載人潛水器在母船上系固時的受力計算及分析

周軼美王建國魏 芳羅 薇

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

2武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

載人潛水器在母船上系固時的受力計算及分析

周軼美1王建國1魏 芳1羅 薇2

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

2武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

載人潛水器在母船上系固時的安全性是7 000 m載人潛水器母船設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，準(zhǔn)確預(yù)報載人潛水器在母船上系固時受到的作用力，對于潛水器系固裝置的設(shè)計及系固安全性評估至關(guān)重要。根據(jù)耐波性理論，針對潛水器搭載母船的實際線型和航行海域情況，提出了基于搭載母船耐波性預(yù)報的潛水器系固時受力的簡便計算方法，該方法可以計算不同海況時的受力情況，能適應(yīng)潛水器不同存放或維修工況下系固設(shè)計的需要，具有較好的工程適用價值。

載人潛水器；系固；作用力；安全性；WAVMO軟件

0 引 言

深海載人潛水器是人類探索深海奧秘的重要工具，其在運輸、維護(hù)過程中的安全性是載人潛水器工程中必須考慮的重要環(huán)節(jié)之一。

載人潛水器搭載在潛水器母船上進(jìn)行航渡、運輸和維護(hù)。當(dāng)搭載母船在波浪中航行，特別是當(dāng)處于大風(fēng)浪高海況時，受波浪的影響，會產(chǎn)生劇烈的搖擺和升沉運動。為防止?jié)撍髟诩装迳匣苹蚍D(zhuǎn)，應(yīng)進(jìn)行系固時的安全性評估和系固裝置設(shè)計。要進(jìn)行系固設(shè)計，首先就應(yīng)確定作用在潛水器上的外力。

針對海上運輸重大部件的系固綁扎計算，徐邦楨等［1］提出了利用各部位的基本加速度值計算各個慣性力的分量的方法，該方法比較簡單，適合常規(guī)船型，但沒有考慮具體船型對慣性力的影響；沈華等［2-3］采用搖蕩方程在最惡劣情況下疊加的方法計算了可能發(fā)生的最大慣性力，在船載車輛系固方案設(shè)計中計入了船舶橫搖、縱搖和垂蕩的影響；王冬姣［4］應(yīng)用船舶耐波性理論，建立了船體坐標(biāo)中由傾斜重力與運動慣性力所引起的合成載荷的計算方法，該方法考慮了各運動間的耦合作用及相位變化，比較復(fù)雜；沈江［5］重點研究了繩索夾角對系固力的影響；《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》［6］（以下簡稱“規(guī)范”）給出了船舶在運集裝箱時集裝箱的受力計算方法，該方法適用于無限航區(qū)具有正常尺度比的被拖物，但不適應(yīng)于不同海況的需要。

潛水器在母船上搭載時有兩種狀態(tài)：一種是潛水器在升降式軌道車上的存放狀態(tài)，這種狀態(tài)下的系固裝置設(shè)計需要滿足在作業(yè)海區(qū)可能出現(xiàn)的最大海況下的安全系固要求；第二種是潛水器需要維護(hù)蓄電池時，升降式軌道車長時間升起的狀態(tài)，這時的系固設(shè)計只需要滿足規(guī)定的海況要求。為滿足潛水器不同狀態(tài)的安放要求，必須對不同海況下的潛水器受力進(jìn)行預(yù)報。

另外，潛水器受到的外力與搭載船舶的運動及潛水器自身的重量和裝載位置等因素相關(guān)，而船舶的運動特性又與海況、航向、航速以及船型參數(shù)等密切相關(guān)。因此，為準(zhǔn)確預(yù)報作用在潛水器上的外力，有必要利用搭載母船的實際線型和航渡、作業(yè)海區(qū)的波浪情況，對母船的運動及潛水器受到的外力進(jìn)行詳細(xì)計算。

