拖船操纵运动中水下拖缆的数值模拟分析

采用凝集质量法建立海洋＂缆—体＂系统数学模型,对拖船从稳定直航到回转操纵过程中的拖缆构型、拖体深度变化以及拖缆张力变化等进行模拟仿真研究。通过2个算例,验证程序的正确性,并分析拖船操纵中影响拖体阵列的参数。     

水下拖体在回转操纵中的运动仿真模拟

水下拖曳系统为各种内河航道工程,近海港口工程前期的勘探活动提供了一种有效途径,当要求对某个目标进行详细探测时,需要拖船进行回转机动操纵,因此拖体运动轨迹准确位置的预报关系到能否完成对目标的探测。文章采用凝集质量法建立水下缆-体系统模型,编制计算机程序,程序模拟了不同回转半径、不同拖速回转操纵下的拖船与拖体运动轨迹,分析了回转操纵中影响拖体稳态及拖体深度的参数。同时,计算机程序仿真模拟了一个"8"字形拖曳操纵,仿真算例与相关文献进行比较,结果表明此计算机程序具有一定工程实用价值。     

拖船回转操纵中的缆-体系统动力响应计算

采用凝集参数法建立缆体系统的数学模型，编制了计算缆体系统运动响应的通用程序，利用该程序计算了拖船回转时的拖体阵位，阐述了拖船回转操纵中缆-体系统的一般运动规律．并对影响拖体阵位的几个参数进行了讨论。     

拖船回转操纵中的缆-体系统动力响应计算

采用凝集参数法建立缆-体系统的数学模型,编制了计算缆-体系统运动响应的通用程序,利用该程序计算了拖船回转时的拖体阵位,阐述了拖船回转操纵中缆-体系统的一般运动规律,并对影响拖体阵位的几个参数进行了讨论.     

拖曳声呐对舰运动性能的影响研究

拖曳声纳工作进,拖体的拖后距离、工作深度与载舰的航速及拖缆的长度有关。笔者通过对拖体、拖缆的水动力计算,得出了舰作变减速运动时浸润缆长的安全值,并与实船测量数据进行比较,检验了这些安全值的安全性;通过实船测量研究了载船回转时拖体的运动状态,研究结果对舰的操纵具有指导意义。     

近水面拖曳浮标测试系统运动特性研究

通信浮标能提高潜艇通信性能,因此提出一种二级拖曳通信浮标,并设计一种近水面拖曳浮标测试平台。该平台由拖船与升沉补偿装置、拖体与拖缆等组成,可以模拟潜艇运动,用以测试拖曳浮标。为研究测试平台的动力学特性,首先建立测试平台和被测对象的动力学模型及其仿真模型,模型涵盖非线性波浪力计算、柔性脐带缆建模、深度模糊控制、升沉补偿装置以及多体刚柔耦合等,随后基于试验得到的被测对象水动力学参数,对测试平台在不同拖曳速度和拖缆长度下的拖曳试验进行仿真研究。仿真结果表明：拖曳速度增大后,一级拖体稳定深度可减小30%,深度波动幅度无明显变化,而被测对象的稳定深度增加20%以上,深度波动幅度可减小80%以上;一级拖缆的长度增加对一级拖体和被测对象的深度影响可忽略不计;二级拖缆长度的增加会导致一级拖体的深度小幅度增加,但不会影响被测对象的稳定深度及其波动幅度。研究结果可为潜艇拖曳系统测试平台的设计与试验提供理论参考。     

拖船回转机动状态下的拖缆暂态分析

拖船直拖到稳态定长回转过程中的拖缆暂态已有研究。对于大半径的拖船回转,Chapman大半径定长回转解法[1],假定拖体轨迹与拖体深度是单调指数关系。对于小半径的拖船回转,拖体的轨迹开始随着拖体深度的波动是一种螺旋线形状,最终趋于Chapman稳态回转值。本文通过定义了一个拖体深度与深度是单调与波动关系,提出了另一种确定Chapman理论大半径与小半径过渡值的方法。在考虑流的影响下的稳态定长回转时,没有求解稳态回转的方法。然而,拖体振幅是拖船回转半径和拖船速度的函数。依据稳态船体回转机动暂态分析来讨论单独360?和单独180?U型回转的动态特性,并得出一些有用的结论。对于某些回转半径而言,拖体所达到的深度比稳态回转所达到的深度大得多。对于180?回转半径小于拖缆长度的回转,拖体深度达不到稳态回转的深度。     

