基于AQWA的水下大尺度拖缆空间形位仿真分析.pdf

船 舶 与 海 洋 工 程年 第卷 第期（总 第期）收 稿 日 期：作 者 简 介：陶 光 勇，男，高 级 工 程 师，硕 士，年 生。年 毕 业 于 中 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 专 业，主 要 从 事 拖 曳 系 统设 计 与 水 动 力 性 能 分 析 方 面 的 工 作。：基 于的 水 下 大 尺 度 拖 缆空 间 形 位 仿 真 分 析陶 光 勇（中 科 长 城 海 洋 信 息 系 统 有 限 公 司，湖 南 长 沙）摘 要：为 充 分 发 挥 水 下 大 尺 度 拖 缆 在 应 用 过 程 中 的 声 学 性 能，准 确 地 对 其 深 度 进 行 调 控，需 预 先 知 道 其 在 水 下 拖 曳状 态 下 的 空 间 形 位。由 此，对 拖 缆 的 力 学 模 型 进 行 分 析，结 合 某 水 下 大 尺 度 拖 缆 的 参 数，基 于 有 限 元 仿 真 软 件对 该 拖 缆 进 行种 典 型 航 速 的 仿 真 分 析，获 得 稳 态 和 叠 加 四 级 海 况 动 态 环 境 下 拖 曳 阵 缆 的 空 间 形 位 分 布、波高 响 应、下 沉 深 度、拖 曳 张 力 和 倾 斜 角 等 重 要 参 数，为 该 拖 缆 的 海 上 试 验 和 应 用 提 供 参 考。关 键 词：大 尺 度 拖 曳 阵 缆；空 间 形 位；仿 真中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）（，）：，：；引言近 年 来，随 着 海 洋 经 济 和 海 防 建 设 的 不 断 发 展，为 高 效 地 在 海 洋 大 范 围 内 开 展 科 学 探 测 研 究，高 速 大 尺度 拖 曳 系 统 在 海 洋 科 考 和 渔 业 探 测 领 域 的 应 用 越 来 越 多，而 为 更 好 地 发 挥 水 下 拖 缆 的 作 用，需 匹 配 声 场 参数，实 时 动 态 调 整 其 空 间 形 位，控 制 其 入 水 深 度、倾 斜 角 和 张 力 等 关 键 因 素。空 间 形 位 主 要 受 航 速、缆 长 和 拖缆 平 均 密 度 的 影 响，在 使 用 拖 缆 过 程 中，因 其 密 度 的 不 可 改 变 性，通 常 通 过 调 整 航 速 和 缆 长 获 得 预 期 的 深 度。拖 缆 因 长 度 较 大，应 用 的 环 境 复 杂，在 水 中 的 流 固 耦 合 非 线 性 度 较 高，需 预 先 掌 握 其 水 动 力 学 性 能，以 便 提 高海 上 作 业 效 率。若 通 过 实 际 的 平 台 测 试 拖 缆 的 水 动 力 学 参 数，不 仅 周 期 长，而 且 费 用 高。通 过 对 拖 缆 进 行 仿真 分 析 预 先 了 解 其 水 下 拖 曳 的 空 间 形 位，提 高 海 上 作 业 成 功 率，已 成 为 当 前 最 有 效 的 手 段。国 内 外 学 者 已 对拖 缆 姿 态 开 展 一 系 列 研 究。章 浩 燕 等采 用 简 化 的 解 析 方 法 对 拖 缆 二 维 形 态 进 行 了 研 究；张 大 朋 等对 拖 缆 系 统 在 低 航 速 下 的 稳 态 拖 曳 进 行 了 分 析；朱 克 强对 不 同 截 面 缆 的 阻 力 系 数 进 行 了 分 析，并 对 拖 缆 系 统 在 低 航 速 下 的 稳 态 拖 曳 进 行 了 计 算。这 些 研 究 可 供 拖 缆 分 析 参 考，但 主 要 面 向 的 是 中 小 尺 度拖 缆，且 大 多 数 没 考 虑 海 浪 的 影 响，与 大 尺 度 拖 缆 的 实 际 应 用 有 一 定 的 偏 差。本 文 基 于平 台 对 某 科考 探 测 拖 曳 缆 进 行 仿 真，得 到 其 在 稳 态 和 综 合 四 级 海 况 的 动 态 环 境 下 的 空 间 形 位 参 数，为 该 类 型 拖 缆 的 工 程应 用 提 供 参 考。