﻿ ROV脐带缆水动力分析
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (18): 86-93    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.18.018 PDF
ROV脐带缆水动力分析

Hydrodynamic analysis of ROV umbilical cable
SHI Xing-hua, CAO Ben, QIAN Ji-qi, ZHOU You
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: This paper built a mothership-umbilical cable-ROV hydrodynamic model based on the hydrodynamic software Orcaflex to simulate the operation of the ROV under offshore sea conditions and explore the hydrodynamic characteristics of the umbilical cable under different motion modes. The RAO of the mother ship was obtained by the hydrodynamic software AQWA. Based on the RAO data, Orcaflex software was used to conduct hydrodynamic simulation, and a series of hydrodynamic responses, such as the effective tension, Strouhal frequency and cable displacement, were obtained. The results show that, when the ROV is in translational or rotational motion, the restraining force at both ends of the umbilical cable is periodic; In the cable length direction, the fluctuation of the tension curve corresponding to each flow direction is gentle, and the tension in the middle is small, while the tension at both ends is large; When the cable is used as the reference point, the relative velocity and Strouhal frequency of the fluid near the ROV and the mother ship are larger. The hydrodynamic results can provide effective guidance for the hydrodynamic analysis of the umbilical cable of a small ROV.
Key words: umbilical cord cable     mother ship     hydrodynamic     effective tension     rotational motion
0 引　言

1 ROV模型的建立

 图 1 简化的ROV三维模型 Fig. 1 Simplified ROV 3D model

2 模拟工况及环境参数

3 母船与脐带缆、ROV连接系统模型的建立 3.1 脐带缆主要参数

3.2 系统模型的建立

 图 2 母船局部截图 Fig. 2 Partial screenshots of the main ship

 图 3 系统模型示意图 Fig. 3 System model diagram

RAO是影响母船运动状态的决定性因素，母船状态是影响系统模型上部边界条件的决定性因素。浮体或船舶在海洋中作业的行为一般利用RAO进行求解。通常由CFD计算程序或水池试验提供船体RAO的相关数据，需要计算船舶在不同波浪条件下的运动情况。在OrcaFlex中，母船RAO的数据一旦确定，则其运动情况也就确定了。利用水动力软件AQWA计算不同频域下六自由度母船被动运动时的水动力系数，并结合OrcaFlex软件，最终确定母船的RAO数据。

4 计算结果

4.1 不同流向下脐带缆受到有效张力

 图 4 ROV前进、后退时各流向下脐带缆End A有效张力时历分布图 Fig. 4 The time history distribution of effective tension at the End A of the umbilical cable in each flow direction when the ROV advances and retracts

 图 5 ROV前进、后退时各流向下End B有效张力时历分布图 Fig. 5 The time history distribution of effective tension at the End B of the umbilical cable in each flow direction when the ROV advances and retracts

ROV在前进时，0°的流向角属于顺流，180°则是逆流。通过图4图5可以看出，所取的0°～180°这7个流向角，张力依次增加，且相邻流向角下的张力时历分布具有相同的形态特征，符合理论研究结果。而ROV在后退时，0°的流向则是逆流，反之，180°为顺流，所以在张力分布上，随着角度的增加，张力呈逐步减小的趋势。对比脐带缆A端受力的2张图可以发现，逆流时脐带缆受力的峰值约为顺流时峰值的4倍，而在B端，逆流时脐带缆受力峰值约为顺流时峰值的5倍。

ROV处于前进或后退运动状态，脐带缆在缆长方向的最大有效张力、最小有效张力和平均有效张力的变化情况如图6图7所示。可以看出，在流向不同的情况下，脐带缆在缆长方向的最大有效张力、最小有效张力和平均有效张力均呈现两端受力大，中部受力小的形态，虽各自有小幅度起伏，但是变化不大。这说明了脐带缆在ROV运动过程中受力比较均匀[13]。受力呈现两头大中部小的原因在于靠近母船一端由于受到母船运动状态以及浪、流等环境因素的影响，脐带缆会受到较大的牵制力，而靠近ROV的一端，由于ROV的运动，以及流等的影响，这部分的缆绳受力也将大于中间部分。对比图6图7，不难发现由于ROV运动方向相反，所以相同的流向下前进和后退时所受到流向的作用也是相反，ROV前进和后退流向角之和为180°的2条曲线呈现相似的形态。在ROV同一运动状态下，相邻流向角的有效张力也具有相似姿态。

