0 引　言

无人遥控水下机器人（Remotely-Operated Vehicle，ROV）作为开展精细作业、深远海地质、矿物资源和生物调查研究、海洋探查和资源开发利用不可或缺的装备，已经被越来越多的海洋研究机构关注。海洋综合科学考察船运载ROV组成支撑国家海洋强国发展战略的科考平台，可满足我国深海资源调查、海洋科学研究、深海极端环境和生命过程观测、海洋环境监测等海洋科学基础研究和高新技术研发等方面需求^{[1 − 5]}。因此，自然资源部第一海洋研究所为其“向阳红01”科考船购置一台科考型ROV，命名为“开拓者”。

“开拓者”ROV属于船载非固定安装设备，执行航次时安装在船，其余时间存储在岸基保障平台维护保养。“向阳红01”船运载“开拓者”ROV执行航次时既要满足海上科考作业安全性要求又要满足安装、调试、拆卸等效率要求，还要满足航次中其他科考设备同时作业要求。如何设计运载方案满足需求成为亟需解决的技术难题。针对上述难题，本文开展ROV船载方案设计与应用研究，形成横向布局、舷侧布放回收、分段式转接安装的技术方案，以期为我国同级别科考船安装ROV提供参考。

1 设备介绍

“向阳红01”船是我国目前最先进的新一代全球级现代化海洋综合科学考察船之一，船舶为无限航区、电力推进，集多学科、多功能、多技术手段为一体的海洋科学基础研究和高新技术研发的海上移动实验室和实验平台。“向阳红01”船作业甲板（见图1）为钢制加强型甲板，位于“向阳红01”船尾部，面积约498 m²。“开拓者”ROV是一台4000 m级、150马力、液压驱动、单点直拉吊放、双七功能机械手和多种探测取样工具科考型工作级无人缆控潜水器，具备技术先进、性能优良、传感器配置丰富等优点，其包括水下主体、布放回收系统、水面控制系统、甲板辅助系统四部分（见表1）。

2 船载方案设计 2.1 设计原则

“开拓者”ROV船载方案设计应遵循以下原则：

1）有利于安全高效安装、拆卸、使用与维护；

2）安装结构应具有足够的强度和刚度，以保证布放回收、水下巡航、取样、甲板系固的安全性;

3）具备良好的甲板布局形式，不妨碍其他海洋调查设备安装、拆卸、使用与维护;

4）在满足各项性能的情况下，尽量使用已有紧固件、减少甲板焊接，降低动复原时间成本。

2.2 布局方案

“开拓者”ROV水下部分布放回收出入水时的位置既要远离船舶螺旋桨推进系统降低作业风险，又要靠近船舶重心使其在布放回收时受到船舶的扰动降至最低。作业甲板右舷侧30 m重力活塞取样器及长托架翻转机构无法拆卸，所以选择左舷侧可拆卸舷墙处作为“开拓者”ROV水下主体布放回收进出作业甲板位置。尾部A型架区域又可布放回收AUV、电视抓斗、重力取样器等科考设备。根据2.1所述设计原则，结合“开拓者”ROV重量、体积、作业空间以及“向阳红01”船工况条件，“开拓者”ROV设计为横向布局（见图2），方案如下：

1）布放回收系统

A型架横向安装科考设备区，底座前端与左舷侧可拆卸舷墙外侧平齐；收放绞车安装于A型架正后方；中央泵站布置“向阳红01”船作业甲板右舷侧前端，收放绞车与中央泵站之间预留通往后甲板通道；收放控制台安装在A型架右侧前端。