拖 缆 力 学 分 析 模 型缆 索 在 拖 曳 过 程 中 主 要 受 到 海 流 力 的 作 用，在 对 缆 索 进 行 流 体 动 力 学 分 析 时，除 了 需 分 析 其 截 面 积、质量、抗 拉 刚 度 和 抗 弯 刚 度 之 外，还 需 确 定 其 阻 力 系 数。不 同 截 面 缆 索 受 到 的 海 流 阻 力 可 简 化 为 经 典 的 圆 柱 绕流 模 型，且 海 流 可 看 作 是 一 种 稳 定 的 平 面 流 动，单 位 长 度 上 缆 索 受 到 的 海 流 力可 表 示 为（）（）式（）和 式（）中：为 圆 柱 形 缆 索 单 位 长 度 上 受 到 的 法 向 海 流 力，又 称 阻 力；为 圆 柱 形 缆 索 单 位 长 度 上 受到 的 切 向 海 流 力，又 称 摩 擦 力；为 法 向 阻 力 系 数；为 切 向 阻 力 系 数；为 法 向 相 对 海 流 速 度；为 切 向 相对 海 流 速 度；为 海 水 密 度；为 圆 柱 形 缆 索 的 直 径。式（）和 式（）中 仅 有和是 未 知 量，二 者 的 值 关 系 到 海 流 阻 力 的 大 小，需 合 理 确 定。）的 计 算 公 式 为（）（）（）式（）和 式（）表 明，由 雷 诺 数确 定，由 水 的 运 动 黏 度、航 速和 拖 缆 直 径决 定。）的 定 义 为（）（）法 向 阻 力 主 要 是 由 拖 曳 过 程 中 的 压 差 阻 力 引 起 的，其 阻 力 系 数 很 难 通 过 理 论 分 析 计 算，通 常 通 过 试 验 获得，本 文 参 考 二 维 圆 柱 绕 流 物 体关 系 曲 线 取 值进 行 计 算。拖 缆 系 统 组 成 参 数该 拖 缆 系 统 由 舰 船 平 台、感 知 缆 和 传 输 缆 组 成，其 中：感 知 缆 内 部 为 金 属 支 撑 组 件 和 传 感 组 件，外 部 为 橡胶 套 管，直 径 为，长 度 为；传 输 缆 从 内 到 外 分 别 为 不 锈 钢 光 纤 单 元 层、聚 乙 烯 内 护 层、钢 丝 铠 装 层和 聚 乙 烯 外 护 层，直 径 为 ，长 度 为 。根 据 各 成 分 的 体 积 占 比 计 算 的 拖 缆 系 统 材 料 参 数 见表。表根 据 各 成 分 的 体 积 占 比 计 算 的 拖 缆 系 统 材 料 参 数缆 名 称直 径 密 度（）杨 氏 模 量 泊 松 比传 输 缆 感 知 缆 船 舶 与 海 洋 工 程年 第期图拖 缆 系 统 的 连 接 关 系 传 输 缆 的 前 端 与 舰 船 平 台 相 连，末 端 与 感 知 缆 相连，拖 缆 系 统 的 连 接 关 系 见 图。仿 真 分 析 计 算约 束 条 件 为 拖 缆 起 始 端 位 于 艉 部 甲 板 上，通 过 圆 筒 导 缆 器 放 出，仿 真 分 析 采 用 位 移 约 束、转 动 自 由 和 末端 无 约 束 的 边 界 条 件。在 计 算时，水 的 运 动 黏 度 取 时 的 海 水 参 数，即 。传 输缆 的 水 动 力 参 数、和，以 及 感 知 缆 的 水 动 力 参 数、和见 表。法 向 阻 力 系 数与 文 献 推 荐 的 参 考 值 较 为 接 近；切 向 阻 力 系 数与 文 献 中 的 参 考 值 基 本 吻 合。表传 输 缆 和 感 知 缆 的 水 动 力 参 数航 速 求 解 高 非 线 性 的 偏 微 分 方 程 组 的 方 法 有 很 多，软 件 采 用 的 是 时 间 域 解 法，该 方 法 在 模 型 化 时 可 考虑 所 有 的 非 线 性，在 每 个 时 间 步 上 对 每 个 质 量 项、阻 尼 项、刚 度 项 和 载 荷 项 进 行 重 新 计 算。采 用 平 台 下 的 软 件 导 入 外 部文 件，模 型 为 漂 浮 于 水 面 的 船 舶 外 壳，船 尾 处 于坐 标 原 点，正 方 向 指 向 船 首，在水 动 力 分 析 前 处 理 模 块 中 对 缆 索 单 元、材 料 和 截 面 等 参 数 进 行 定 义，采 用分 析 模 块 进 行 求 解。