本文針對潛水器的布置和存放，以及維修時的特點，提出了基于耐波性預(yù)報的潛水器在母船上系固時受力的簡便計算方法。

1 潛水器在母船上系固時的受力分析

受外力作用，母船上搭載的部件可能會發(fā)生滑移、翻轉(zhuǎn)，能使其發(fā)生滑移、翻轉(zhuǎn)的外力包括慣性力、風(fēng)壓力和波濺力等。不同于一般的被拖物，潛水器在航渡過程中存放在專門的庫房里，作業(yè)時才被移到甲板上。而作業(yè)時，海況一般較低，因此，在潛水器的外力計算中，可以不考慮波濺力的作用力。潛水器受到的滑移或翻轉(zhuǎn)的外力主要是慣性力和風(fēng)壓力。

為便于計算分析，將作用在潛水器上的外力合力按船體坐標(biāo)系分解為平行于甲板沿船寬方向的橫向作用力Fy、平行于甲板沿船長方向的縱向作用力Fx和垂直于甲板的垂向作用力Fz，作用力示意圖如圖1所示。

圖1 潛水器受力示意圖Fig.1 HOV force analysis sketch

2 潛水器在母船上系固時的受力計算方法

船舶在波浪中搖擺時，由于船體和水之間存在相對運動，船體會受到水的阻力，因此船舶搖擺運動應(yīng)為有阻尼的運動。為簡化計算，從偏于安全的角度考慮，在下面的公式推導(dǎo)及分析中忽略了阻尼力矩的作用。

1）橫向作用力

作用于潛水器且平行于船體甲板的橫向力Fy（kN）由兩部分組成：一部分為作用在潛水器上的橫向慣性力；另一部分為潛水器上受到的橫向風(fēng)作用力，可表示為：

式中，M為潛水器的質(zhì)量，t；q為單位受風(fēng)面積上的風(fēng)壓力，kN/m2；Sx為潛水器在船中縱剖面的投影面積，m2。

當(dāng)母船產(chǎn)生橫搖運動時，潛水器自身的重力除了對甲板有正壓力作用外，還有與甲板平行的橫向分力，因此，橫向慣性力包括船舶橫搖時潛水器自身的傾斜重力和橫向運動慣性力兩部分。相應(yīng)的潛水器橫向加速度Ay由母船橫搖引起的線加速度 Ay1和重力引起的橫向加速度分量 gsinθ組成，可表示為：

式中，Ay1為母船橫搖引起的線加速度，m/s2；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

根據(jù)船舶無阻尼自由橫搖方程［7］：可以得到母船橫搖角加速度：

因此，由橫搖引起的潛水器橫向線加速度可表示為：

式中，rθ為潛水器質(zhì)量中心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離，m，rθ≈h，其中h為潛水器質(zhì)量中心距吃水水線的垂向高度，m。

2）縱向作用力

作用于潛水器且平行于船體甲板的縱向力Fx也由兩部分組成：一部分為作用在潛水器上的縱向慣性力；另一部分為潛水器上受到的縱向風(fēng)作用力，可表示為：

式中，i為潛水器臺架的安置號；mi為第i個臺架處的潛水器質(zhì)量，t，這里假定潛水器質(zhì)量沿縱向均勻分布；Sy為潛水器在船中橫剖面上的投影面積，m2；Axi為第i個臺架處的縱向加速度，m/s2。

縱向慣性力也由母船縱搖時潛水器自身的傾斜重力和縱向運動慣性力兩部分組成。潛水器的縱向加速度 Ax由母船縱搖引起的線加速度 A1x和重力引起的橫向加速度分量gsinψ組成，可表示為：