二级深拖系统的回转运动特性

为了研究母船回转过程中拖体运动规律和拖缆构形的变化情况,采用凝集质量法建立二级深拖系统数学模型,计算分析母船不同回转参数下拖体运动状态的变化规律,得到拖缆的瞬态和稳态构形图。仿真结果表明,在360°稳态回转和360°单圈回转条件下,母船回转半径和拖曳速度均对一级拖体和二级拖体的深度变化及稳态特性有显著影响。母船小半径、大速度回转时,两级拖体的回转半径和深度变化较大,应予以特别关注。     

二级深拖系统的回转运动特性

相对于一级深拖系统,二级深拖系统具有良好升沉补偿功能,并且较易对拖体进行定深或定高控制。在实际工作中,母船经常需要根据探测情进行回转机动。为了研究母船回转过程中拖体运动规律和拖缆构形的变化情况,采用凝集质量法建立了二级深拖系统的数学模型,计算分析了母船不同回转参数下拖体运动状态的变化规律,得到了拖缆的瞬态和稳态构形图。仿真结果表明,在360°稳态回转和360°单圈回转条件下,母船回转半径、拖曳速度均对一级拖体和二级拖体的深度变化以及稳态特性有显著影响。母船小半径大速度回转时,两级拖体的回转半径和深度变化较大,应予以特别关注。     

水下拖体和拖缆运动模型研究探讨

水下拖体运动研究是水下拖曳系统研制的重要内容。文章结合工程实际,基于Newton-Euler方法建立了水下拖体的运动模型,基于有限差分法建立了拖缆的运动模型,在此基础上结合拖缆运动的边界条件建立了系统的运动模型,并给出了相应的仿真算例。从仿真结果可以看出,通过该运动模型,可以很好地研究水下拖体受拖船干扰下的运动情况。该模型的建立对水下拖曳系统的研制来说有重大的参考价值。     

海洋拖曳系统的船/缆/体耦合模型研究

为进一步提高海洋拖曳系统在不同情况下运动响应的预测精度,将拖曳母船、拖缆和拖曳体三者视为一个相互作用的整体,利用其耦合边界条件,将拖缆顶端和底端的张力及其产生的力矩,分别与船舶操纵性运动方程(MMG模型)和拖体六自由度运动方程相结合,利用拖缆的有限差分方程,建立了船/缆/体三者耦合模型,进而采用数值计算方法,对比分析了该模型与常规算法。结果表明,该模型考虑船/缆/体三者的耦合影响,可更加准确全面地反映拖曳母船的速度、旋回半径、横摇角等操纵性特征以及拖曳体的深度、姿态等信息所受到的影响,从而为准确预报海洋拖曳系统的运动响应提供更为直观、科学的理论依据。     

拖体深度影响因素分析

水下拖曳系统在海洋环境与海洋资源调查以及国防建设中有着特殊的用途,在实际工作时,由于不同的需求需调整拖体的定深。调整拖曳深度的方法主要有调整航速、调整动端力和收放拖缆3种方式。本文在建立缆索系统数学模型的基础上,在不同航速下对调整动端力、收放拖缆2种方法进行仿真计算,分析不同情况下拖体定深调整的方法。结论认为在低航速下收放拖缆方法对拖体深度影响较为明显,高航速下调整动端力对拖体深度调整能力较强。     

不同模式下拖缆对水下拖体运动姿态的影响研究

水下拖曳体依据其工作模式的不同,可以分为两种:一种是自身没有驱动力,由拖船或是潜艇带动进行拖曳;另一种是拖曳体自身具有驱动力使其自由航行,可看作AUV。在水下拖曳体工作的过程中,与其相连的拖缆在拖体不同的工作模式下会有不同的响应,而拖缆的这种响应又会对与其相连的拖体造成影响。为研究拖缆对水下拖体的影响,结合某拖曳系统的具体参数,运用大型动态仿真软件OrcaFlex建立了潜艇水下360°回转过程中拖曳系统的动力学仿真模型和拖体自航模式下的动力学仿真模型。通过改变水动力系数、拖速、拖缆参数及回转半径等,探究了不同参数对水下拖体的影响,得到了一些比较有价值的结论,可对具体工程有一定的指导作用。     

