水下清洗載具的結構設計與模態分析

陳彥臻，胡以懷，袁春旺，李 凱，曾 存

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

0 引言

水下結構物長期與海水接觸，往往會被大量的污損生物附著。該附著規模大、粘附力強，并會不斷地積累侵蝕，從而破壞物體表面防腐涂層、縮短其使用壽命、增加維護成本[1]。污損是一直困擾海洋結構安全性和經濟性的嚴重問題。目前，水下作業大多由潛水員來完成，但是由于水下環境復雜、作業強度大，人工平均每天僅能作業 4小時，效率不高，安全性也很難得到保障。所以，研究可代替人工的水下特種作業載具很有必要[2]。水下載具需要有可靠的結構強度和靈活的移動性能，以保證作業的順利完成。載具結構框架的設計直接決定了其形狀、大小以及水動力特性。框架既要搭載內部的二級控制箱、推進螺旋槳、作業工具和相關的輔助配件，還要抵抗外部海浪涌流的疲勞載荷和目標壁面的碰撞作用，保護內部設備不被損壞。因此，合適的框架結構應能獲得好的水下航行性能，還應具有較強的抗壓、抗彎和抗扭矩能力，減少應力集中。在工作、運動過程中，框架的某一階固有頻率與推進器或者海浪涌流的頻率相吻合，就會發生共振，產生強烈的噪聲。這不僅會使結構產生大幅度的形變，引發振動，還會影響搭載設備的正常運行。為避免上述一系列問題的發生，對框架進行振動特性的研究就尤為重要。

本文根據現有的一種水下清洗運行方法[3]，設計出相應的結構方案。考慮推進器推進力、高壓水射流反沖力、中部位置搭載的各種負載重力和浮體材料浮力的作用，進行靜力學仿真分析，并對初始結構進行優化。通過模態分析，得出了前六階的振型，避開了共振頻率區域，也驗證了優化結構的可靠性，為后續開發提供基礎。

1 總體設計方案

本文研究的水下清洗載具主要由吸附機構、移動裝置、本體框架、清洗單元、浮體單元、驅動單元、控制模塊、照明與視頻單元等部分組成，如圖1所示。整個載具模型的尺寸為：1 000×800×700（mm×mm×mm）。

由于本文框架的主要結構為立柱，而方管具有抗壓能力高、抗扭矩能力強、質量輕的特性，能夠很好地滿足要求，所以框架受力主體采用方管材料。框架材質為常用的Q235A，符合GB/T 700—2006標準，其有韌性并且可塑性強，有一定的伸長率，具有良好的焊接性能和熱加工性。材料參數如表1所示。

圖1 水下載具整體結構布置圖

表1 Q235A的基本參數

2 框架結構靜力學分析

本文模擬水下載具工作時吸附在壁面上的實際受力情況，并對模型進行簡化，將負載重力和螺旋槳推力簡化為作用力施加在相應部位。該工況下作用力如表2所示。

表2 模擬工況下的作用力

根據圖2中a）和b）的計算結果可以看出：在該模擬工況下，整個結構的最大應力集中在4個支撐腳，上下固定浮體的長框架上的應力幾乎為零。等效應變對應于等效應力，最大值同樣出現在 4條支撐腿處。由圖2c）、圖2d）、圖2e）和圖2f）4張變形云圖可以看出：變形最大的部位為遠離4條支撐腿的外部框架；在X軸方向，框架下部固定浮體材料部位的變形最為嚴重；在Y軸方向，整個框架基本沒有變形，最大變形出現在前進螺旋槳推進器固定處；在Z軸方向，外層框架變形尤為明顯，變形最大處與X軸變形最大處相似，都出現在下部固定浮體框架處。

圖2 框架優化前仿真結果

由于支撐受力點為 4個支撐腿，它們位于框架的中部，導致上下固定浮體的部位產生變形。且上下固定浮體部位受到的應力很小，對整個框架的結構強度影響也很小。考慮水動力性能和續航能力，該部位可以去掉優化。對于應力集中的 4個支撐腿，可以考慮將原來的20×20（mm×mm）方管調整為用在框架主體的30×30（mm×mm）方管。優化后模型如圖3所示。

圖3 優化后水下載具整體結構布置圖

3 框架結構優化及模態分析

3.1 框架結構強度分析

使用相同的方法分析該模擬工況下優化后的框架結構強度，結果如圖 4所示。優化前、后的結果對比如圖5所示。

圖4 框架優化后分析云圖

圖5 框架優化前、后結果對比圖

由圖 5可知：優化后的框架所受最大等效應力為5.145 1 MPa，未優化時框架所受的最大等效應力為10.738 MPa，前者較后者降低了 52%；最大等效應變由未優化前的 5.424 2×10-5降低至優化后的2.922 4×10-5，減小了46%；最大總變形由未優化前的0.082 548 mm降低至優化后的0.028 853 mm，降低了65%。對比X、Y、Z軸各個方向的變形云圖，優化后的結果比優化前的結果都降低近乎一半之多，優化效果非常顯著。

3.2 強度結構分析驗證

根據國家《鋼結構設計規范》和《潛水系統和潛水器入級與建造規范》的規定，鋼結構應力應滿足

由上文可知：σ=5.145 1 MPa，0.6σs=0.6×235 MPa=141 MPa，符合要求。

而根據結構變形的規定“框架結構在荷載作用下的頂點位移與總高度之比要≤1/500”，優化后模型的該項數據為0.028 853 mm/300 mm，滿足規定。

3.3 框架模態分析

為了在避免水下環境中作業時，框架與推進器和海浪涌流產生共振，對優化后的框架進行預應力模態分析，研究框架的振形和固有頻率。模態分析中，低階模態對結構的振動影響較大，低階振型對結構的動態特性起決定性作用[4]，所以只取前六階模態來分析其頻率和振型，固有頻率如表3所示。

表3 前六階固有頻率和最大位移

前六階模態分析結果如圖 6所示，模態變形主要有上下振動變形和前后扭振變形。一階模態變形為框架整體以X軸對稱的向下變形；二階模態振型出現了沿Y軸的扭轉變形；三階模態振型為框架兩端的彎曲振動變形；四階模態振型中出現了Z方向“凹”形的嚴重彎曲，表現為框架中間遠離壁面橫梁的上下振動；五階模態振型也以X軸對稱發生中“凸”變形，比一階中的變形更為明顯，且框架兩端與中部出現上下彎曲振動；六階模態中出現了大面積的嚴重扭轉振動，形成了波浪狀變形。由此可看出：后三階的變形特別嚴重，且該框架的前六階振型中最大位移均較相近，變形主要發生在遠離壁面端的橫梁部位。

圖6 優化后框架前六階模態振型

3.4 結果驗證

查閱文獻[5]得知中國海域及西太平洋海浪的平均周期Tz=5.40 s～10.71 s，海浪頻率計算公式為

計算得到中國海域及西太平洋海域海浪頻率長期觀察平均值為0.093 4 Hz～0.185 2 Hz，框架固有頻率遠大于海浪頻率，所以不會與海浪發生共振。

4 結論

1）優化后，等效應力、等效應變和最大變形都顯著地降低了，說明優化后的載體框架確實在結構強度上有了很大的提高。同時，優化后的框架在體積和重量上都有很大降低。但對整個結構而言，還有一些局部存在很大的優化空間，仍需進行改進。

2）在該模擬工況下的模態分析中，優化后框架的結構應力和變形均滿足國家相關規定，并且其前六階固有頻率都遠高于海浪的平均值，因此該框架結構設計基本滿足水下作業要求。