余海波，董峻魁，劉宜勝

(浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018)

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基于Adams和CFD的海洋觀測裝置釋放穩(wěn)定性分析

余海波，董峻魁，劉宜勝

(浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018)

應用Adams軟件建立了一種海洋觀測裝置的釋放試驗仿真動力學模型，通過研究裝置在不同海況和布放速度條件下的入水前動力學特性，得到了裝置的速度、加速度和布放軌跡；應用CFD流體力學分析軟件建立了三維流體分析模型，研究了入水后的流體力學特性，得到了裝置插入海底的速度和角度。入水前和入水后兩部分的運動仿真結果顯示：海洋觀測裝置的整個釋放過程能夠安全穩(wěn)定地進行，采樣矛桿能夠順利地插入海底。該研究為保護裝置上的測試元件及提高海洋觀測裝置的釋放精度和穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)與實驗基礎，也為海洋觀測裝置的整體設計與制造提供了理論參考。

海洋觀測；釋放；穩(wěn)定性；Adams；Fluent

0　引　言

為了保護海洋生態(tài)環(huán)境，促進海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，對海洋的觀測與研究變得越來越重要[1]。海洋觀測主要是對海底沉積物的觀測與分析，因為海底沉積物的粒度特征是判斷自然地理環(huán)境和水動力條件的良好標志，沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)對于海洋聲場分析、工程地質(zhì)勘探及海洋地球科學研究都具有重要意義[2]。目前沉積物的測量技術一般可以分為兩類：沉積物取樣實驗室測量和海底原位測量[3]。沉積物取樣實驗室測量方法相對簡單，但是該方法容易改變沉積物周圍的原始沉積環(huán)境(壓力、溫度、鹽度等)，難以獲得準確的沉積物聲學參數(shù)[3]；而原位測量技術不會對沉積物造成擾動，能夠獲得實際狀態(tài)下的聲學參數(shù)，該測量技術已成為獲得海底沉積物聲學參數(shù)最直接有效的手段[4]。

隨著對海洋的不斷探索，海洋觀測平臺已逐步成為高新技術領域的研究熱點[5-7]。傳統(tǒng)的原位觀測方法很難滿足及時性和高覆蓋范圍的監(jiān)測要求，而深海測試平臺布放在深海海底，能對海底進行長期的實時監(jiān)測[8]。如今，深海測試平臺正朝著多功能化的觀測網(wǎng)絡的趨勢發(fā)展，它可以為海洋生態(tài)環(huán)境的研究提供更多可靠的實時數(shù)據(jù)，為海洋對氣候影響的研究給予支持，為海底地震引起的海嘯等災害提供預警[9]。

本文分別使用三維建模軟件PROE、動力學軟件Adams以及CFD流體力學分析軟件，建立原位觀測裝置模型，通過在不同海況和釋放速度條件下對原位觀測裝置進行模擬釋放，結合有限元數(shù)值模擬結果中的速度云圖和實測試驗結果，分析不同海況和釋放速度對釋放穩(wěn)定性的影響，為進一步提高海洋觀測裝置釋放的安全性和釋放效率提供一定的理論依據(jù)。

1　原位觀測裝置模型

原位觀測裝置總體設計圖和海試實物照片如圖1所示。原位觀測裝置主要部件包括聲速儀、水聽器、矛桿、接聽器、電子倉、高度計等。原位觀測裝置通過矛桿上安裝的水聽器進行測試，利用插入沉積物的水聽器陣列接收的聲波時間差和振幅差，以得到海底沉積物原位聲速和聲衰減數(shù)據(jù)。8個聲學水聽器按照計算好的距離均勻分布，當矛桿靠自重插入海底后，船上的計算機控制處于矛桿側端的聲學發(fā)射換能器發(fā)出聲信號，聲信號穿透沉積層后，通過埋置在沉積物中良好耦合的水聽器陣列進行接收和反饋。裝置釋放到海底以后船上的工作人員通過對信號衰減的分析能夠對周圍的海洋沉積物進行準確的測量和評估。

