新型船用超短基線換能器升降裝置設計

鄭 俊，沈華棟，廖冬杰

（上海海迅機電工程有限公司，上海 201111）

0 引言

隨著21世紀對海洋資源的探索和開發，越來越多的海洋珍貴資源在大洋深處被發現，例如海底油氣資源[1]，海底珍貴金屬礦產資源等寶貴資源的發現。我國的國策也明確了爭取海洋主動性是我國的強國戰略[2]。在開發這些資源的過程中，對海底資源的探測和定位尤為重要，目前國內外廣泛采用超短基線水下定位系統（Ultra-short Baseline，USBL）來進行水下探測，在實際使用中，需要將USBL的換能器部分伸出船底到水下一定的深度。由于海流的強度和方向經常變化且波動幅度較大，對水下部分的結構可靠性有很高的要求。此外換能器的伸出量受到艙內層高限制也是目前存在的問題。

本文以上海海迅機電工程有限公司為某用戶設計的超短基線換能器升降裝置為對象，通過對超短基線換能器升降裝置進行分析和試驗，驗證了設計方案的可靠性、合理性及其應用形式上的靈活性，為相關產品的設計和應用提供參考和借鑒。

1 升降裝置基本結構及工作原理

1.1 功能需求調研

在研發前期經過實船的調研分析，將超短基線換能器升降裝置需要的功能性能、指標參數進行匯總。主要指標如下：

1）換能器直徑Dh≤300 mm，高L≤700 mm，質量G≤70 kg，安裝位置為升降裝置的最底端。定位深度為超出船底Lh≥1 500 mm。

2）要求在相當于靜水10 kn航速下使用。3）重復定位精度Rt≤0.1°。

1.2 基本結構

升降裝置的主結構為支撐裝置，包含支架、導軌、滑塊和軸承等。支架的上端安裝外桿升降電機，外桿電機連接螺旋升降機，升降機由絲杠和減速箱組成，減速箱側面配有編碼器和手輪軸，可以手動應急升降。絲杠布置在支架內部，在支架內部布置2根導桿，用于導向外升降桿。支架上段安裝外升降桿，外升降桿通過連接架和絲杠螺母和導向桿連接。支架下端依次安裝導向筒、水密箱和閘閥。導向筒用于導向外升降桿和動密封的效果。水密箱在導向筒下部，水密箱有水密門可開閉，換能器收回時位置正好在水密箱內，當排出箱內海水時，則可打開箱門，對換能器進行操作。閘閥在水密箱下部，閘閥和船上安裝基座連接。支架側面安裝換能器的電纜導向拖鏈。因為換能器在升降時的電纜也跟隨升降，所以設置導向拖鏈可以使電纜隨動且和升降裝置自身不發生磨損刮擦。另外整套系統配備電控箱1個，安裝在艙室內，用于控制升降等功能。升降裝置基本結構見圖1。

圖1 升降裝置基本結構圖

1.3 工作原理

本設備在船上的安裝座高度離船底有一段距離，按USBL 使用要求計算了實際伸出量約2 700 mm。此外需要在艙內維護和更換換能器，因此在底部設置閘閥和水密箱。閘閥用于隔絕海水和艙。維修水箱箱用于隔絕海水后更換維護換能器操作。采用螺旋絲杠升降機來精確升降，采用船用三相異步電機作為動力，以此來保證定位精度和船用環境適應性。計算整體設備高度后，采用雙節套筒伸縮結構方可滿足外形尺寸和伸出量要求。工作原理見圖2。

圖2 工作原理圖

2 主要部件受力分析

2.1 最大外力計算

升降裝置的最大受力工況為升降桿伸出船底達到最大伸出量，且相對水流為最高工作航速。整個設備的升降桿為最大受力部件。因此對桿進行受力分析。按要求伸出Lh≥1500 mm，靜水下航速10 kn（5.144 m/s）。此為計算的外部輸入條件。對桿的水中阻力[3]F1進行計算。

