急流條件下的水下檢測系統運動響應分析

甘 進 董睿文 王 彬 吳振磊

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學水下檢測技術研究中心2) 武漢 430063) (武漢長江航道救助打撈局3) 武漢 430014)

0 引 言

隨著長江水域不斷地發展，長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等亟須檢測，以保證水下結構物的質量和安全．在流速大(流速超過1.5 m/s，可達3 m/s)的長江水域中進行精確且有效的檢測難度極大．趙鋼等[1]通過單波束掃描聲吶對水下結構物掃測后發現，在受到風浪的條件下進行地水下檢測難以反映水下結構物的真實情況．來記桃[2]研究發現在復雜和急流環境條件下進行的水下檢測成果往往不夠直觀．

水下機器人(remote operated vehicle, ROV)是具有代表性的移動式水下檢測裝置，ROV技術成熟可靠，工作時間更長，已廣泛應用于海上作業[3-5]．ROV抗流性能弱，大多用于流速小的海域檢測．長江水域流速大，水下檢測系統要滿足在急流條件下進行水下檢測需要有較強的抗流性能，一般通過增強ROV動力裝置或者增大ROV重量提高ROV的抗流能力，但增強動力裝置的要求很高且價格昂貴，增大水下機器人重量又會使水下檢測系統體積增大，受到更大的來流阻力．

長江水域中水質的渾濁會極大地影響到光學設備(如攝像機)的拍攝．聲吶設備受到水質的影響較小，用ROV搭載聲吶設備完成對水下結構物地水下檢測是目前主流的使用方式，該方法檢測的區域廣、操作靈活、功能多，能夠深入到水下復雜條件的海洋湖泊中進行檢測．在聲吶探測方面，圖像聲吶主要有：單波束掃描聲吶、多波束前視聲吶、三維成像聲吶、側掃聲吶等[6]．同時，聲吶設備具有一定的重量，ROV搭載聲吶設備會使得ROV的重量增加，會導致水下檢測系統運動響應的增加．

基于此，文中開發一套急流條件下的水下檢測系統，通過探究流速、張力纜剛度系數、來流角度對水下檢測系統的影響，解決急流條件下水下結構物水下檢測的難題，以保證水下結構物的質量和安全．

1 水下檢測系統方案與使用方法

1.1 水下檢測系統方案

急流條件下的水下檢測系統主要包括ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統以及聲吶設備四個部分，選取便攜折疊式3 t吊機用以下放水下檢測系統．整體設計方案見圖1．

圖1 整體方案設計圖

在選取BlueView BV5000水下三維全景成像聲吶設備的基礎上，以“江豚”IV-C作為ROV部分的研究對象．ROV驅動主要有以下三種驅動方式[7]：①采用電機驅動滑輪沿張力纜滾動的方式實現ROV的升降；②通過改變ROV體積來改變其在水中所受浮力，從而實現ROV的升降；③采用螺旋槳驅動的方式實現ROV的升降．受到ROV驅動方式的啟發，決定主要利用①③相配合對ROV進行驅動．為使水下檢測系統在工作時保持穩定，該水下檢測系統中應設計相應的錨纜系統避免ROV在急流下發生較大幅度地漂移以保證聲吶設備的正常檢測．在近海中多采用拉緊型、全錨鏈式系留方式、松弛式彈性系留方式．該水下檢測系統用于急流條件下的長江水域，故設計了張緊型錨纜系統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到約20 kN．

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

表1 張力纜參數

抱纜裝置整體結構是以齒輪傳動為主體的聯動機構，依靠抱纜裝置提供的摩擦力實現ROV與張力纜的相對固定，其具體結構見圖2．主動齒輪、直流無刷電機、滾珠絲桿螺母副、從動齒輪、拉力傳動桿共同構成了齒輪的聯動機構，將電機所傳遞的扭矩轉換成拉力，利用拉力傳動桿將拉力傳遞到張力纜抱緊環之上，從而實現將拉力轉換為壓力傳遞給張力纜座，實現張力纜座與張力纜之間的摩擦固定．

圖2 抱纜裝置整體結構細節圖

1.2 使用方法

步驟1對作業環境進行評估(包括流速、風速等)，并完成對水下檢測系統各部分的常規檢測，保證水下檢測系統各部分的正常運行．

步驟2完成ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統以及聲吶設備的獨立安裝并運送至工程船上．

步驟3下放張緊型錨纜系統，控制吊機將錨體沉放到水底進行錨泊定位，使張力纜處于張緊狀態成為ROV下運動的軌道，將ROV降到指定位置；

步驟4對ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統以及聲吶設備進行連接安裝，將聲吶設備安裝在ROV上，張緊型錨纜系統的張力纜與ROV通過抱纜裝置相連接．待水下檢測系統安裝完畢后，啟動吊機，通過吊機將水下檢測系統移動到水下結構物處，利用ROV搭載的聲吶設備對水下結構物進行快速且有順序地掃描，實現整體外形測繪；