 图 6 ROV前进时沿缆长方向脐带缆有效张力变化 Fig. 6 Effective tension of the umbilical cord varies along the length of the cable as the ROV adv

 图 7 ROV后退时沿缆长方向脐带缆有效张力变化 Fig. 7 Effective tension of the umbilical cable changes along the cable length when the ROV retracts
4.2 不同流向下脐带缆Strouhal频率的水动力分析

ROV处于前进运动状态或后退运动状态下，脐带缆在缆长方向的最大Strouhal频率、最小Strouhal频率和平均Strouhal频率的变化情况如图8图9所示。在脐带缆直径一定的情况下，Strouhal频率越大，脐带缆附近流体保持越快的速度运动，而物体做定常运动时这一参数的值为0，不予考虑。对比平均值2张图可以看出，Strouhal频率从顺流至逆流呈增长趋势。对比8(b)与9(b)，8(c)与9(c)可以发现，在靠近母船处脐带缆的Strouhal频率有明显增大的趋势，特别是在1～7 m处也就是水面至母船船底的脐带缆部分，Strouhal频率出现激增，并且达到峰值时的缆长从逆流至顺流依次增加。原因在于靠近母船处，母船的运动会带动脐带缆的运动，使得靠近船体部分特别是母船底部的流体流速明显大于其他部位。

 图 8 ROV前进时沿缆长方向Strouhal频率变化 Fig. 8 Strouhal frequency changes along the cable length as the ROV advances

 图 9 ROV后退时沿缆长方向Strouhal频率变化 Fig. 9 Strouhal frequency changes along the cable length when the ROV retracts
4.3 ROV回转运动时脐带缆水动力分析

 图 10 不同旋转半径下脐带缆End A与End B应力变化曲线 Fig. 10 Stress change curves of umbilical cord cable End A and End B under different radii

ROV在旋转过程中，脐带缆中点的运动轨迹在一定程度上可以反映出整条脐带缆的运动状态。图11为ROV在不同旋转半径下，脐带缆中点xy方向的运动轨迹图。对比x方向轨迹时历图可以发现，曲线呈周期变化，周期大致为ROV在其旋转半径下旋转一周的时间，幅值为ROV旋转的直径。随着旋转半径的增加，速度缓冲区对x方向位移的影响逐步减小。值得注意的是，若把ROV旋转构成的圆分为四等分，则脐带缆中点能达到最大偏差与恢复到起始位置所花的时间也被分成了4部分，但是每部分所花时间在逐渐减小。以r=4 m，第2圈顺时针运动为例，4个时间分别为5.7 s，4.7 s，4 s，2.1 s。对比x方向曲线还可以看出，在ROV旋转时，经过1个周期，脐带缆中点x方向可以比较及时回到初始位置，并进行下一周期的运动。从图11可看出，y方向的轨迹也呈现周期性，并且随着旋转半径的增加，周期性更加突出。y方向曲线整体呈现下降趋势，即脐带缆中点在y方向上逐渐偏离初始位置，不同于x方向快速回到初始位置，在旋转半径为1 m，2 m，4 m时，y方向同周期内回升的幅度分别仅有下降幅度的约10%，33%和40%。在各半径的速度缓冲区内，y曲线均有大幅度回升。

 图 11 不同旋转半径下脐带缆中点x方向、y方向轨迹图 Fig. 11 Trajectories in x direction and y direction of midpoint of umbilical cord under different radii

 图 12 不同旋转半径下脐带缆中点轨迹图 Fig. 12 Track diagram of midpoint of umbilical cord under different rotation radii
5 结　语

1)不同流向下，ROV前进、后退时，脐带缆End A与End B两端受力随时间呈现周期性变化，周期大致为波浪的周期，End A端张力略大于End B端，且顺流至逆流有效张力依次增大，相邻流向角下张力曲线呈现相似的形态。沿缆长方向，不同流向下，张力曲线较为平缓，由于母船和ROV运动的影响，呈现两头大中间小的形态。有效张力远小于脐带缆的许用应力，满足工程要求。