2）水面控制及甲板辅助系统

水面控制系统纵向布置在A型架左侧、“向阳红01”船作业甲板左舷侧。工具间安装在中央泵站后面；调试泵站安装在A型架右侧、收放控制台后侧。

3）水下主体

水下主体放置于A型架正中，收放绞车铠装缆穿过A型架导接头与水下主体相连。

2.3 安装方案

由于“向阳红01”船作业甲板预留的安装孔位、螺栓位置与“开拓者”ROV安装孔位并不完全重合，因此需要设计转接基座用于安装。“向阳红01”船作业甲板受到多种因素影响产生应力变形，大尺寸、刚性转接基座无法满足水平度要求，最终设计分段式转接基座（见图3）。转接基座包括5部分，第1部分安装水面控制系统；第2部分前端安装A型架、后端安装收放绞车；第3部分安装调试泵站和收放控制台；第4部分为加强横梁；第5部分左侧安装工具间、右侧安装中央泵站；第1~4部分通过螺栓连接，第5部分为3组独立横梁。执行航次时转接基座上端面安装“开拓者”ROV（见图4），下端面连接作业甲板预留安装孔位、螺栓。

3 安全性分析 3.1 载荷工况

“开拓者”ROV在航次中会有多种工作状态，转接基座强度和刚度成为影响船载安全主要因素，本文选择以下载荷工况对转接基座进行安全性分析^{[6 − 9]}：

1）码头测试阶段，转接基座结构强度满足码头系泊实验载荷要求。

2）航次执行阶段，转接基座结构强度满足5级海况下布放回收、全部铠装缆下放后巡航载荷要求。

3）航次航渡阶段，转接基座结构强度满足甲板固定时整套系统随着工作母船摇晃产生的动载荷。

第1种载荷工况：根据《GBT 39184-2020 ROV收放装置_脐带绞车安装与调试规程》^[10]要求，系泊实验由收放绞车、A型架、导接头止荡器完成。系泊实验分为静态载荷实验和动态载荷实验两部分，静态载荷实验是将等同于水下主体在空气中重量的配重块悬挂在脐带缆端部，保持悬挂时间30 min，转接基座承受载荷为系统自重以及A型架处于工作状态下配重块产生的扭矩；动态载荷实验是将等同于水下主体在空气中重量的配重块悬挂在脐带缆端部，按照设计速度下放和回收配重块各3次，转接基座承受载荷为系统自重以及A型架处于工作状态下配重块运动产生的扭矩。

第2种载荷工况：包含5级海况下布放回收和全部铠装缆下放后巡航2种工作状态。第1种工作状态：A型架摆动到外侧工作状态，收放绞车处于低速工作状态，转接基座既有系统自重产生的静载荷，又包含“开拓者”ROV水下部分运动产生的扭矩。其与第1种载荷工况动态载荷实验类似，但是还要考虑水下部分穿越水汽界面时包络水、附连水以及海流、波浪、船舶晃动、风载荷等多种因素形成的动载效应，为此引入动载系数，将基本载荷乘以动载系数，将其作为转接基座在载荷工况2下第1种工作状态的校准载荷；此外从基座焊接加工工艺、材料性能和缺陷、强度计算方法的不确定度等用安全系数进行考虑。参考《船舶与海上设施起重设备规范》^[11]等资料，将“开拓者”ROV转接底座的动载系数选为2，安全系数选为1.5。第2种工作状态：A型架摆动到外侧工作状态，收放绞车处于高速工作状态，转接基座既有A型架、收放绞车、水面控制系统自重产生的静载荷，又包含“开拓者”ROV水下部分和脐带缆水中重量产生的扭矩；此外还要考虑脐带缆对水下主体拖拽力、船舶晃动等多种因素形成的动载效应，为此选取动载系数为2，选取安全系数选为1.5。

第3种载荷工况：A型架摆动到航渡状态，“开拓者”ROV水下主体系固在A型架中部，此时“开拓者”ROV系统自重为基本载荷。此时“开拓者”ROV受到母船运动影响，考虑运动效应,载荷分析是取垂向加速度2g，横向加速度0.5g，纵向加速度0.5g，安全系数为1.5。