圖1　原位觀測裝置三維設計圖與實物照片

原位裝置的釋放在海面上進行，所以需要提前在近海進行釋放實驗驗證釋放的可靠性。由于機械結構設計的原因，釋放過程中需要盡量保證矛桿垂直插入海泥里，所以能否將裝置安全平穩(wěn)并且垂直地插入海底是決定整個現(xiàn)場釋放試驗能否成功的關鍵，鑒于海洋環(huán)境的特殊性，本文將原位觀測裝置的釋放仿真分為水上釋放和水下運動兩部分，分別采用在虛擬樣機Adams模擬釋放和Fluent流體軟件中仿真計算，然后進行現(xiàn)場釋放測試評估。

該釋放實驗在舟山近海水域進行，仿真模型包括釋放所用的船體、卷筒、滑輪、鋼絲繩等，全程模擬了在3級海浪條件下船體及鋼絲繩的晃動對釋放實驗穩(wěn)定性的影響。實驗所用鋼絲繩的直徑為18mm，其有效橫截面積254.34mm2，原位觀測裝置重量為612kg，高度為3.2m，寬度為1.1m。本文主要研究旋轉桿在0到10s內(nèi)，通過轉動把原位裝置支出船體，然后在10s后開始釋放重物入水的過程。

2　仿真模型構建

2.1波浪載荷

船舶受海洋環(huán)境載荷作用產(chǎn)生振動運動，如果將船體近似為一個剛體，海浪對它的影響是一個平穩(wěn)隨機的過程，其幅值變化符合高斯分布規(guī)律[10]，將海浪視為無限個由隨機大小的波幅和波長組合的波浪，在仿真條件下，結合實際釋放海域的海浪情況忽略高次的諧波，則建立波浪方程如式(1)所示：

(1)

其中：ξai、ωi、εi分別表示第i個諧波的振幅、角頻率以及初始相位，初始相位εi的取值是0到2π之間的隨機數(shù)。

2.2動力學方程

在Adams軟件中采用多體系統(tǒng)動力學中的拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程，在理想約束反力條件下，采用該運動方程能使系統(tǒng)避免出現(xiàn)不做功的情況，可以使方程未知變量的數(shù)量減到最少[11-13]。目前使用的虛擬樣機技術仿真軟件Adams就是采用該方法建立整個系統(tǒng)的動力學方程，其普遍形式可以表示為：

(2)

完整約束方程為：

φ(q,t)=0；

非完整約束方程為：

2.3建模原理與參數(shù)

根據(jù)釋放實驗的實際情況，按照整個釋放系統(tǒng)結構參數(shù)進行虛擬樣機建模，如圖2所示。將旋轉桿簡化成通過旋轉幅與船體連接的桿件，在鋼絲繩一端定義運動函數(shù)模擬絞車的旋轉，并根據(jù)絞車的轉速添加驅動函數(shù)?；喓托D桿通過固定幅連接，將波浪載荷加載到船體的質(zhì)心上模擬海浪的運動。

圖2　原位觀測裝置釋放實驗虛擬樣機模型

在Cable模塊中鋼絲繩的建模采用了利用軸套力來對柔性體進行有限元離散化的思想，將一段柔性體離散成若干個小圓球，再利用廣應力對各個小球間進行柔性連接，廣應力可以分別定義剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)和6個方向上的分力，直接和軸套力的方程相匹配，也可以通過Adams函數(shù)對非線性軸套力編寫程序，描述非線性的柔性體的運動學問題，軸套力的計算公式為[10]：

(3)

其中：Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz分別表示X、Y、Z方向上的力和力矩；R、θ、V、ω分別表示兩小球之間相對位移、轉角、速度、角速度；K、C分別表示剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)。這些參數(shù)決定了鋼絲繩的材料特性和動力學性能，取值根據(jù)實際選用的鋼絲繩確定。