为 掌 握 海 况 对 拖 曳 阵 缆 的 影 响，分 别 考 虑种 应 用 模 式；一 种 是 无海 况 叠 加，简 称 稳 态；另 一 种 是 有 海 况 叠 加，简 称 动 态。当 拖 船 中 低 航 速 航 行 时，一 般 可 认 为 其 深 沉 运 动 是 随着 波 浪 起 伏 的 跟 随 运 动，其 深 沉 位 移 由 波 高 和 船 体 结 构 等 因 素 决 定，而 拖 缆 是 具 有 一 定 刚 性 的 力 学 承 重 绳，在 水 中 是 非 完 全 柔 性 正 弦 波 绳，为 结 合 实 际 应 用 情 况，在 仿 真 过 程 中 综 合 考 虑 拖 缆 与 船 舶 的 耦 合 影 响，将 拖船 与 拖 缆 视 为 相 互 作 用 的 整 体，海 浪 同 时 作 用 于 拖 缆 和 拖 船 上。在 动 态 模 式 下，采 用时 域 分 析 模 块计 算 船 舶 在 不 同 航 速、四 级 海 况 下 的 运 动 响 应，四 级 海 况 仅 考 虑 不 规 则 波 的 作 用，采 用 海 洋 工 程 行 业 常 用 的波 谱（以 下 简 称波 谱）模 拟 四 级 海 况 下 的 不 规 则 波 浪，波 谱 的 相 关 参 数 见 表。表四 级 海 况 下波 谱 的 相 关 参 数参 数有 义 波 高 角 频 率 下 限（）角 频 率 上 限（）平 均 周 期 数 值 由 于 该 拖 缆 系 统 主 要 在 中 高 航 速 情 况 下 应 用，因 此 主 要 对种 典 型 航 速（、和）进行 仿 真 计 算，图 图为 稳 态 工 况 下 缆 索 的 空 间 形 位。图 航 速 下 缆 索 的 空 间 形 位图 航 速 下 缆 索 的 空 间 形 位图 航 速 下 缆 索 的 空 间 形 位陶 光 勇：基 于的 水 下 大 尺 度 拖 缆 空 间 形 位 仿 真 分 析图 航 速 下 缆 索 的 空 间 形 位 从 图 图中 可 提 取 缆 索 悬 垂 深 度 和 传 输 缆 与 感 知 缆交 界 处 的 水 深，并 能 计 算 拖 缆 端 头 倾 斜 角。船 尾 端 缆 索 的 张力 最 大；缆 索 末 端 是 完 全 自 由 的，张 力 应 为 零。在 图 形 用 户 界 面 的 后 处 理 中 有 专 用 的缆 索 动 力 学 模 块，可 提 取 缆 索 的 单 元 张 力 结果，表为 缆 索 形 位 与 张 力 计 算 结 果，列 出 了 传 输 缆 与 感 知 缆交 界 处 深 度、缆 索 悬 垂 深 度、拖 缆 端 头 倾 斜 角 和 拖 缆 最 大 张 力计 算 结 果。表缆 索 形 位 与 张 力 计 算 结 果航 速 传 输 缆 与 感 知 缆 交 界 处 深 度 缆 索 悬 垂 深 度 拖 缆 端 头 倾 斜 角（）拖 缆 最 大 张 力 从 表中 可 看 出：航 速 越 大，缆 索 的 悬 垂 深 度 越 小，端 头 倾 斜 角 越 小，缆 索 最 大 张 力 越 大，航 速 下 缆索 的 悬 垂 深 度 为 ，航 速 下 缆 索 的 悬 垂 深 度 为 ；随 着 航 速 的 增 加，感 知 缆 的 首 尾 深 度 差 逐渐 减 小，航 速 下 感 知 缆 的 首 尾 深 度 差 为 ，航 速 下 感 知 缆 的 首 尾 深 度 差 为 ，航 速下 感 知 缆 的 首 尾 深 度 差 为 ，航 速 下 感 知 缆 的 首 尾 深 度 差 减 小 到 。由 于 感 知 缆 的 密 度 较 小，仅 比 海 水 略 高，整 体 缆 索 的 下 沉 主 要 靠 传 输 缆 的 重 力 实 现，传 输 缆 的 下 沉 斜 率 比 感 知 缆 的 下 沉 斜 率 大。在 动 态 工 况 下，不 同 航 速 下 艉 部 导 缆 器 纵 向 运 动 时 历 曲 线 见 图 图，在 叠 加 四 级 海 况 之 后，由 于 海 浪的 波 高 较 大，艉 部 的 响 应 也 较 大。