式中：CD為阻力系數，需通過計算雷諾數來判斷流體流動狀態來選擇阻力系數；AP為迎流面積，0.262 5 m2；ρ為液體密度，取海水密度ρ=1 030 kg/m3；V為相對速度，取10 kn，相當于5.144 m/s。

對物體擾流的雷諾數Re進行計算，將各值代入式（2）得Re=6.86×105。

式中：V為流體運動黏度，取海水黏度1.2×10-6m2/s；U為相對來流速度，取10 kn為5.144 m/s；L為特征長度，取圓柱直徑0.16 m。

按照圖3曲線選擇雷諾數大于2×105，因此取CD值偏大值來計算，取CD=1。

圖3 阻力系數與雷諾數圖

將各值代入式1進行計算得，F1=5.246 kN，取載荷系數S=2，代入式（3）則水中阻力F=10.492 kN。

2.2 升降桿的強度理論校核

升降裝置要求伸出船底距離大于1 500 mm，按實際船體結構設計后在船體內部固定部分長度700 mm，換能器高度750 mm，因此升降桿伸出船外長度L=750 mm，要求伸出到位后換能器的定位精度0.1度內。則桿末端偏離中心距離：k=2.53 mm，即升降桿的總變形量不大于2.53 mm。

按照最大受力載荷工況，將受力模型簡化見圖4。C端為入水最深處。A和B為船內固定部分。BC段的升降桿受到水中阻力為F=10.492 kN的均布載荷作用，詳細的受力計算的過程見[4-8]。

圖4 升降桿受力圖

對桿的最大撓度fc、最大應力σmax進行計算，將各值代入式（4）～式（9）[4]得fc=0.34 mm，σmax=18.24 MPa。

式中：MB為最大彎矩；lm為BC段長度0.75m；q為均布載荷；F為水中阻力10.492 kN；fc為C點的最大撓度；λ為BC段和AB段的長度比；lL為AB段長度0.7 m；E為彈性模型，桿件材料采用316不銹鋼。E為210 GPa；I為截面慣性矩；σmax為最大應力；D為桿的外徑，160 mm；d為桿的內徑，132 mm；W為抗彎截面系數，材料的屈服強度查機械手冊[4]得：σ0.2=205 MPa。

依據計算數值對強度和剛度進行校核：安全系數S=σ0.2/σmax=11.2，滿足要求；撓度fc∶0.34＜k∶2.53，滿足要求。

由計算可得桿件的剛度和強度均滿足要求。

3 有限元分析驗證

在初步選型和設計升降桿尺寸后，再運用有限元軟件對受力強度進行分析，采用通用有限元分析軟件Ansys Workbench。

3.1 模型前處理

首先將模型簡化，將非關鍵位置的小孔和槽等細節均去除，用直角代替圓角和倒角，因為如果保留實物模型的諸多細微集合特征，會導致分析結果的應力集中，甚至出現應力奇異狀態。建模軟件采用Solidworks2018，再導入Ansys，見圖5。

圖5 升降桿效果圖

3.2 網格劃分

為提供仿真精度，將網格尺寸定義為10 mm，（默認為78 mm），選用Solid187單元四面體，該單元為三維高階10節點固體單元，可以較好的模擬圓柱體模型。劃分后共92 887個單元，155 781個節點。效果見圖6。

圖6 網格化圖

劃分后對網格質量進行檢查，并和相關規范[5]的要求進行對比，經檢查網格質量合格，對比結果見表1。

表1 網格質量檢查表

3.3 邊界條件設定

首先設置材料。選擇材料庫內的316 Stainless Steel（316不銹鋼），材料特性見表2。

表2 材料特性表

在桿件BC段添加前文計算所得的海水阻力載荷，大小為F值（10 492 N），均布在BC面上。方向為升降桿徑向，即垂直軸線方向。再添加2個約束，1個是頂部的固定約束，如圖7(b)的約束B，選擇固定約束（Fixed Support），選取頂端為約束面，然后添加桿件中部700 mm處的圓柱面為約束，桿由滑動軸承導向，可等效為圓柱約束（Cylindrical Support），約束徑向和軸向固定，允許切向自由，如圖7(b)的約束A。邊界條件見圖7。