鋼絲繩和絞車、滑輪之間的相互作用力用接觸力代替并進行約束，Adams/Cable模塊定義了離散小球與滑輪、卷筒的接觸算法，各項參數(shù)需要根據(jù)材料屬性、材料接觸和碰撞參數(shù)推薦表進行設置，具體參數(shù)見表1。求解器所涉及到的參數(shù)根據(jù)實際情況進行不斷調(diào)試和更改，在靜平衡和動力學求解時采用GSTIFF積分求解器和I3積分格式提高運算效率和穩(wěn)定性。

表1　接觸參數(shù)

3　仿真結果與分析

本文仿真分別應用了動力學軟件Adams中的View和Post processor兩個基本模塊，分析了原位觀測裝置在釋放過程中的運動學和動力學特性，原位觀測裝置釋放動畫效果如圖3所示，仿真得到的運動曲線基本與在舟山實際海試時原位觀測裝置的運動情況相符，海試實驗能夠順利進行。

圖3　原位觀測裝置釋放動畫效果

根據(jù)釋放實驗的現(xiàn)場情況，在不同的海況和釋放速度條件下對裝置進行模擬分析，分別得到了原位觀測裝置在3級和4級兩種常見海況下的運動軌跡，波浪振幅的大小依據(jù)海浪的級數(shù)查詢并按照比例進行設置。不同海況下裝置的運動軌跡如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著海況級數(shù)的增加，測試裝置運動軌跡的波動性也越大，不利于裝置的釋放。

圖4　不同海況下原位裝置的運動軌跡

圖5為不同釋放速度時原位裝置的運動軌跡。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，釋放的速度越大，擺動幅度越小，結合海試情況研究發(fā)現(xiàn)導致上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：釋放過程中隨著裝置下降速度的增加，鋼絲繩的長度逐漸增加，附加到釋放端的質(zhì)量也逐漸增大，傳播過程中擺動的動力勢能就會分散到繩子上，結果導致測試裝置分散到的勢能變少，繩子擺動幅度自然逐漸變小。

圖5　不同釋放速度時原位裝置的運動軌跡

圖6　原位裝置釋放時的軌跡

本文對3級海況下原位測量裝置釋放情況進行了動力學分析。結果發(fā)現(xiàn)，船舶在6個自由度上分別受到橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖、縱搖、垂蕩的作用力，其中橫漂、垂蕩、縱搖對其在海面上的運動穩(wěn)定性影響最大，為了簡化仿真模型，本文忽略了橫漂、垂蕩和縱搖3種情況的耦合作用，針對性研究了在3種情況下的釋放軌跡(圖6)、加速度(圖7)和繩子受力圖情況(圖8)。

圖7　原位裝置釋放時的加速度

圖8　原位裝置釋放時的鋼絲繩張力

圖6曲線表明，原位觀測裝置的釋放運動軌跡和實際釋放實驗情況基本吻合，當受到橫漂作用力時，裝置在X方向上的偏移很大，而在垂蕩和縱搖時擺動的幅度相對較小，所以可以得出橫漂對裝置在釋放時的擺動影響最大；在垂蕩時，Y方向繩子會產(chǎn)生輕微的松弛，因為船體在海浪的作用下產(chǎn)生顛簸，這會導致測試裝置產(chǎn)生輕微的失重現(xiàn)象。

圖7曲線表明，原位觀測裝置的固有頻率遠大于船體的振動頻率，這能有效防止共振的產(chǎn)生。隨著繩子的增長，加速度逐漸變小，有利于釋放實驗的平穩(wěn)進行。系統(tǒng)的固有頻率隨著繩子逐漸地增長而變小，這也符合單擺模型的運動規(guī)律。在旋轉桿停止轉動，開始釋放鋼絲繩時會產(chǎn)生較強的加速度，這里可以適當減小釋放的速度以減少瞬間的拉力對裝置的影響，增加裝置釋放的平穩(wěn)性。

圖8曲線表明，橫漂和縱搖時，鋼絲繩的張力大小與變化趨勢基本一致，而在垂蕩時，由于船體的上下波動會使鋼絲繩產(chǎn)生瞬間沖擊力，導致系統(tǒng)產(chǎn)生極大的沖擊，而隨著繩子逐漸變長，系統(tǒng)的固有頻率變小，繩子的張力也會逐漸變小，釋放運動會逐漸平穩(wěn)。

