海洋水下拖曳體的設計要點

王志博

（上海船舶運輸科學研究所，上海 200135）

海洋水下拖曳體的設計要點

王志博

（上海船舶運輸科學研究所，上海 200135）

針對海洋水下拖曳體設計中的工程需求，總結水下拖曳體設計與系統總成配合關系中需著重注意的功能設計，結構強度設計，水動力性能，運動穩定性，標準化、運輸、抗腐蝕與拖曳安全性設計，總裝與質量特性校核，拖曳系統總成和性能測試等8個設計要點。對各設計要點中的關鍵環節進行論述，提出設計、制造及檢測過程中需側重解決的問題。

拖曳體設計；結構強度；水動力性能；運動穩定性能

0 引 言

水下拖曳系統主要用于探測海底地質、海洋水文和生態環境，主要由母船、甲板絞車、纜繩和拖曳體（以下簡稱拖體）等部件構成。拖體是所有水下探測設備的集成平臺，搭載有以光學、聲學[1-3]、磁場和溫鹽[4]等作為探測手段的傳感器，這些傳感器對拖體的結構布置和航行穩定性都有指標要求[5]。例如，某型重力式拖體在設計時要求其拖航過程中的俯仰角在±3°以內，均方差＜0.2°，俯仰和升沉的周期＞20s。拖體設計環節[6-7]是整個拖曳系統設計中的關鍵環節，拖體的運動穩定性往往取決于拖曳系統的設計水平。為提高拖體的運動穩定性，常采用兩段式拖曳方式[2-3]，但單體重力式拖體便于回收、操作方便，因此更適合于探測設備較少的快速探測。

在設計拖體前，用戶往往會對拖曳深度、拖曳航速、功能要求、使用環境和維護等提出具體的指標要求。優良的設計方案能在滿足上述指標要求的同時，降低制造、測試及維護的難度。這里對單體重力式拖體的總體設計和制造過程進行總結，將其歸納為8個主要設計制造環節，把握這些環節中的技術難點和技術要領，使拖體的設計制造指標可控。

1 拖體設計與系統總成

拖體設計是拖曳系統設計中的重要環節，不僅決定了探測儀器設備的工作能力和狀態，而且對拖曳系統的穩定性有至關重要的影響。這里對拖體的功能設計、結構強度設計、水動力性能、主被動水動力控制部件裝配、拖體總裝及運輸使用維護等方面的設計要點進行簡述。

1.1 功能設計

圖1為拖體設備布置與安裝實景，拖體是搭載各類探測設備的集成平臺，需在有限的空間內布置功率轉換設備、聲吶、光學照相儀、取樣容器及電波類、磁力類等設備；設備間需預留良好的操作維護空間；部分設備需利用耐壓罐體封閉，這不僅會增加自身的體積和質量，而且會增大信號與電路的連接空間。圖2為框架式拖體，由于耐壓罐體的質量大、水密性要求高，因此常采用鈦合金整體制造，不適合在罐體上焊接連接件，常采用抱箍和卡套連接。在設計和制造該框架式拖體時，應具備多個安裝定位平面，便于對設備進行安裝定位。同時，標記這些定位平面的站位和刻度，便于對拖體上安裝的部件進行定位和記錄。在多用途拖體平臺上，針對不同的探測目的，要求拖體中搭載的部分探測設備可現場檢測和更換及進行數據和樣本收集。這對拖體的設計提出了更高的要求，不僅要求拖體便于拆裝連接，而且要求線路配備和拖體上能耗原件的功率分配符合具體規定。

1.2 結構強度設計

在設計拖體承載框架時，應使其在保持設備之間互不干擾的情況下具有足夠的強度和抗沖擊能力。這是由于在拖曳過程中需對拖體進行船尾起吊、布放和回收，設計時應保證拖體具有抵抗母船升沉帶來的沖擊力的能力，這種沖擊力隨著海況的不斷惡劣而顯著增大，尤其是在出水回收的過程中，拖體內部會裹挾部分水分，導致出水時拖體的總質量遠大于陸上稱重，使得升沉帶來的沖擊力更大。此外，拖體框架必須具有抵抗母船舷側撞擊的能力。當拖體接近海底探測時，會因海底地形起伏不平而與母船舷側發生碰撞。因此，在設計拖體框架的承重時需考慮這些安全因素，考慮恰當的強度安全裕度和結構防撞抗沖擊力。拖點和吊點結構作為唯一集中承重的結構，需采用高強度的抗腐蝕鋼材制作。

在設計拖體的過程中，需利用有限元工具對框架設計與承載裝配的關系進行校核，其中對沖擊荷載進行校核是十分重要的環節。圖3為某型拖體框架的承載結構裝配體有限元模型。為滿足高干舷船尾的拖體回收要求，必須額外配備收納索和保險繩。此外，框架兩側還必須設置一定數量的拉環和把手，便于裝配、搬運和拆卸。

