiàn)表6．

表6 不同來(lái)流角度對(duì)張力纜張力以及水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響

由表6可知：在來(lái)流角度增大時(shí)，Y(橫向)受流荷載沖擊越來(lái)越大從而導(dǎo)致RX(橫搖)角度和Y(橫向)位移有明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)，X(縱向)位移有明顯減小的趨勢(shì)，其他運(yùn)動(dòng)響應(yīng)參數(shù)略微減?。畞?lái)流角度對(duì)水下檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大，需要多考慮來(lái)流角度的影響，水下檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該以較好的姿態(tài)來(lái)減少大角度來(lái)流所帶來(lái)的影響．來(lái)流角度較小時(shí)RX(橫搖)角度較小且Y(橫向)位移的偏移較小，檢測(cè)時(shí)來(lái)流角度小于20°，可保持水下檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性保證聲吶設(shè)備的檢測(cè)．

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)急流條件下水下檢測(cè)系統(tǒng)水下檢測(cè)的實(shí)際情況，確定了多種檢測(cè)工況，計(jì)算了在不同流速、張力纜剛度系數(shù)、來(lái)流角度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平．根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在來(lái)流角度小于20°的急流條件下，采用錨體為2.5 t純鐵塊且張力纜為剛度系數(shù)到達(dá)160 kN/m的鋼絲繩18×19+IWS(鋼芯)的張緊型錨纜系統(tǒng)，可滿足聲吶設(shè)備正常檢測(cè)和水下檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，使得水下檢測(cè)系統(tǒng)能夠良好地進(jìn)行檢測(cè)工作．在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整好水下檢測(cè)系統(tǒng)在水下檢測(cè)時(shí)的姿態(tài)并采用錨體重量較大與張力纜剛度系數(shù)較大的張力纜以增強(qiáng)穩(wěn)定性，可保證聲吶設(shè)備正常檢測(cè)．

2) 文中所采用的基于水動(dòng)力分析軟件AQWA分析水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值分析方法，能用于評(píng)估水下檢測(cè)系統(tǒng)的合理性和安全性；計(jì)算多種檢測(cè)工況下的水下檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等，為急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)提供技術(shù)保障；在方案設(shè)計(jì)上，提出了張緊型錨纜系統(tǒng)約束ROV，使得水下檢測(cè)系統(tǒng)在急流條件下的檢測(cè)具有更好的穩(wěn)定性，為急流條件下的水下檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可能性．