4　水下流體建模與分析

4.1CFD仿真設置

為了對原位觀測裝置釋放過程中在水下的下落情況進行研究，利用了Workbench中自帶的計算流體力學軟件Fluent，首先將PROE里的模型導入ANSYS workbench，使用DM模塊添加了一個圓柱形流場，然后對模型進行網(wǎng)格劃分[14]，最后導入到Fluent中對模型水下釋放過程的穩(wěn)定性進行分析，整個流場尺寸參數(shù)見表3，邊界條件設置見表4。

表3　流場尺寸參數(shù)

表4　邊界條件

在海洋環(huán)境中，不同海況下波浪的幅度和周期都不一樣，船體受到的海洋載荷也不同，所以在水面上的仿真過程中加入了波浪載荷，而裝置在水下運動時，由于深海環(huán)境下的水很平靜，水流很緩慢，類似于靜水環(huán)境，所以主要研究其靜水運動特性。裝置在海水中自由下降的過程為非定常問題，海洋環(huán)境符合k-ε湍流模型，運動過程中僅受重力、海水浮力以及海水繞流阻力的影響，需要通過當前時間步的計算結果來確定下一時間步的原位觀測裝置的受力和運動情況，在模型網(wǎng)格計算中屬于被動型網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分和控制難度較大。為減少網(wǎng)格數(shù)量，減少計算機，現(xiàn)將原位觀測裝置的物理模型做適當簡化，并采用了非結構網(wǎng)格，以減少與計算結果相關性不大的微小網(wǎng)格，提高計算精度，整體網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9　整體網(wǎng)格劃分

4.2仿真結果分析

在PROE中讀取出簡化模型的質(zhì)量以及三個方向的慣性矩，定義初始速度等條件，通過VS2008編譯到UDF中，定義模型周邊為動網(wǎng)格運動區(qū)域，設置為每個時間步進行一次迭代更新，與Fluent形成實時動態(tài)的數(shù)據(jù)鏈接，克服了Fluent自帶解釋器的缺陷，提高了運行效率，仿真時間步長需小于最小網(wǎng)格尺寸，設定為0.002 s，經(jīng)過軟件長時間的迭代運算，壓力云圖和速度矢量圖如圖10和圖11所示。

圖10　壓力云圖

從仿真結果中可以發(fā)現(xiàn)：

a)原位觀測裝置的動態(tài)穩(wěn)定性良好，運動到流場底部時裝置繞X軸最大旋轉角度為2.852°，繞Y軸的最大旋轉角度很小約為0.499°，繞Z軸的最大旋轉角度較大為5.417°，該角度滿足裝置插入海底的實際條件。

b)原位觀測裝置在水下釋放過程中，由于機構的設計原因導致下底板的壓力加大。整體壓力云圖如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)最大壓力出現(xiàn)在錨桿和下底板的連接處，因此加工時需要加大錨桿固定處的強度以免出現(xiàn)錨桿脫落或斷裂等情況。

圖11　速度矢量圖

c)原位觀測裝置的6DOF模型在觸及海底邊界時會出現(xiàn)負網(wǎng)格導致運算錯誤，迭代自動終止。在接近海底邊界時網(wǎng)格二次劃分的質(zhì)量也較差，因此在距離海底一定距離時的迭代數(shù)據(jù)較為精確，速度矢量如圖11所示，原位觀測裝置經(jīng)過1.438 s到達海底，速度為4.03 m/s，水對裝置的阻撓力較大加速度約是3.17 m/s2。經(jīng)過現(xiàn)場海試測驗，結合釋放速度和海況，原位海洋測試裝置能夠順利地插入海底并完成對海底聲速和聲衰減的測量，成功地對海底沉積物進行分析。

