水下拖曳升沉补偿负载模拟加载系统的研究

水下拖曳升沉补偿负载模拟加载系统的研究

0升沉补偿功能水下跟踪系统是广泛应用于海洋研究、海上监测和水下目标探测的系统。如图1所示，系统通常由母船、收复设备、电缆和拖地组成。水下拖曳系统在复杂多变的海洋环境中作业时,波浪起伏引起的拖曳母船升沉运动易带动处于拖曳状态的拖体产生较大的深度变化。拖体的深度变化严重影响了拖体中各类传感器的正常工作,对拖体和拖曳电缆的安全造成威胁,因此,在水下拖曳系统的收放装置中常加入升沉补偿功能。升沉补偿系统通过绞车收放拖缆补偿拖曳母船升沉位移对拖体深度的影响。水下拖曳升沉补偿系统的海上试验成本高,试验周期长,不利于试验的频繁进行;相对而言,在实验室通过负载模拟加载系统对升沉补偿系统进行加载,进行相关试验,具有成本低、可重复性好等优点。本文作者进行了水下拖曳升沉补偿负载模拟加载系统的设计,并对其进行了仿真研究。1负载模拟系统方案设计水下拖曳升沉补偿系统的张力负载与拖体重量、海浪运动、拖曳母船航速和拖体深度等诸多因素息息相关,具有强烈的时变性。针对水下拖曳升沉补偿系统的负载特点,提出了如图2所示的负载模拟系统总体设计方案。该负载模拟加载系统绞车通过缆绳与升沉补偿系统绞车连接,对升沉补偿系统加载;缆绳的位移变化与水下拖体的深度变化相等;张力模拟信号发生器根据拖体深度变化、海况参数和拖曳母船航速为液压加载系统提供输入信号。2负载信号的计算张力模拟信号发生器的结构如图3所示。其中最关键部分是模拟负载信号的计算。水下拖曳升沉补偿系统负载由拖缆、拖体的数学模型及相应的初始条件和边界条件决定。2.1．拖缆双侧面型假设拖缆是细长、柔性并始终处于张紧状态且仅在垂直面内进行二维运动,拖缆张力不干扰拖曳母船的运动,则拖缆模型可采用基于AblowandSchechter模型的动力学偏微分方程组描述:式中:m为未拉伸时单位长度拖缆质量,m1为未拉伸时单位长度拖缆质量与附加质量的和,w1为未拉伸时单位长度拖缆水中重量,e为拖缆刚度的倒数,D为未拉伸时拖缆横截面直径,ρ为海水密度,Ct为拖缆切向流体阻力系数,Cn为拖缆法向流体阻力系数。2.2．拖体力平衡方程假设拖体的拖曳点处于拖体重心处,拖体在垂直面内的运动为线性运动,忽略方程的二次项,并假设拖体无俯仰,则拖体的模型可用其力平衡方程描述:式中:为拖体受到的拖缆张力,为拖体在水中受到的重力和浮力之差,为拖体受到的阻尼力,为拖体受到的惯性力。2.3浮船升沉过程中的扩展波能谱和计算海拖曳母船匀速航行且无升沉运动时的拖缆张力和拖体深度为张力负载计算初始条件。水下拖曳升沉补偿系统拖缆首端和末端各有一个边界条件:(1)拖缆末端的速度与拖体重心速度相同;(2)拖缆首端的速度与拖曳母船的速度相同,其中拖曳母船的速度包括航行速度和升沉速度,航行速度由外界输入,升沉速度由海浪信号和航行速度计算得出。海浪信号波能谱采用P-M谱:式中:ω为波浪频率,H1/3为有义波高,H1/3=0.0214U2,U为海面上19.5m处的风速。采用线性叠加法将不同频率和随机初始相位的余弦波叠加为海浪时域信号,假设母船升沉运动位移与其所处的海浪相同,当母船以vx(t)的速度匀速直航时,可得母船升沉运动的位移为:式中:为第i个组成波的代表频率,εi为第i个组成波的随机初始相位。