海洋高速拖曳系统的流体动力分析

本文的主要目的是建立海洋拖曳系统的一般性模型,并与实船拖曳系统的测量结果进行比较,以验证其精确性。与其它的计算机缆模型不同的是,本模型即包含了拖体,也包含了拖线、模型完全是一般性质的,可以用直角坐标（向前拖动）或柱坐标（定常回转）系统来预报拖曳系统三维定常状态的性能行为。利用实船拖曳系统的仪器测试数据对模型进行了校正。校正研究的结果表明,本模型可以在工程精度范围内预报拖曳系统的性能（拖体方位和力、拖线的空间构形和张力分布等）。     

高强度救助缆迪尼玛缆绳的使用与分析

海上救助中,快速有效的带缆拖航可以提高救助效率.为此,借鉴国外先进的带缆拖航的救助经验,专用救助拖船配备了高强度救助拖缆及其引缆--迪尼玛缆绳.以实例对迪尼玛缆绳的使用、维护与保养情况以及在救助中的作用进行了分析介绍.     

拖曳系统运动传递计算

由母船、拖缆和拖体构成的拖曳系统,在拖航作业中,母船受风浪扰动发生升沉和纵摇运动,水面扰动沿缆传递至拖体,影响探测设备性能。文中研究的合理简化的母船波浪运动预报模型、结合已有的拖缆动力学计算模型耦合拖体空间运动模型,构造衔接条件和转换关系式,建立较为完整的水下拖曳系统运动传递模型。编制相应计算程序,计算了二段式拖曳方式对扰动的传递,归纳其扰动传递特性。表明该模型可应用于拖曳运动稳定的设计分析。     

基于半数值方法的脐带缆拉弯能力曲线分析研究

水下生产系统脐带缆连接于水上主控站与海底管汇控制执行器之间,在安装和在位运行时脐带缆的受力情况复杂,其中工作内压下拉伸与弯曲组合形式的荷载是脐带缆承受的最显著工况之一,因此分析缆体截面拉-弯性能曲线有着重要的工程指导意义。文章首先采用理论公式对脐带缆内部关键构件钢管进行拉伸和弯曲荷载下受力分析并得到应力应变响应;同时构建脐带缆二维精细数值模型,考虑构件之间的相互作用与摩擦,分析径向外压与工作内压共同作用下缆体截面应力分布情况。通过提取钢管上热点应力并与理论结果相结合得到相应的拉—弯能力曲线。其结果同传统理论方法比较更加保守可信,可确保脐带缆在安装和在位工作时的安全运行。同时,为海洋工程管缆结构抗荷载能力设计提供一条可行途径。     

静态脐带缆安装工况参数分析

结合工程实例对静态脐带缆安装工况下的基本力学问题进行了归纳分析,依据海洋管线设计规范计算了脐带缆简化模型关键力学参数,对脐带缆安装工况下的水动力性能进行了分析。通过等效刚度替代原则建立了钢管脐带缆有限元简化模型,重点对比分析了摩擦力对脐带缆应力分布的影响,当缆体承受较大弯曲载荷时可忽略摩擦对脐带缆应力计算的影响。不同拉弯组合载荷作用下脐带缆最大应力均出现在0.025 4 m钢管受拉面,依据计算结果提出了钢管脐带缆的简化设计意见。     

海流条件下中性缆缆形及张力的理论研究

文章考虑缆绳经受的法向与切向流体阻力,在自然坐标系下推导了任意海流中缆绳的动力学方程。建立了中性缆在均匀、线性及组合海流作用下缆形与张力的参数表达式。参数表达式给出了对应海流作用下缆形及张力的物理规律,从而为参数迭代求解时迅速收敛指明了数学途径。自行编制程序,算例的定量结果进一步验证了其物理规律,也表明在长缆绳下,忽略切向阻力在工程上是不合适的。     

脐带缆对水下航行器动态响应的影响评估研究

为准确预测水下带缆航行器的运动状态,需先对连接于航行器尾部的缆索的运动形态进行预测并建立模型,以评估其对航行器运动的影响。本文提出一种数值方法,用于评估脐带缆索对水下航行器运动的影响,与实际结果进行对比分析后可知,该数值方法误差小,可以作为反馈控制器用以补偿脐带缆索对航行器运动的影响。这对于自动驾驶仪进行系泊作业具有重要的意义。本文重点研究水下航行器直航时张力的变化情况,结果表明拖点处缆索张力随着拖曳时间增长而增大,且近似于线性增加。由这一结果可以得出,在航行器直航时,缆索拖点处最大张力会限制航行器的直航距离或下沉深度。这一结论可用于指导直航时航行器作业距离。