水下清洗载具的结构设计与模态分析

陈彦臻，胡以怀，袁春旺，李 凯，曾 存

（上海海事大学 商船学院，上海 201306）

0 引言

水下结构物长期与海水接触，往往会被大量的污损生物附着。该附着规模大、粘附力强，并会不断地积累侵蚀，从而破坏物体表面防腐涂层、缩短其使用寿命、增加维护成本[1]。污损是一直困扰海洋结构安全性和经济性的严重问题。目前，水下作业大多由潜水员来完成，但是由于水下环境复杂、作业强度大，人工平均每天仅能作业 4小时，效率不高，安全性也很难得到保障。所以，研究可代替人工的水下特种作业载具很有必要[2]。水下载具需要有可靠的结构强度和灵活的移动性能，以保证作业的顺利完成。载具结构框架的设计直接决定了其形状、大小以及水动力特性。框架既要搭载内部的二级控制箱、推进螺旋桨、作业工具和相关的辅助配件，还要抵抗外部海浪涌流的疲劳载荷和目标壁面的碰撞作用，保护内部设备不被损坏。因此，合适的框架结构应能获得好的水下航行性能，还应具有较强的抗压、抗弯和抗扭矩能力，减少应力集中。在工作、运动过程中，框架的某一阶固有频率与推进器或者海浪涌流的频率相吻合，就会发生共振，产生强烈的噪声。这不仅会使结构产生大幅度的形变，引发振动，还会影响搭载设备的正常运行。为避免上述一系列问题的发生，对框架进行振动特性的研究就尤为重要。

本文根据现有的一种水下清洗运行方法[3]，设计出相应的结构方案。考虑推进器推进力、高压水射流反冲力、中部位置搭载的各种负载重力和浮体材料浮力的作用，进行静力学仿真分析，并对初始结构进行优化。通过模态分析，得出了前六阶的振型，避开了共振频率区域，也验证了优化结构的可靠性，为后续开发提供基础。

1 总体设计方案

本文研究的水下清洗载具主要由吸附机构、移动装置、本体框架、清洗单元、浮体单元、驱动单元、控制模块、照明与视频单元等部分组成，如图1所示。整个载具模型的尺寸为：1 000×800×700（mm×mm×mm）。

由于本文框架的主要结构为立柱，而方管具有抗压能力高、抗扭矩能力强、质量轻的特性，能够很好地满足要求，所以框架受力主体采用方管材料。框架材质为常用的Q235A，符合GB/T 700—2006标准，其有韧性并且可塑性强，有一定的伸长率，具有良好的焊接性能和热加工性。材料参数如表1所示。

图1 水下载具整体结构布置图

表1 Q235A的基本参数

2 框架结构静力学分析

本文模拟水下载具工作时吸附在壁面上的实际受力情况，并对模型进行简化，将负载重力和螺旋桨推力简化为作用力施加在相应部位。该工况下作用力如表2所示。

表2 模拟工况下的作用力

根据图2中a）和b）的计算结果可以看出：在该模拟工况下，整个结构的最大应力集中在4个支撑脚，上下固定浮体的长框架上的应力几乎为零。等效应变对应于等效应力，最大值同样出现在 4条支撑腿处。由图2c）、图2d）、图2e）和图2f）4张变形云图可以看出：变形最大的部位为远离4条支撑腿的外部框架；在X轴方向，框架下部固定浮体材料部位的变形最为严重；在Y轴方向，整个框架基本没有变形，最大变形出现在前进螺旋桨推进器固定处；在Z轴方向，外层框架变形尤为明显，变形最大处与X轴变形最大处相似，都出现在下部固定浮体框架处。

图2 框架优化前仿真结果

由于支撑受力点为 4个支撑腿，它们位于框架的中部，导致上下固定浮体的部位产生变形。且上下固定浮体部位受到的应力很小，对整个框架的结构强度影响也很小。考虑水动力性能和续航能力，该部位可以去掉优化。对于应力集中的 4个支撑腿，可以考虑将原来的20×20（mm×mm）方管调整为用在框架主体的30×30（mm×mm）方管。优化后模型如图3所示。

图3 优化后水下载具整体结构布置图

3 框架结构优化及模态分析

3.1 框架结构强度分析

使用相同的方法分析该模拟工况下优化后的框架结构强度，结果如图 4所示。优化前、后的结果对比如图5所示。

图4 框架优化后分析云图

图5 框架优化前、后结果对比图

由图 5可知：优化后的框架所受最大等效应力为5.145 1 MPa，未优化时框架所受的最大等效应力为10.738 MPa，前者较后者降低了 52%；最大等效应变由未优化前的 5.424 2×10-5降低至优化后的2.922 4×10-5，减小了46%；最大总变形由未优化前的0.082 548 mm降低至优化后的0.028 853 mm，降低了65%。对比X、Y、Z轴各个方向的变形云图，优化后的结果比优化前的结果都降低近乎一半之多，优化效果非常显著。

3.2 强度结构分析验证

根据国家《钢结构设计规范》和《潜水系统和潜水器入级与建造规范》的规定，钢结构应力应满足

由上文可知：σ=5.145 1 MPa，0.6σs=0.6×235 MPa=141 MPa，符合要求。

而根据结构变形的规定“框架结构在荷载作用下的顶点位移与总高度之比要≤1/500”，优化后模型的该项数据为0.028 853 mm/300 mm，满足规定。

3.3 框架模态分析

为了在避免水下环境中作业时，框架与推进器和海浪涌流产生共振，对优化后的框架进行预应力模态分析，研究框架的振形和固有频率。模态分析中，低阶模态对结构的振动影响较大，低阶振型对结构的动态特性起决定性作用[4]，所以只取前六阶模态来分析其频率和振型，固有频率如表3所示。

表3 前六阶固有频率和最大位移

前六阶模态分析结果如图 6所示，模态变形主要有上下振动变形和前后扭振变形。一阶模态变形为框架整体以X轴对称的向下变形；二阶模态振型出现了沿Y轴的扭转变形；三阶模态振型为框架两端的弯曲振动变形；四阶模态振型中出现了Z方向“凹”形的严重弯曲，表现为框架中间远离壁面横梁的上下振动；五阶模态振型也以X轴对称发生中“凸”变形，比一阶中的变形更为明显，且框架两端与中部出现上下弯曲振动；六阶模态中出现了大面积的严重扭转振动，形成了波浪状变形。由此可看出：后三阶的变形特别严重，且该框架的前六阶振型中最大位移均较相近，变形主要发生在远离壁面端的横梁部位。

图6 优化后框架前六阶模态振型

3.4 结果验证

查阅文献[5]得知中国海域及西太平洋海浪的平均周期Tz=5.40 s～10.71 s，海浪频率计算公式为

计算得到中国海域及西太平洋海域海浪频率长期观察平均值为0.093 4 Hz～0.185 2 Hz，框架固有频率远大于海浪频率，所以不会与海浪发生共振。

4 结论

1）优化后，等效应力、等效应变和最大变形都显著地降低了，说明优化后的载体框架确实在结构强度上有了很大的提高。同时，优化后的框架在体积和重量上都有很大降低。但对整个结构而言，还有一些局部存在很大的优化空间，仍需进行改进。

2）在该模拟工况下的模态分析中，优化后框架的结构应力和变形均满足国家相关规定，并且其前六阶固有频率都远高于海浪的平均值，因此该框架结构设计基本满足水下作业要求。