不 同 航 速 下 艉 部 运 动 幅 值 与 平 均 摇 动 周 期 见 表。由 表可 知，航 速下 的 运 动 幅 值 为 ，航 速 下 的 运 动 幅 值 为 ，因 此 在 实 际 使 用 时，在 导 览 出 口 处 设 置 水 平 与 竖直 垂 直 交 叉 的 多 组 笼 状 导 缆 轮，对 拖 缆 进 行 防 跳 限 位。图 航 速 下 艉 部 导 缆 器 纵 向运 动 时 历 曲 线图 航 速 下 艉 部 导 缆 器 纵 向运 动 时 历 曲 线图 航 速 下 艉 部 导 缆 器 纵 向运 动 时 历 曲 线图 航 速 下 艉 部 导 缆 器 纵 向 运 动 时 历 曲 线 将 动 态 工 况 下 空 间 形 位 的 分 析 终 止 时 间 设 置 为，时 间 增 量 为 ，即 时 间 步 数 为 步，每 种 航 速 下的 空 间 形 位 分 别 读 取、和 等个 时 刻 的 状 态，种 航 速 下 缆 索 的 空 间 形 位 和 缆 索 张 力时 历 曲 线 见 图 图。船 舶 与 海 洋 工 程年 第期表不 同 航 速 下 艉 部 运 动 幅 值 与 平 均 摇 动 周 期航 速 船 尾 处 垂 直 方 向 运 动 幅 值 平 均 摇 动 周 期 从 图 图中 可 看 出：缆 索 张 力 最 大 均 出 现 在 船 尾 缆 索 端 点 处；航 速 为 时 最 大 张 力 为 ，出 现 在 时 刻；航 速 为 时 最 大 张 力 为 ，出 现 在 时 刻；航 速 为 时 最 大 张 力 为 ，出 现 在 时 刻；航 速 为 时 最 大 张 力 为 ，出 现 在 时 刻。图动 态 航 速 下 缆 索运 动 轨 迹图动 态 航 速 下 缆 索张 力 时 历 曲 线图动 态 航 速 下 缆 索运 动 轨 迹图动 态 航 速 下 缆 索张 力 时 历 曲 线图动 态 航 速 下 缆 索运 动 的 轨 迹图动 态 航 速 下 缆 索张 力 时 历 曲 线图动 态 航 速 下 缆 索 运 动 的 轨 迹 图动 态 航 速 下 缆 索 张 力 时 历 曲 线 动 态 工 况 下 每 种 航 速 对 应 的个 时 刻 的 空 间 形 位 基 本 一 致，缆 索 悬 垂 深 度 计 算 结 果 与 稳 态 计 算 结 果 一致，感 知 缆 和 传 输 缆 的 形 位 分 布 在 稳 态 计 算 结 果 的 形 位 上 有 所 波 动，拖 缆 最 大 张 力 和 拖 缆 端 头 倾 斜 角 变 动 范围 计 算 结 果 见 表。表拖 缆 最 大 张 力 和 拖 缆 端 头 倾 斜 角 变 动 范 围 计 算 结 果航 速 稳 态 端 头 倾 斜 角（）动 态 端 头 倾 斜 角 变 动 幅 度（）稳 态 最 大 张 力 动 态 最 大 张 力 （下 转 第页）陶 光 勇：基 于的 水 下 大 尺 度 拖 缆 空 间 形 位 仿 真 分 析结语经 过 缜 密 设 计 和 施 工，“勘 探 四 号”钻 井 平 台 的 生 活 楼 改 造 工 程 如 期 完 工。改 造 后 平 台 的 生 活 楼 环 境 大为 改 善，层 数 由层 变 为层，住 人 数 由人 增 加 至人，高 度 由 增 至 。改 造 后 的 倾 斜 试 验表 明：设 备 设 施 重 量 控 制 合 理，生 活 楼 质 量 由 改 造 前 的 增 加 至；在 风 暴 自 存 工 况 下，甲 板 可 变 载 荷由 减 少 至 ；电 力 负 荷 由 增 至，达 到 了 预 期 的 改 造 效 果。此 次 改 造 沿 用 了 原 平 台 安 全、适 用 的 功 能，复 用 了 质 量 安 全 可 靠、复 用 工 程 量 小 的 电 气 设 备，更 换 了 众 多压 载 系 统 等 核 心 关 键 设 备 和 火 气 探 测 系 统 等 成 熟 的 国 产 设 备，有 效 保 证 了 生 活 楼 改 造 工 程 如 期、顺 利 完 工，预 计 节 省 投 资 额 数 百 万 元，同 时 能 降 低 平 台 后 期 的 维 护 成 本。