同理，考慮到船舶無阻尼自由縱搖，可以得到母船縱搖角加速度：

因此，由縱搖引起的潛水器縱向線加速度可以表示為：

式中，rψi為第i個臺架處的縱搖轉(zhuǎn)動半徑，m，可由下式計算：

式中，xi為第i個臺架距船中的縱向距離，m；αi為第i個臺架處縱搖產(chǎn)生的力與縱向力Fx之間的夾角，cos αi=h rψi。

3）垂向作用力

作用于潛器上、垂直于甲板的垂向作用力Fz主要為垂向慣性力，可以表示為：

式中，Azi為第i個臺架處的垂向加速度，m/s2，其由母船在放置潛器處的垂向加速度和潛器重力加速度分量組成。

考慮到縱搖引起的垂向加速度分量，因而可以得到：

式中，Za為母船垂蕩幅值，m；TZ為母船固有的垂蕩周期，s，TZ≈Tψ。

“五環(huán)五步”包含了教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升培訓(xùn)中的“需求調(diào)查、內(nèi)容精選、集中培訓(xùn)、專業(yè)引領(lǐng)、效果檢測”五個環(huán)節(jié)和“整合特色、模擬實踐、再次交流、再次實踐、形成成果”五個步驟。其中“五環(huán)”主要解決了教師信息技術(shù)應(yīng)用中的技術(shù)問題，“五步”主要解決了教師信息技術(shù)應(yīng)用中的能力問題。

3 母船耐波性預(yù)報方法

由上節(jié)的推導(dǎo)可知，要分析潛水器在母船上不同存放狀態(tài)時受到的作用力，就需要對不同海況下的搖擺參數(shù)和垂向加速度進(jìn)行預(yù)報。

基于Salvensen，Tuck和Faltinsen的切片理論公式是基于低速高振蕩的假設(shè)，是低速常規(guī)船耐波性運動預(yù)報的常用計算工具，從上世紀(jì)70年代初開始，以切片理論為基礎(chǔ)的單體船在波浪中運動性能的計算就已趨于完善［8］。

某單位集多年的研究，逐步發(fā)展了基于STF＋Frank切片理論的耐波性預(yù)報程序WAV?MO，即首先用六個自由度運動耦合方程式計算程序計算規(guī)則波中的運動頻率響應(yīng)曲線，然后用譜分析法對不規(guī)則波中的運動統(tǒng)計特性進(jìn)行預(yù)報計算，該程序適用于常規(guī)單體船、雙體船及高速排水型單體船的六自由度預(yù)報［9］。本文將利用WAV?MO軟件對母船的耐波性能進(jìn)行預(yù)報。

3.1 海浪譜

計算中，采用雙參數(shù)海浪譜，即有義波高H1/3和波浪特征周期T1這兩個參數(shù)充分表達(dá)海洋的環(huán)境條件。一般而言，在某一特定海區(qū)，波高與波周期之間沒有特定關(guān)系，在同一波高下，實際上可以遇到各種波周期。因此，在同一波高下，假定了若干個波浪周期。

海浪譜用12屆ITTC雙參數(shù)譜：

3.2 運動的響應(yīng)預(yù)報

假定船舶運動可以采用線性疊加原理及雷利分布加以處理，并假定不規(guī)則波是單向的長峰波，因此，應(yīng)用譜分析法可以得到波浪中船體響應(yīng)的譜密度。

式中，Sζ(ωe)為遭遇海浪譜；Yyζ(ωe)為規(guī)則波中幅值頻率響應(yīng)函數(shù)（運動幅值／波幅）；ωe=ω-為遭遇頻率，其中v為航速，β為浪向角，ω為波浪實際頻率。

本文分別計算了縱蕩Yxζ(ωe)，橫蕩Yyζ(ωe)，垂蕩Yzζ(ωe)，橫搖Yθζ(ωe)，縱搖Yψζ(ωe)和艏搖Yφζ(ωe)，其頻率響應(yīng)曲線可以由試驗和理論計算得到，此處，用切片理論計算結(jié)果預(yù)報。

