母船垂荡导致ROV脐带缆参量共振的研究.pdf

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1、第30卷第3期2011年9月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．30，No．3Sep，2011母船垂荡导致ROV脐带缆参量共振的研究卢其进，杨和振(上海交通大学船舶海洋与建筑丁二程学院，海洋丁程国家重点实验室，上海200240)摘要：研究有缆遥控潜水器(RemoteOperatedVehicles)的脐带缆受到轴向激励所产生的大幅横向振动，即参量共振。KOV脐带缆的参激现象发生会影响KOV的安全性。针对RoV脐带缆的结构特性。推导出其在轴向激励力下的非线性振动方程。运用希尔无穷行列式的方法分析脐带缆的参量不稳定性。以稳定性图为基准分析脐带缆在多种典型工况下的动

2、力响应，着重讨论了系统阻尼对于脐带缆稳定性的影响。研究结果表明：阻尼的增大可以减小脐带缆可能发生参量共振的范围，即阻尼起到抑制共振的作用，特别是次阶稳定区域受到的影响较大；但当系统参数已经处于不稳定区域时，系统阻尼并不能起到抑制振幅的作用。关键词：有缆遥控潜水器；脐带缆；参量共振；马修不稳定性；动力响应中图分类号：P751文献标志码：A文章编号：1003—2029(2011)03—0077一06水下机器人主要分为无缆遥控潜水器(AutonomousUnderwaterVehicles)和有缆遥控潜水器fRemoteOperatedVehicles)两种。相对于无缆遥控潜

3、水器，有缆遥控潜水器使用更加广泛，其中起到连接作用的缆有两种，称为系缆(Tether)和脐带缆(Umbilical)。示意图如图1。图1ROV工作状态图ROV工作中服役环境较为恶劣，不仅受到海洋环境载荷作用，而且还受到母船运动产生的载荷、风浪载荷、起吊拉力等作用。脐带缆极可能发生断裂，花费巨资的ROV就会沉没海底，产生很大的经济损失。其中，参量共振是导致脐带缆断裂的一个显著原因。参量共振是在波激振动中常见的一种现收稿日期：2011-05—20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51009093)；国家自然科学重点基金资助项目(50739004)作者简介：卢其进(1988

4、一)，男，研究生，研究方向为海洋丁程结构分析通讯作者：杨和振(1977一)，男。副教授，研究方向为海洋工程结构分析。Email：yanghz@sjtu．edu．en，y锄gllezhen@hotmail．COl象，即使当激励频率显著地不等于系统的线性固有频率时，脐带缆受到轴向的一个小激励仍然可以产生很大的响应。在工作状态下。母船受波浪作用产生的垂荡运动将导致脐带缆的轴向拉压，从而引起脐带缆结构的水平动力响应。根据ROV脐带缆系统在参数激励下的发生不稳定性的参数关系。绘制出发生参量共振的不稳定区域。这些区域表现为一个一个连续的参量区间。由于这些区域范围较大且较不规则分布。

5、所以ROV的脐带缆避开参量共振比避开因受迫振动而产生的普通共振要困难的多。如何设计ROV脐带缆的相关参数使其避开参量共振。在ROV系统设计中至关重要。针对参量共振的机理研究．一般集中在马修方程及其稳定性的数学理论方面。Geoffreytl财不稳定性分析较早。其采用富洛开理论求解的办法绘制出参量共振的无因次的不稳定性图。在海洋工程方面的文献中也对马修不稳定性进行了讨论．Haslum和Faltinsen闭展示了没有考虑纵摇阻尼效应的的马修方程的稳定性图。Koop】针对spar平台考虑了阻尼效应。在稳定图中。当激励频率与结构固有频率成一定关系时参量共振最显著。Chaoigeo

6、r画OU[4l考虑了其关系为两倍时细长管线的参量共振。根据稳定性图。“ula给出了深水平台非线性振动下的动力响应。同时。本文所研究的ROV脐带缆属于细长柔性结构物，Deepakt6l和Radhakrishnanm针对此类结构的参量共振给出了系统参数的定义方法。杨和振嗍也特别针对海洋平台的立管进行了不稳定性分析。此外，一些学者研究考虑了耦合效应对参量共振的影响．高喜峰【91等人研究了深海spar平台系泊系统耦合的动力分析。K00旧研究了系泊系统和立管相耦合的spar平台的参量共振问题。深海工程动力分析方面研究对于研究参量共振也有一定借鉴作用01-129。本文针对ROV脐带

7、缆这一结构分析了其马修不稳定性，采用希尔无穷行列式的方法求解不稳定性区域，这种方法能达海洋技术第30卷到更好的精度。同时对振动方程参数之间的关系作了分析。并对ROV脐带缆在不同工况下的动力响应做出了讨论分析。1基本理论1．1脐带缆的横向振动模型ROV脐带缆内部由各类光纤、电缆组成．考虑其为柔性细长管。本研究作以下假定：(1)考虑脐带缆弹性刚度。不计脐带缆抗弯刚度、抗扭刚度及抗剪刚度。(2)脐带缆变形的本构关系服从虎克定律且各点受力均匀。图2为ROV中继器受力分析图．建立如图所示坐标轴。母船继器横向阻尼力纵向阻尼力图2I的V中继器受力分析图