对于上述载荷工况，第2种载荷工况的第2工作状态以及第3种载荷工况复杂超过其他载荷工况，选择第2种载荷工况第2种工作状态和第3种载荷工况进行校核分析。

3.2 校核分析 3.2.1 有限元模型建立

转接基座选择Q355B钢板焊接而成，Q355B密度为7850 kg/m³，弹性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服强度355 MPa，抗拉强度450 MPa。为降低模型分析复杂度，本文对模型进行简化，去掉了倒角。第1~4部分之间连接视为刚性连接、焊缝间隙用挤压板填充。边界条件的处理：在所有工况条件下，地脚螺栓孔处采用圆柱形支撑约束。

3.2.2 强度校准准则

根据《船舶与海上设施起重设备规范》^[11]，在起重机基座有关章节中的有关规定，基座的许用应力[σ]计算式为：

$\left[\sigma\right]\text{ = }\frac{\sigma_s}{\beta\cdot n}\ 。$

(1)

式中：σ_s为钢材屈服强度，Q355B材料的屈服强度为355 MPa；β为系数，根据钢材屈强比（屈服强度/抗拉强度），β取为1.084；n为安全系数，按上节分析，取1.5。

转接基座许用应力$\left[ \sigma \right] = 218\ {\rm{MPa}}$。

因此，3种载荷工况下转接基座设计载荷及许用应力如表2所示。

3.2.3 有限元计算

根据第四强度理论，转接基座的最大等效应力不应超过设计的许用应力。

第2种载荷工况第2种工作状态，转接基座的等效应力云图和位移云图如图5所示，其最大等效应力值为207 MPa，位于A型架最外侧底部位置；最大位移3.5 mm，位于A型架底部基座中间位置。该工况下转接基座最大等效应力未超过设计的许用应力，其结构强度、刚度满足要求。

第3种载荷工况工作状态，转接基座的等效应力云图和位移云图如图6所示，其最大等效应力值为164 MPa，位于收放绞车位置；最大位移为1.2 mm，位于收放绞车外侧。该工况下转接基座最大等效应力远小于超过设计的许用应力，其结构强度、刚度亦满足要求。

4 应用测试

“开拓者”ROV船载安装应用测试包含码头测试和海上测试2项^{[12 − 14]}，海上测试必须在码头测试合格后进行。码头测试包括安装调试和系泊实验两项工作，安装调试用于检验船载设计方案是否满足布局合理性、时效性要求，系泊实验用于检验船载安装是否满足第1种载荷工况的安全性要求。海上测试检验船载安装方案是否满足第2种、第3种载荷载荷工况的安全性要求。

4.1 码头测试

1）安装调试

依照船载设计方案“向阳红01”海洋综合科学考察船历时4天在深圳市招商港务码头完成“开拓者”ROV系统安装和调试。并在CCS深圳分公司技术人员见证下完成第1种载荷工况所述系泊实验。

码头测试结果表明“开拓者”ROV船载安装方案布局合理性、时效性、结构强度和刚度满足第1种载荷工况要求，具备开展海上测试条件。

4.2 海上测试

“向阳红01”船搭载“开拓者”ROV在南海冷泉海域执行深海科考型遥控无人潜水器及取样工具海试与冷泉调查综合航次，海上测试共完成10个潜次。在最大潜深3780 m站位完成第2种载荷工况安全性测试，在航渡过程中完成第3种载荷工况安全性测试。该航次中还进行了艉部重力柱取样、箱式取样，证明“开拓者”ROV横向布局、左舷布放回收的方式不影响其他海洋调查设备安装、拆卸、使用与维护。

应用测试结果表明“开拓者”ROV船载方案设计既能满足度第1种、第2种、第3种载荷工况要求的结构强度和刚度，又能进行其他海洋科考作业。

5 结　语

本文综合分析“开拓者”ROV和“向阳红01”船工况，提出了ROV船载方案的基本设计原则，最终形成横向布局、舷侧布放回收、分段式转接安装的技术方案，通过有限元分析、码头测试、海上测试证明方案的有效性、安全性、高效性，同时为我国同级别海洋综合科学考察船船载安装科考型ROV提供参考。