步驟5通過控制ROV與吊機的運動，將水下檢測系統移動到水下結構物的重點區域，實現對重點區域的檢測，獲得相應的聲吶成像圖像；

步驟6完畢之后進行水下檢測系統的拆除，包括回收ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統以及聲吶設備，進行張緊型錨纜系統的張力纜與ROV連接處抱纜裝置的拆除以及聲吶設備的拆除等．

2 水下檢測系統數值分析模型

在AQWA中設置水深為60 m，水下檢測系統布置在深度30 m處，張力纜設置為60 m．張力纜布置在機器人的首部，通過ROV抱纜裝置上的滾輪以及抱緊環的卡鎖進行升降和固定．水下檢測系統實際模型結構形式較為復雜，在AQWA的計算分析模型中對水下檢測系統進行適當的簡化，原則上在保證計算收斂的基礎上，最大程度上還原真實模型，水下檢測系統數值計算模型見圖3a)．

水下檢測系統水動力模型整體坐標系定義：①X方向為浮體的長度(縱向)方向；②Y方向為浮體的寬度(橫向)方向；③Z方向為浮體的高度(垂向)方向；④風、浪、流入射方向與X軸正方向之間的夾角定義為入射角，逆時針方向為正．0°表示X軸正方向與波浪傳播方向一致，其坐標選取見圖3b)．數據記錄時，0°表示水下檢測系統遭遇迎浪迎流，90°表示水下檢測系統遭遇橫浪橫流，與計算角度相差180°．

圖3 水下檢測系統數值計算模型圖和坐標示意圖

AQWA基于三維勢流理論計算波浪場中的浮體受到的波浪荷載，視流體為理想流體，無旋、不可壓縮，不考慮流體粘性．AQWA 的分析模塊主要包括：AQWA-Line輻射衍射計算、AQWA-Fre不規則波頻域計算、AQWA-Librium系泊纜索的初始靜動穩定計算、AQWA-Drift慢漂流的隨機波浪時域計算、AQWA-Naut規則波和不規則波的非線性時域計算．基于AQWA并針對急流條件下的水下檢測系統在波浪和流的聯合載荷作用下的張力纜張力和運動響應等問題[8]，應用AQWA-Line進行輻射衍射分析，通過AQWA-Naut求解在特定載荷作用下，水下檢測系統的張力纜張力和運動響應的時間歷程，對水下檢測系統的張力纜張力和運動響應進行分析．

AQWA中可通過建立與求解分布源積分方程和運動微分方程，得到流場的總速度勢、附加質量和附加阻尼．由于急流條件下的水下檢測系統在實際工作過程中完全浸沒于水中，因此不受到風荷載的作用，計算過程中只需考慮波浪和流對結構的影響．模型計算過程中僅考慮ROV以及張緊型錨纜系統的運動響應等問題，將流荷載考慮為定常載荷，AQWA中對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，AQWA根據系數與給定的流速度和方向來計算流載荷．

3 水下檢測系統水動力特性分析

3.1 運動響應頻域分析

在AQWA計算分析過程中，需要設置模型的重心位置和轉動慣量等參數，水下檢測系統中ROV的重心及轉動慣量等相關參數見表2，其結構的轉動慣量是通過ANSYS的static structure分析模塊求得．

表2 水下檢測系統數值計算模型參數

通過頻域計算分析，該水下檢測系統的附加質量幾乎沒有發生改變，橫搖附加質量約為29.61 kg，縱搖附加質量約為41.08 kg，橫搖阻尼與縱搖阻尼很小幾乎為零．該水下檢測系統在迎浪0°與逆浪180°，斜浪45°與斜浪135°浪向角下，橫搖幅值響應算子與縱搖幅值響應算子的值十分接近．圖4為橫搖和縱搖幅值響應算子，橫搖幅值響應算子RAO在波浪角度為橫浪90°且頻率為0.1 Hz時，數值最大可到達0.85．縱搖幅值響應算子RAO在波浪角度為迎浪0°且頻率為0.1 Hz時，數值最大可到達0.74．由頻域掃頻結果可知，水下檢測系統最危險波浪頻率為0.1 Hz(0.16 rad/s)，因此時域計算時取波浪頻率為0.1 Hz(0.16 rad/s)，計算最危險波浪頻率下水下檢測系統的運動響應．水下檢測系統檢測時所受環境載荷參數見表3．