【参考文献】犤犦 王 伦海 洋 钻 井 平 台 主 空 压 机 控 制 系 统 改 造 电 气 传 动，（）：犤犦 仇 明，王 振 刚，杨 梦 凯，等半 潜 式 支 持 平 台 生 活 楼 设 计 研 究 江 苏 船 舶，（）：犤犦 王 伦，钟 磊，王 镪，等海 洋 钻 井 平 台 视 频 监 控 系 统 升 级 改 造 海 洋 石 油，（）：犤犦 李 晶，张 涛，田 旭，等半 潜 平 台 生 活 楼 轻 型 化 方 案 研 究 石 油 和 化 工 设 备，（）：犤犦 王 如 壮，董 秀 萍，吕 琳 琳，等半 潜 式 生 活 平 台 总 体 布 置 中 国 海 洋 平 台，（）：犤犦 雷 亚 红，郭 健，吴 晨 晖海 洋 核 动 力 平 台 生 活 楼 舱 室 环 境 设 计 船 舶 与 海 洋 工 程，（）：犤犦 吴 双 雅海 洋 平 台 生 活 楼 舾 装 设 计 浅 析 广 东 化 工，（）：犤犦 国 际 海 事 组 织海 上 移 动 式 钻 井 平 台 构 造 和 设 备 规 则 櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上 接 第页）由 表中 的 拖 缆 最 大 张 力 计 算 结 果 可 知，动 态 工 况 下 拖 航 速 度 越 小，缆 索 最 大 张 力 不 一 定 越 小，因 为 航速 小，缆 索 的 水 流 阻 力 小，初 始 静 张 力 较 小。未 张 紧 的 缆 索 在 船 舶 波 动 过 程 中 更 易 发 生 波 动，大 幅 度 的 波 动导 致 缆 索 张 力 随 时 间 的 变 化 较 为 剧 烈，如 同 结 构 的 共 振 现 象，船 舶 波 动 也 会 激 起 拖 缆 发 生 大 的 振 荡。结语从 分 析 结 果 中 可 看 出，随 着 船 舶 航 速 的 增 大，拖 缆 的 悬 垂 深 度 逐 渐 减 小，端 头 倾 斜 角 逐 渐 减 小，缆 索 最 大张 力 逐 渐 增 大，感 知 缆 的 首 尾 深 度 差 同 步 减 小。在 叠 加 四 级 海 况 的 拖 航 缆 索 形 位 分 析 中，在 相 同 的 海 况 下，不 同 航 速 下 的 船 舶 摇 动 幅 值 与 平 均 摇 动 周 期 不 尽 相 同，船 舶 拖 航 速 度 越 小，拖 缆 最 大 张 力 不 一 定 越 小，这 与不 考 虑 海 况 叠 加 工 况 下 的 结 果 有 所 差 别，航 速 下 缆 索 振 荡 最 剧 烈，其 最 大 张 力 大 于 和 航 速的 情 形，在 航 速 下 拖 缆 张 力 最 大。分 析 结 果 既 为 该 拖 缆 的 海 上 试 验 和 应 用 提 供 了 作 业 依 据，又 可 供 同类 产 品 的 工 程 应 用 参 考。【参考文献】犤犦 苑 志 江，金 良 安，田 恒 斗，等海 洋 拖 曳 系 统 的 水 动 力 理 论 与 控 制 技 术 研 究 综 述 科 学 技 术 与 工 程，（）：犤犦 章 浩 燕，朱 克 强，张 洋，等水 下 拖 曳 缆 索 二 维 几 何 形 态 的 研 究 舰 船 科 学 技 术，（）：犤犦 张 大 朋，白 勇，朱 克 强不 同 模 式 下 拖 缆 对 水 下 拖 体 运 动 姿 态 的 影 响 研 究 船 舶 力 学，（）：犤犦 朱 克 强流 线 型 与 圆 截 面 型 拖 缆 的 流 体 动 力 特 性 对 拖 曳 系 统 的 影 响 比 较 华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报，（）：犤犦 罗 伯 特 兰 德 尔海 洋 工 程 基 础 杨賧，包 从 喜，译上 海：上 海 交 通 大 学 出 版 社，犤犦 莫 乃 榕工 程 流 体 力 学 武 汉：华 中 理 工 大 学 出 版 社，犤犦 船 舶 与 海 洋 工 程 环 境 载 荷 版杨 建 民，肖 龙 飞，葛 春 花，译上 海：上 海 交 通 大 学 出 版 社，船 舶 与 海 洋 工 程年 第期