管材框架通常作為抗沖擊結構使用[4]，拖體前端通常設計成突出的管材外包結構。單根管材不能焊接成封閉式結構，應設置通水孔，防止受水下的高壓而損壞?？箾_擊結構與承載框架間采用吸能結構，如用緩沖彈簧墊圈和橡皮枕套等螺栓連接，便于維護和更換。

1.3 水動力性能

若拖體在拖曳前進過程中發生大幅度、高頻率的縱搖和升沉，則其搭載的傳感器就不能正常工作，甚至會傳輸出錯誤的探測信號。復雜的海況將給拖曳系統的運行帶來擾動，良好的系統設計方法有助于提高拖曳系統抵抗風、浪、流干擾的能力。

根據拖曳速度對拖體水動力性能的不同影響，將拖體分為低速拖曳體和高速拖曳體。一般將拖速在6kn以下的拖體看作低速拖體，低速拖體要重視拖體質量與拖點的配置關系；將拖速在10kn以上的拖體看作高速拖體，高速拖體要注重自身外形與水動力部件的配合；對于拖速在6kn～10kn的拖體，要根據其構型適當增加水動力部件[7-8]，合理控制運動穩定性。

出于設備尺寸和維護使用方便考慮，低速拖體通常會設計成鈍體，設計時要避免水流作用力成為非定常的擾動力。例如：在拖體的尾段減小設備配置密度、增大水流通暢性，避免尾渦發放；采用收縮式的尾段設計，避免形成周期性尾渦發放。

隨著拖曳速度的提高，拖曳時拖體產生的水流作用力會越來越大。圖4為安裝翼舵的拖體，為避免鈍體造成不穩定的水流阻力，應考慮將拖體外形設計成流線型。結合計算流體力學技術模擬拖體的水流作用力隨拖航姿態的變化，計算水動力作用中心的位置。受所安裝設備的限制，部分高速拖體的主要外形并非呈軸對稱回轉體特征，水流作用力的合力作用點隨著拖速的波動和姿態的變化而移動，形成不平衡水動力，使得拖體的俯仰角變得不穩定。該類拖體往往需要安裝被動的可調式翼舵來平衡姿態。

恰當地設計拖體的外形和布置水動力部件是獲得良好的拖航運動穩定性的基礎。對于軸對稱流線型重力式拖體，將重心調節到對稱軸上，水流阻力也沿著對稱軸方向；調節拖點使纜張力的作用線通過重心，即可達到理想的受力平衡狀態，拖體的航行姿態往往可達到預期指標。

拖體排開水的形狀決定著浮力沿拖體的分布及其大小。在初始設計階段，可利用三維造型軟件計算得到總裝后拖體形心的初始位置。在對罐體和設備進行安裝的同時，需測量形心和排水體積，并記錄安裝位置；對于形狀復雜的設備，可利用浸沒法測量排開水的體積。對于拖點前后排水體積的分配，盡量做到均勻分配，避免形成浮力矩。

為使運動穩定性更高，部分拖體設置有恰當的壓載調節裝置，拖體中安裝有可遠程操控、質量可移動的機械裝置。該裝置不僅能使可移動質量沿著拖體的長度方向調節，而且可使其沿著拖體的高度方向調節，進而在一定的范圍內調節拖體的縱搖轉動慣量和重心位置。該裝置適用于經常更換不同類型探測設備的拖體。

此外，拖體還安裝甲板手控或自動控制可調式翼舵。對于搭載有該類主動翼舵控制的拖體，應設計相應的主動控制系統，或與運動傳感器配合實現服務于甲板人員的顯示屏監測與翼舵操控軟件平臺。受舵效和控制能力限制，該類主動翼舵系統適用于中高拖速拖體。

1.4 拖體運動穩定性

拖體的設計和拖曳方式通常決定著拖體克服橫搖、艏搖和橫蕩的能力。受母船搖蕩影響，拖纜張力不穩定，拖體的縱搖和升沉運動往往較為顯著，因此在設計拖體時應重視對縱搖和升沉運動的控制作用。影響拖體縱搖和升沉運動的作用力主要包括重力和水流作用力，良好的拖體設計能在避免非定常水流作用力的同時確定水動力的作用中心，在設計拖曳速度范圍內保持水動力作用中心不變，滿足纜力、重力和水流阻力相交于同一個點。受水面船舶的干擾，纜的張力并非恒定不變，若纜力、重力及水流阻力不能相交于同一個點，則會產生俯仰力矩，拖體自身的質量屬性很大程度上決定著拖體的搖蕩頻率，較小的轉動慣量有助于減小拖體的搖蕩幅度。在拖纜的母船端，常采用升沉補償裝置與之配合[9-11]。