因此，不規(guī)則海浪中運動譜密度曲線下的面積為：

可以注意到，在船舶以確定的航速和遭遇浪向航行情況下，把頻率響應(yīng)函數(shù)Yyζ(ωe)轉(zhuǎn)換為Yyζ(ω)時，僅橫坐標(biāo)ωe變?yōu)榱甩?，相?yīng)的縱坐標(biāo)并沒有發(fā)生變化。也就是說，在相應(yīng)ωe和ω處，具有相同的頻率響應(yīng)函數(shù)Yyζ(ω)。

因此，上式可以寫成：

根據(jù)雷利分布，運動響應(yīng)統(tǒng)計值與m0有下列關(guān)系：

4 計算結(jié)果及分析

利用耐波性預(yù)報軟件預(yù)報的母船在各種海況、航速下的運動幅值最大值列于表1。從系固安全的角度考慮，采用1/10最大值的期望值來計算系固方案較為安全［10］，表中的最大值是指1/10最大值的期望值。

利用耐波性預(yù)報結(jié)果，得到了潛水器在各種海況下可能受到的最大作用力，結(jié)果如表2所示。

為對計算結(jié)果進(jìn)行評估，采用“規(guī)范”中給出的集裝箱受力計算方法進(jìn)行了計算，得到了潛水器各個方向的受力，其結(jié)果如表3所示。

表1 載人潛水器母船耐波性要素表Tab.1 The seakeeping performance elements of HOV mother-ship

表2 不同海況下潛水器母船上系固時的受力計算結(jié)果Tab.2 Force calculation for HOV on board the mother-ship in different sea conditions

表3 應(yīng)用“規(guī)范”方法得到的潛水器母船上系固時受力計算結(jié)果Tab.3 Force calculation for HOV on board the mother-ship with the methods of reference［6］

對比表2和表3可見，采用兩種方法計算得到的橫向力在最高海況時比較接近，縱向力和垂向力的最大值相差較大。

利用本文基于耐波性預(yù)報的簡便計算方法進(jìn)行計算得到的8級海況時縱向力和垂向力值約為用“規(guī)范”中的方法得到的計算結(jié)果的兩倍，應(yīng)用本文計算結(jié)果進(jìn)行系固裝置設(shè)計更偏于安全。

5 結(jié) 語

根據(jù)耐波性理論，針對潛水器搭載母船的實際線型和航行海域情況，提出了基于搭載母船耐波性預(yù)報的潛水器系固時受力的簡便計算方法。該方法可以計算不同海況下的受力情況，更符合實際航渡過程中潛水器的實際受力情況，也更能適應(yīng)潛水器在不同存放或維修工況下的系固設(shè)計需要，具有較好的工程適用價值，可為潛水器在母船上系固時的安全性評估以及系固裝置的設(shè)計提供參考。

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［責(zé)任編輯：盧圣芳］

Force Calculation and Analysis for Human Occupied Vehicles Secured on the Mother-Ship

ZHOU Yi-mei1WANG Jian-guo1WEI Fang1LUO Wei2
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

The securing safety of Human Occupied Vehicle（HOV）on board is a key element in the de?sign of mother-ships for 7 000 m HOV.Accordingly，the precise prediction of the forces that the HOV ex?erts on the mother-ship is vital for both securing arrangement design and safety assessment.In this paper，a simplified calculation procedure for force prediction was proposed on the basis of the seakeeping theory and the actual mother-ship outline.This procedure calculated the force perceived by the mother-ship un?der different sea states and sea areas，which helped the specific securing arrangement design for different HOV storage or maintenance conditions.In short，the engineering application values of this method make it a proper reference for the securing arrangement design and safety assessment.

Human Occupied Vehicle（HOV）；lashing and securing；force；safety；WAVMO

U674.941

A

1673－3185（2012）05－38－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.05.007

2011－12－26

周軼美（1972－），女，高級工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計。E?mail：huzhoumeimei@sina.com

羅 薇（1959－），女，教授。研究方向：船舶性能研究。

周軼美。