2)由于母船和ROV运动的影响，在靠近母船和ROV运动部分的流体相对于缆绳运动速度较大，进而Strouhal频率较大。而接近缆绳底部，由于ROV运动属于定常运动，Strouhal频率大大降低，不过也有一定程度的回升。

3)在ROV旋转过程中，脐带缆两端张力也呈现周期性变化，周期约为旋转周期，在ROV启动旋转瞬间，由于运动方向及运动速度的不稳定，流体相对于脐带缆作用力的方向及大小也会出现波动，导致开始的一小段时间张力大小出现了震荡，不过最大张力依然远小于最大许用应力，满足实验要求。

4) ROV在旋转时，由于流向的设定，脐带缆中点x方向能较快回到初始位置。而y方向，由于相较于x方向受到的阻力明显增大，导致在y方向有不断偏移的趋势。这从侧面反映出该工况下整条脐带缆随着ROV的旋转有被拉伸的趋势。

 [1] 王海龙, 张奇峰, 崔雨晨, 等. 深海遥控无人潜水器脐带缆动态特性及张力抑制方法[J]. 南京理工大学学报, 2021, 45(1): 105-115. DOI:10.14177/j.cnki.32-1397n.2021.45.01.013 [2] 冯现洪, 魏行超, 王文亮. 深水悬链线式脐带缆总体动力响应特性研究[J]. 海洋工程, 2014, 32(3): 22-27. DOI:10.16483/j.issn.1005-9865.2014.03.004 [3] 张大朋, 白勇, 朱克强. 不同模式下拖缆对水下拖体运动姿态的影响研究[J]. 船舶力学, 2018, 22(8): 967-976. DOI:10.3969/j.issn.1007-7294.2018.08.006 [4] 李泯, 孙新蕾, 黄刚. 水下脐带缆水动力性能分析[J]. 中国水运, 2017(11): 44-46. DOI:10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.11.015 [5] WADI A, LEE J H, MUKHOPADHYAY S . Modeling and system identification of an autonomous underwater vehicle[C]// International Symposium on Mechatronics & Its Applications. IEEE, 2018. [6] ENG Y H, CHINC S, LAU W S. Added mass computation for control of an open-frame remotely-operated vehicle: application using Wamit and Matlab[J]. Journal of Marine Science and Technology, 2014, 22(4): 405-416. [7] 王劭文, 隋国荣. 海底脐带缆系统软件的设计与分析[J]. 软件工程, 2020, 23(10): 42-45. DOI:10.19644/j.cnki.issn2096-1472.2020.10.012 [8] 吴杰, 王志东, 凌宏杰, 等. 深海作业型带缆水下机器人关键技术综述[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2020, 34(4): 1-12. [9] 郑利军, 邓小康, 毛英超, 等. 深水脐带缆构型选型设计[J]. 船舶工程, 2020, 42(S1): 442-444+456. DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2020.S1.101 [10] 平伟. 基于万米级ROV脐带缆的超高压光纤衰减性能试验研究[J]. 数字通信世界, 2020(6): 102-103+105. DOI:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2020.06.054 [11] 平伟. 基于ROV脐带缆的高压光纤测试平台设计与实现[J]. 通信电源技术, 2020, 37(4): 111-113. DOI:10.19399/j.cnki.tpt.2020.04.044 [12] 李博, 葛斐, 郭宏, 等. 基于仿真试验样本特征的脐带缆泄漏检测与定位方法[J]. 中国海上油气, 2019, 31(6): 148-153. [13] 阎军, 胡海涛, 尹原超, 等. 海洋柔性管缆结构的试验测试技术[J]. 海洋工程装备与技术, 2019, 6(6): 750-757. [14] 张克超, 郭海燕, 赵伟, 等. 海洋脐带缆截面力学性能分析与数值模拟[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2019, 49(S1): 128-134. DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20170346 [15] 罗凌波, 涂绍平, 朱迎谷. 深海工作级液压ROV系统供电设计研究[J]. 电子世界, 2019(12): 11-13. DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2019.12.003