圖7 邊界條件設定圖

3.4 求解和結果顯示

進行求解并顯示總變形和等效應力（von-Mises）分布。見圖8。

圖8 應力和變形云圖

然后對仿真結果進行分析來確認仿真是否準確，首先對變形進行校核，由圖得最大變形為0.19 mm，最大變形位置出現在桿件末端。將X、Y、Z3個方向的變形進行分解，X為軸向，Y為徑向，Z和XY互成90°，見圖9。X方向最大變形0.024，Y向最大變形0.188，Z向最大變形0.001 5。變形方向符合受力方向，其結果應是正確的。

圖9 各方向變形云圖

然后對等效應力進行確認。將X、Y、Z3個方向的主應力進行分解，見圖10。最大各向主應力為：X方向等效應力為30.45 MPa/-28.14 MPa，Y方向等效應力為7.64 MPa/-8.52 MPa，Z方向等效應力為10.08 MPa/-9.31 MPa。

圖10 各方向應力云圖

其中數值為正值的是處于拉方向的應力，數值為負值的處于壓方向的應力，最大應力出現在X向上的拉應力30.45 MPa以及壓應力28.14 MPa。由于BC整段受Y向水流阻力，所以會在支點B處的X方向存在較大拉應力，和背面X方向出現最大壓應力。可見仿真結果和理論推測結果一致，因此仿真結果較為可信。

綜上所示：最大等效應力30.45 MPa，小于材料的屈服強度205 MPa，強度的安全系數為6.7。最大變形0.188 mm，小于撓度允許值2.53 mm，剛度也符合要求，因此結構設計的強度和剛度均符合要求。

4 試驗驗證

制作樣機并進行試驗來驗證設計的可行性和準確性，準備了試驗臺架和配套的試驗設備，對受海水阻力彎曲的性能進行了試驗測試。

采用拉力來模擬海水阻力的方法。在升降桿的端部連接吊帶，然后在吊帶上再連接手拉葫蘆，在手拉葫蘆后端連接能顯示拉力數值的電子吊秤。然后吊秤的另一端連接在固定設施上。通過手拉葫蘆來調節拉力的大小，通過吊秤來顯示數值。樣機和試驗過程見圖11。

圖11 抗海水阻力試驗現場照片

經過多次試驗，升降速度基本穩定在20 mm/s～22 mm/s。驗證了整套設備設計的可靠性和組裝裝配的完好性。定位偏差在0.01°內，精度極高。水密保壓0.2 MPa，持續了24 h，壓力表數值無下降，試驗過程中無出現滲漏，說明密性良好。抗海水阻力試驗時施加了1 076 kg（10 544 N），桿件最大位移約1 mm，該數值符合理論計算和Ansys仿真的結果（見圖12），并在撤銷載荷后能正常伸縮。以上各項試驗說明設計滿足要求。目前該升降裝置已安裝在多條船上使用，使用狀況良好，操作維護簡易，得到客戶的好評。

圖12 升降裝置裝船圖

5 結論

經過前期方案設計、理論計算、仿真模擬和后期樣機的試驗驗證，各項功能性能指標均滿足船用要求，可伸出1.5 m并在10 kn航速下保持定位精度0.1度以內。本裝置與其他同類型裝置的區別在于升降范圍較大，定位精度高，占用空間小。因此對于艙高有限、伸出較大的裝船USBL設備，采用2節式的升降裝置是一個很好的選擇，并可為同領域的類似裝備應用提供參考借鑒。