水下清洗載具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)分析

陳彥臻，胡以懷，袁春旺，李 凱，曾 存

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

0 引言

水下結(jié)構(gòu)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(guī)模大、粘附力強(qiáng)，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(hù)成本[1]。污損是一直困擾海洋結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的嚴(yán)重問題。目前，水下作業(yè)大多由潛水員來完成，但是由于水下環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)強(qiáng)度大，人工平均每天僅能作業(yè) 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(yè)載具很有必要[2]。水下載具需要有可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靈活的移動性能，以保證作業(yè)的順利完成。載具結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)直接決定了其形狀、大小以及水動力特性。框架既要搭載內(nèi)部的二級控制箱、推進(jìn)螺旋槳、作業(yè)工具和相關(guān)的輔助配件，還要抵抗外部海浪涌流的疲勞載荷和目標(biāo)壁面的碰撞作用，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備不被損壞。因此，合適的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)能獲得好的水下航行性能，還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗壓、抗彎和抗扭矩能力，減少應(yīng)力集中。在工作、運(yùn)動過程中，框架的某一階固有頻率與推進(jìn)器或者海浪涌流的頻率相吻合，就會發(fā)生共振，產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。這不僅會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大幅度的形變，引發(fā)振動，還會影響搭載設(shè)備的正常運(yùn)行。為避免上述一系列問題的發(fā)生，對框架進(jìn)行振動特性的研究就尤為重要。

本文根據(jù)現(xiàn)有的一種水下清洗運(yùn)行方法[3]，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案。考慮推進(jìn)器推進(jìn)力、高壓水射流反沖力、中部位置搭載的各種負(fù)載重力和浮體材料浮力的作用，進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，并對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過模態(tài)分析，得出了前六階的振型，避開了共振頻率區(qū)域，也驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可靠性，為后續(xù)開發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文研究的水下清洗載具主要由吸附機(jī)構(gòu)、移動裝置、本體框架、清洗單元、浮體單元、驅(qū)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(jié)構(gòu)為立柱，而方管具有抗壓能力高、抗扭矩能力強(qiáng)、質(zhì)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(zhì)為常用的Q235A，符合GB/T 700—2006標(biāo)準(zhǔn)，其有韌性并且可塑性強(qiáng)，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(shù)如表1所示。

圖1 水下載具整體結(jié)構(gòu)布置圖

表1 Q235A的基本參數(shù)

2 框架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

本文模擬水下載具工作時吸附在壁面上的實(shí)際受力情況，并對模型進(jìn)行簡化，將負(fù)載重力和螺旋槳推力簡化為作用力施加在相應(yīng)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(jù)圖2中a）和b）的計(jì)算結(jié)果可以看出：在該模擬工況下，整個結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中在4個支撐腳，上下固定浮體的長框架上的應(yīng)力幾乎為零。等效應(yīng)變對應(yīng)于等效應(yīng)力，最大值同樣出現(xiàn)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(yuǎn)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(yán)重；在Y軸方向，整個框架基本沒有變形，最大變形出現(xiàn)在前進(jìn)螺旋槳推進(jìn)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(xiàn)在下部固定浮體框架處。

圖2 框架優(yōu)化前仿真結(jié)果

由于支撐受力點(diǎn)為 4個支撐腿，它們位于框架的中部，導(dǎo)致上下固定浮體的部位產(chǎn)生變形。且上下固定浮體部位受到的應(yīng)力很小，對整個框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響也很小。考慮水動力性能和續(xù)航能力，該部位可以去掉優(yōu)化。對于應(yīng)力集中的 4個支撐腿，可以考慮將原來的20×20（mm×mm）方管調(diào)整為用在框架主體的30×30（mm×mm）方管。優(yōu)化后模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后水下載具整體結(jié)構(gòu)布置圖

3 框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模態(tài)分析

3.1 框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

使用相同的方法分析該模擬工況下優(yōu)化后的框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)果如圖 4所示。優(yōu)化前、后的結(jié)果對比如圖5所示。

圖4 框架優(yōu)化后分析云圖

圖5 框架優(yōu)化前、后結(jié)果對比圖

由圖 5可知：優(yōu)化后的框架所受最大等效應(yīng)力為5.145 1 MPa，未優(yōu)化時框架所受的最大等效應(yīng)力為10.738 MPa，前者較后者降低了 52%；最大等效應(yīng)變由未優(yōu)化前的 5.424 2×10-5降低至優(yōu)化后的2.922 4×10-5，減小了46%；最大總變形由未優(yōu)化前的0.082 548 mm降低至優(yōu)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(yōu)化后的結(jié)果比優(yōu)化前的結(jié)果都降低近乎一半之多，優(yōu)化效果非常顯著。

3.2 強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證

根據(jù)國家《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范》的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)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(jù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)定“框架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的頂點(diǎn)位移與總高度之比要≤1/500”，優(yōu)化后模型的該項(xiàng)數(shù)據(jù)為0.028 853 mm/300 mm，滿足規(guī)定。

3.3 框架模態(tài)分析

為了在避免水下環(huán)境中作業(yè)時，框架與推進(jìn)器和海浪涌流產(chǎn)生共振，對優(yōu)化后的框架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，研究框架的振形和固有頻率。模態(tài)分析中，低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的振動影響較大，低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定性作用[4]，所以只取前六階模態(tài)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(tài)分析結(jié)果如圖 6所示，模態(tài)變形主要有上下振動變形和前后扭振變形。一階模態(tài)變形為框架整體以X軸對稱的向下變形；二階模態(tài)振型出現(xiàn)了沿Y軸的扭轉(zhuǎn)變形；三階模態(tài)振型為框架兩端的彎曲振動變形；四階模態(tài)振型中出現(xiàn)了Z方向“凹”形的嚴(yán)重彎曲，表現(xiàn)為框架中間遠(yuǎn)離壁面橫梁的上下振動；五階模態(tài)振型也以X軸對稱發(fā)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(xiàn)上下彎曲振動；六階模態(tài)中出現(xiàn)了大面積的嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)振動，形成了波浪狀變形。由此可看出：后三階的變形特別嚴(yán)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(fā)生在遠(yuǎn)離壁面端的橫梁部位。

圖6 優(yōu)化后框架前六階模態(tài)振型

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

查閱文獻(xiàn)[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(jì)算公式為

計(jì)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(yuǎn)大于海浪頻率，所以不會與海浪發(fā)生共振。

4 結(jié)論

1）優(yōu)化后，等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和最大變形都顯著地降低了，說明優(yōu)化后的載體框架確實(shí)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上有了很大的提高。同時，優(yōu)化后的框架在體積和重量上都有很大降低。但對整個結(jié)構(gòu)而言，還有一些局部存在很大的優(yōu)化空間，仍需進(jìn)行改進(jìn)。

2）在該模擬工況下的模態(tài)分析中，優(yōu)化后框架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均滿足國家相關(guān)規(guī)定，并且其前六階固有頻率都遠(yuǎn)高于海浪的平均值，因此該框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足水下作業(yè)要求。