圖4 橫搖、縱搖幅值響應算子

表3 環境載荷參數

3.2 運動響應時域分析

3.2.1流速的影響分析

結合水下檢測系統在急流條件下的檢測環境，分析在張力纜剛度系數為160 kN/m，迎流0°時，不同流速下的張力纜張力以及水下檢測系統運動響應，其計算結果見表4．

表4 不同流速下的張力纜張力以及水下檢測系統運動響應

由表4可知：隨著流速的遞減，水下檢測系統在X(縱向)位移減小，其他運動響應參數也在不斷地減小．計算發現，RY(縱搖)角度較大，這是由于迎流0°時，在流荷載的沖擊下水下檢測系統點頭效應(縱搖)比較明顯．在3 m/s流速下，RY(縱搖)角度為7.07°，此時水下檢測系統可利用自身的浮力與ROV自身的螺旋槳推力使水下檢測系統在急流條件下保持較好的穩定性，保證聲吶設備在水下進行檢測．

3.2.2張力纜剛度系數的影響分析

為保證水下檢測系統在張力纜約束作用下水下檢測的穩定性，分析討論張力纜剛度系數對水下檢測系統在檢測過程中的運動響應的影響．對于抱纜裝置而言，抱緊環最大直徑為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約為120 kN/m，見表5．計算在3 m/s流速，迎流0°時，不同張力纜剛度系數對張力纜張力以及水下檢測系統運動響應的影響．

表5 不同張力纜剛度系數對張力纜張力以及水下檢測系統運動響應的影響

由表5可知：隨著張力纜剛度系數的變化，水下檢測系統位移與轉角變化呈現出相同的趨勢．降低張力纜剛度系數會使得張力纜對水下檢測系統的約束作用降低從而導致水下檢測系統運動幅值的增加．為保證水下檢測系統檢測時的穩定性以及檢測結果的可靠性，需限制搭載聲吶設備的ROV的位移和轉角，在檢測過程中最好采用張力纜剛度系數較大的張力纜，更有利于聲吶設備的穩定探測．在3 m/s流速下，采用剛度系數為160 kN/m的張力纜，可保證聲吶設備的正常檢測．

3.2.3來流角度的影響分析

為保證水下檢測系統能在多角度來流的沖擊下穩定地進行水下檢測，將主要探討在3 m/s流速，張力纜剛度系數為160 kN/m時，不同來流角度對張力纜張力以及水下檢測系統運動響應的影響，見表6．

表6 不同來流角度對張力纜張力以及水下檢測系統運動響應的影響

由表6可知：在來流角度增大時，Y(橫向)受流荷載沖擊越來越大從而導致RX(橫搖)角度和Y(橫向)位移有明顯增長的趨勢，X(縱向)位移有明顯減小的趨勢，其他運動響應參數略微減小．來流角度對水下檢測系統的運動響應影響較大，需要多考慮來流角度的影響，水下檢測系統應該以較好的姿態來減少大角度來流所帶來的影響．來流角度較小時RX(橫搖)角度較小且Y(橫向)位移的偏移較小，檢測時來流角度小于20°，可保持水下檢測系統的穩定性保證聲吶設備的檢測．

4 結 論

1) 根據急流條件下水下檢測系統水下檢測的實際情況，確定了多種檢測工況，計算了在不同流速、張力纜剛度系數、來流角度的運動響應水平．根據計算結果可知，在來流角度小于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到達160 kN/m的鋼絲繩18×19+IWS(鋼芯)的張緊型錨纜系統，可滿足聲吶設備正常檢測和水下檢測系統的設計要求，使得水下檢測系統能夠良好地進行檢測工作．在實際工程中，應根據實際情況調整好水下檢測系統在水下檢測時的姿態并采用錨體重量較大與張力纜剛度系數較大的張力纜以增強穩定性，可保證聲吶設備正常檢測．

2) 文中所采用的基于水動力分析軟件AQWA分析水下檢測系統運動響應的數值分析方法，能用于評估水下檢測系統的合理性和安全性；計算多種檢測工況下的水下檢測系統運動響應等，為急流條件下的水下檢測系統提供技術保障；在方案設計上，提出了張緊型錨纜系統約束ROV，使得水下檢測系統在急流條件下的檢測具有更好的穩定性，為急流條件下的水下檢測系統進一步優化設計提供了可能性．