5　結　論

a)利用Adams軟件建立了原位觀測裝置的船上釋放模型，分析了原位裝置入水前的動力學特性與入水后的運動特性，得到了不同海況下裝置的釋放軌跡、速度、加速度、鋼絲繩的張力變化，為原位裝置在實際釋放過程中，選擇海況、配重、絞車參數(shù)等提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考，也為后續(xù)的裝置改進工作以提高裝置的釋放穩(wěn)定性提供了分析工具。

b)利用PROE的建模功能和Fluent流體分析中的動網(wǎng)格技術對原位觀測裝置的靜水穩(wěn)性進行了校核，通過添加少量配重使原位裝置獲得較好的穩(wěn)性。建立了原位觀測裝置水下運動的通用模型，并使用Fluent中的6DOF模塊，記錄了裝置的運動狀態(tài)。仿真結果表明原位觀測裝置在自由下降過程中穩(wěn)定性良好，基本沒有傾斜，滿足實際工作要求。

[1] 高艷波,李慧青,柴玉萍,等.深海高技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].海洋技術,2010,29(3):119-124.

[2] 宮立新,楊燕雄,張甲波,等.海灘原位觀測技術及應用[J].海洋地質(zhì)前沿,2014,30(3):148-55.

[3] 侯正瑜,郭常升,王景強,等.一種新型海底沉積物聲學原位測量系統(tǒng)的研制及應用[J].地球物理學報,2014,58(6):1977-1984.

[4] LI H X, TAO C H, LIU F L, et al. Effect of gas bubble on acoustic characteristic of sediment: taking sediment from East China Sea for example[J]. Acta Physica Sinica,2015,64(10):109101.

[5] WATERWORTH G. Connecting long-term seafloor observatories to the shore [J].Sea Technology,2004,45(9):10-13.

[6] PERSON R, AOUSTIN Y, BLANDIN J, et al. From bottom lander to observatory networks [J]. Annals of Geophysics,2006,49(2/3):581-593.

[7] DUENNERBIER F K, HARRIS D W, JOLLY J, et al. The Hawaii-2 observatory seismic system [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2002,27(2);212-217.

[8] 陳鷹,楊燦軍,金波.海底觀測系[M].北京:北京海洋出版社.2006:21-65.

[9] 上海海洋科技研究中心,海洋地質(zhì)國家重點實驗室.海底觀測:科學與技術的結合[M].上海:同濟大學出版社,2011:12-23.

[10] 黃祥鹿,陸鑫森.海洋工程流體力學及結構動力響應[M].上海：上海交通大學出版社,1992:21-36.

[11] 鄭建榮.虛擬樣機技術入門與提高[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:15-30.

[12] 郭衛(wèi)棟.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例分析[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:25-35.

[13] 王德勝,孔德文,趙克利.機械式礦用挖掘機鋼絲繩在MSCADAMS中的建模方法[J].計算機輔助工程,2006,15(21):364-366.

[14] 韓占忠,王敬,小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2007:10-30.

(責任編輯： 康鋒)

Analysis of Release Stability of Oceanographic Testing Device Based on Adams and CFD

YUHaibo,DONGJunkui,LIUYisheng

(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The paper used Adams software to establish a simulation model for the release of ocean observation device to study the observation device before entering the water dynamics in different sea conditions and the speed of cloth, and obtain the velocity and acceleration of the device. The paper used CFD fluid dynamics analysis software, the three-dimensional fluid analysis model was established and the hydrodynamic characteristics of the fluid were studied. The speed and angle of the device to be inserted into the sea floor are obtained. Motion simulation results of two parts before and after water entry show: the whole release process of the marine observation device can be safely and stably carried out and sampling spear rod can be inserted into the seabed. It provides a theoretical basis for the protection of the test components and the mechanical structure of the device and the final release of the ocean. It provides a theoretical reference for the design and manufacture of marine test equipment.

oceanographic testing device; release; stability; Adams; Fluent

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.09.018

2016-06-21

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2012AA09A404)

余海波(1990-)，男，浙江湖州人，碩士研究生，主要從事機構設計和穩(wěn)定性仿真方面的研究。

劉宜勝，E-mail：lysleo@zstu.edu.cn

TP23

A

1673- 3851 (2016) 05- 0742- 07 引用頁碼： 090405