母船垂蕩導(dǎo)致ROV臍帶纜參量共振的研究.pdf

《母船垂蕩導(dǎo)致ROV臍帶纜參量共振的研究.pdf》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、第30卷第3期2011年9月海洋技術(shù)OCEANTECHNOLOGYV01．30，No．3Sep，2011母船垂蕩導(dǎo)致ROV臍帶纜參量共振的研究盧其進(jìn)，楊和振(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑丁二程學(xué)院，海洋丁程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)摘要：研究有纜遙控潛水器(RemoteOperatedVehicles)的臍帶纜受到軸向激勵(lì)所產(chǎn)生的大幅橫向振動(dòng)，即參量共振。KOV臍帶纜的參激現(xiàn)象發(fā)生會(huì)影響KOV的安全性。針對(duì)RoV臍帶纜的結(jié)構(gòu)特性。推導(dǎo)出其在軸向激勵(lì)力下的非線性振動(dòng)方程。運(yùn)用希爾無(wú)窮行列式的方法分析臍帶纜的參量不穩(wěn)定性。以穩(wěn)定性圖為基準(zhǔn)分析臍帶纜在多種典型工況下的動(dòng)

2、力響應(yīng)，著重討論了系統(tǒng)阻尼對(duì)于臍帶纜穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：阻尼的增大可以減小臍帶纜可能發(fā)生參量共振的范圍，即阻尼起到抑制共振的作用，特別是次階穩(wěn)定區(qū)域受到的影響較大；但當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)處于不穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)阻尼并不能起到抑制振幅的作用。關(guān)鍵詞：有纜遙控潛水器；臍帶纜；參量共振；馬修不穩(wěn)定性；動(dòng)力響應(yīng)中圖分類(lèi)號(hào)：P751文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003—2029(2011)03—0077一06水下機(jī)器人主要分為無(wú)纜遙控潛水器(AutonomousUnderwaterVehicles)和有纜遙控潛水器fRemoteOperatedVehicles)兩種。相對(duì)于無(wú)纜遙控潛

3、水器，有纜遙控潛水器使用更加廣泛，其中起到連接作用的纜有兩種，稱(chēng)為系纜(Tether)和臍帶纜(Umbilical)。示意圖如圖1。圖1ROV工作狀態(tài)圖ROV工作中服役環(huán)境較為惡劣，不僅受到海洋環(huán)境載荷作用，而且還受到母船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷、風(fēng)浪載荷、起吊拉力等作用。臍帶纜極可能發(fā)生斷裂，花費(fèi)巨資的ROV就會(huì)沉沒(méi)海底，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失。其中，參量共振是導(dǎo)致臍帶纜斷裂的一個(gè)顯著原因。參量共振是在波激振動(dòng)中常見(jiàn)的一種現(xiàn)收稿日期：2011-05—20基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009093)；國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(50739004)作者簡(jiǎn)介：盧其進(jìn)(1988

4、一)，男，研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ蠖〕探Y(jié)構(gòu)分析通訊作者：楊和振(1977一)，男。副教授，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)分析。Email：yanghz@sjtu．edu．en，y鋤gllezhen@hotmail．COl象，即使當(dāng)激勵(lì)頻率顯著地不等于系統(tǒng)的線性固有頻率時(shí)，臍帶纜受到軸向的一個(gè)小激勵(lì)仍然可以產(chǎn)生很大的響應(yīng)。在工作狀態(tài)下。母船受波浪作用產(chǎn)生的垂蕩運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致臍帶纜的軸向拉壓，從而引起臍帶纜結(jié)構(gòu)的水平動(dòng)力響應(yīng)。根據(jù)ROV臍帶纜系統(tǒng)在參數(shù)激勵(lì)下的發(fā)生不穩(wěn)定性的參數(shù)關(guān)系。繪制出發(fā)生參量共振的不穩(wěn)定區(qū)域。這些區(qū)域表現(xiàn)為一個(gè)一個(gè)連續(xù)的參量區(qū)間。由于這些區(qū)域范圍較大且較不規(guī)則分布。

5、所以ROV的臍帶纜避開(kāi)參量共振比避開(kāi)因受迫振動(dòng)而產(chǎn)生的普通共振要困難的多。如何設(shè)計(jì)ROV臍帶纜的相關(guān)參數(shù)使其避開(kāi)參量共振。在ROV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。針對(duì)參量共振的機(jī)理研究．一般集中在馬修方程及其穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)理論方面。Geoffreytl財(cái)不穩(wěn)定性分析較早。其采用富洛開(kāi)理論求解的辦法繪制出參量共振的無(wú)因次的不穩(wěn)定性圖。在海洋工程方面的文獻(xiàn)中也對(duì)馬修不穩(wěn)定性進(jìn)行了討論．Haslum和Faltinsen閉展示了沒(méi)有考慮縱搖阻尼效應(yīng)的的馬修方程的穩(wěn)定性圖。Koop】針對(duì)spar平臺(tái)考慮了阻尼效應(yīng)。在穩(wěn)定圖中。當(dāng)激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率成一定關(guān)系時(shí)參量共振最顯著。Chaoigeo

6、r畫(huà)OU[4l考慮了其關(guān)系為兩倍時(shí)細(xì)長(zhǎng)管線的參量共振。根據(jù)穩(wěn)定性圖。“ula給出了深水平臺(tái)非線性振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)。本文所研究的ROV臍帶纜屬于細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)物，Deepakt6l和Radhakrishnanm針對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的參量共振給出了系統(tǒng)參數(shù)的定義方法。楊和振嗍也特別針對(duì)海洋平臺(tái)的立管進(jìn)行了不穩(wěn)定性分析。此外，一些學(xué)者研究考慮了耦合效應(yīng)對(duì)參量共振的影響．高喜峰【91等人研究了深海spar平臺(tái)系泊系統(tǒng)耦合的動(dòng)力分析。K00舊研究了系泊系統(tǒng)和立管相耦合的spar平臺(tái)的參量共振問(wèn)題。深海工程動(dòng)力分析方面研究對(duì)于研究參量共振也有一定借鑒作用01-129。本文針對(duì)ROV臍帶

7、纜這一結(jié)構(gòu)分析了其馬修不穩(wěn)定性，采用希爾無(wú)窮行列式的方法求解不穩(wěn)定性區(qū)域，這種方法能達(dá)海洋技術(shù)第30卷到更好的精度。同時(shí)對(duì)振動(dòng)方程參數(shù)之間的關(guān)系作了分析。并對(duì)ROV臍帶纜在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)做出了討論分析。1基本理論1．1臍帶纜的橫向振動(dòng)模型ROV臍帶纜內(nèi)部由各類(lèi)光纖、電纜組成．考慮其為柔性細(xì)長(zhǎng)管。本研究作以下假定：(1)考慮臍帶纜彈性剛度。不計(jì)臍帶纜抗彎剛度、抗扭剛度及抗剪剛度。(2)臍帶纜變形的本構(gòu)關(guān)系服從虎克定律且各點(diǎn)受力均勻。圖2為ROV中繼器受力分析圖．建立如圖所示坐標(biāo)軸。母船繼器橫向阻尼力縱向阻尼力圖2I的V中繼器受力分析圖