拖體運動穩定性設計指標要求貫穿于拖體的全壽命周期（包括設計和制造階段）。

1.5 標準化、運輸、抗腐蝕與拖曳安全性設計

拖體制造過程中需使用大量的連接件，因此應盡可能地減少連接件的種類，兼顧連接件的可替換性，滿足岸電與船舶供電的轉換要求及數據傳輸帶寬和數據傳輸協議與接口的兼容性。

拖體應設計緊湊，合理控制其主尺度，既便于在往返碼頭與調試車的標準集裝箱上進行陸陸運輸，也便于搭載在不同的母船平臺上。拖體的承重框架和連接件的選材必須滿足弱磁性、抗海水腐蝕和抗電腐蝕。此外，由于部分探測設備對環境溫度有一定的要求，因此在設計中還應考慮溫度保護措施。為保證拖體在拖航中的安全性，應使拖體具有一定的蓄電能力和記憶存儲能力，防止因纜過熱或張力破斷造成信號傳輸中斷。個別拖體還要求具有拋載上浮的能力。

1.6 總裝與質量特性校核

在拖體框架制造完成之后，一般需根據安裝要求進行靜載測試，目的是檢驗型材是否存在微裂紋焊接缺陷及框架結構穩定性等問題。拖體安裝吊點后，在連接部位懸掛和放置質量相同或質量略大的壓載，隨后起吊觀察結構的強度和穩定性是否滿足要求，是否存在大變形或塑性變形。通常需懸掛壓載一段時間，隨后將其卸載，檢查焊接部位和框架表面是否形成裂紋或永久塑性變形。

拖體質量特性校核是設備安裝完成并連接后進行的一項重要工作。拖體上安裝的罐體、箱體、囊體及各類數據采集線的線路布置等會造成拖體的重心、浮心、排水體積和轉動慣量等與初始設計存在較大差異。因此，需在安裝過程中對所有零部件的重心位置和安裝位置進行測量并做好詳細記錄。

此外，還應對拖體進行衡重測量和校正，確定其重心、浮心和轉動慣量。衡重分為陸上衡重和水池衡重，其中：陸上衡重用來測量拖體的重心和重力；水池衡重用來測量拖體的浮心和浮力。對于質量和體積較小的拖體，陸上衡重可采用懸掛法測量拖體的重心位置，水池衡重可采用懸線連接電子秤的懸掛法測量拖體的重力和浮力。由于重力式拖體的重力往往遠大于浮力，因此浮力不會對拖體的運動姿態產生顯著影響。一般情況下，拖體的實際質量會大于初步設計時的計算質量，重心位置也會偏離初始計算值。這就需要逐一排查出現差別的原因，甚至是拆卸部分大質量的設備重新測量其重心。若重心位置不在拖點所在的中縱剖面內，則需移動設備進行微調，否則拖體在拖航中會存在初始橫傾角。若拖體重心前移，則拖體在拖航中易出現負俯仰角；若拖體重心后移，則容易出現正俯仰角。

1.7 拖曳系統總成

對于拖體與拖曳系統的承重拖曳纜和甲板吊裝布放系統的連接等其他部分，既要做好拖點連接和吊點連接，又要做好信號和電路集成連接。集成連接后要進行系統的實驗室聯調，測試連接設備的運行狀況，并進行相應的記錄。

1.8 拖體性能測試

在完成安裝和設備連接后，通常會進行拖體的車間聯調、水池測試及湖試（或海試），用于設備調試和模塊檢測。不同的測試環境對應不同的測試內容。陸上聯調主要測試信號連接、電路連接是否正確通暢；水池測試主要檢查水密性和絕緣性；湖試主要測試無線信號發射和動態拖曳過程中設備的運轉情況；海試則是對整個拖曳系統進行考核。

2 結 語

本文總結了國內外拖體設計的經驗，將拖曳體設計制造歸納為功能設計，結構強度設計，水動力性能，拖體運動穩定性，標準化、運輸、抗腐蝕與拖曳安全性設計，總裝與質量特性校核，拖曳系統總成及拖體性能測試等8個主要設計環節。這些設計環節相輔相成，實現拖體的各項設計指標，使拖體的功能得到正常發揮，為解決從初步設計到制造交付的產品周期中重點考慮的問題提供參考。

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Key Factors for Design of the Object Towed Underwater

WANG Zhi-bo

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

According to the engineering requirements for the design of the object towed underwater, this paper summarizes the essentials in design of the object towed underwater and the system integration, including structural strength, hydrodynamic performance, dynamic stability, design standardization, transportation, corrosion resistance, towing safety, mass property, and system assembly and testing.The key factors of the above essentials are fully discussed, and the major problems to be solved during design, construction and examination are pointed out.

design of the object towed underwater; structural strength; hydrodynamic performance; dynamic stability

U674.3；U661.1

A

2095-4069 (2017) 04-0005-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.002

2016-03-30

王志博，男，高級工程師，1983年生。主要從事拖曳系統設計與動力學計算工作。