根据以上拖缆、拖体的数学模型及相应的初始条件和边界条件,利用有限差分法和牛顿迭代法便可计算出升沉补偿系统负载的理论值。3压泵站和系统水下拖曳升沉补偿系统负载变化频率较低,采用电液比例溢流阀控制液压马达实现负载模拟。液压加载系统的原理如图4所示,加载绞车由马达4驱动。马达4低压腔接高位油箱,避免马达4处于泵工况时产生吸油不足;高压控制腔接电液比例溢流阀3,调节电液比例溢流阀3的压力来控制马达4的两腔压差,从而控制加载绞车的输出张力。液压加载系统工作时,首先需根据初始负载对两绞车之间的缆绳进行预紧。3.1ks3阀口的弹簧刚度忽略瞬态液动力对阀芯的影响,先导式比例溢流阀比例电磁铁衔铁组件、先导阀阀芯和主阀阀芯的运动方程为:式(1)—(3)中:m1、m2、m3分别为衔铁组件、先导阀阀芯和主阀阀芯的质量;y1、y2、y3分别为衔铁组件、先导阀阀芯和主阀阀芯的位移;c1、c2、c3分别为对应于衔铁组件、先导阀阀芯和主阀阀芯的阻尼系数;ks为衔铁组件和先导阀阀芯之间的弹簧刚度;ks3为主阀弹簧的刚度;uin为比例溢流阀的输入电压;m为电压力增益;Ap、Aa分别为先导阀阀芯和主阀K阀芯的截面积;pc为先导阀阀芯前端处压力;ps为比例溢流阀的供油压力;Fp为作用于先导级阀芯的稳态液动力;Fs为作用于主阀阀芯的稳态液动力。先导阀阀口、主阀阀芯节流孔和主阀阀口处的流量方程为:式(4)—(6)中:qp,qi,qs分别为通过先导阀阀口、主阀节流孔和主阀阀口的流量;Cp,Ci,Cs分别为先导阀阀口、主阀节流孔和主阀阀口的流量系数;Wp,Ws分别为先导阀阀口和主阀阀口的等效面积梯度;α为常数,此处取0.5;p0为回油压力,ρ为液压油密度。先导级压力腔的建压方程为:式中:E为容腔等效的油液弹性模量;V为阀腔容积。马达4的流量连续性方程:式中:Q1为进入马达高压腔的流量;p1,p2分别为马达高压腔、低压腔的压力;θm为马达轴的转角;Dm为马达的理论排量;Cim为马达的内部和旁路泄漏系数;Cem为马达外部泄漏系数。马达4的力矩平衡方程为:式中:TL为缆绳张力力矩;J为负载模拟系统绞车、马达总惯量;Bm为粘性阻尼系数。3.2增张装置转速干扰仿真模型的主要参数选择如表1所示负载模拟加载系统跟踪张力负载模拟信号时,受升沉补偿系统绞车转速的干扰。升沉补偿系统绞车转速对负载模拟加载系统张力输出的影响可由图5看出。升沉补偿系统绞车转速如曲线2所示做正弦变化时,负载模拟加载系统对恒定张力参考曲线1的跟踪输出如曲线3所示。对比曲线1、3可知,转速干扰对负载模拟加载系统造成的张力输出误差不超过100N,仅为系统张力输出的1%;进一步仿真发现,绞车转速变化幅值越小,周期越大,则张力的输出误差越小,升沉补偿系统绞车转速在其工作范围内对负载模拟加载系统的张力输出影响不大。图6是负载模拟系统对张力正弦目标信号的跟踪曲线,从图中可看出,目标曲线和跟踪曲线十分接近,系统的幅值误差和滞后误差均很小,系统能够对升沉补偿系统的负载进行准确模拟。4不同海况下升沉补偿系统的模拟加载为了方便水下拖曳升沉补偿系统的试验研究,本文作者设计了一个水下拖曳升沉补偿负载模拟加载系统。负载模拟加载系统对升沉补偿系统在不同海况下的时变负载进行计算