0 引　言

随着海洋强国战略的推进，海洋工程领域越发重要。在海洋作业项目中，海底线缆的铺设是至关重要的环节，其广泛应用于通信和电力传输等领域。随着深海资源的不断开发，大型海洋平台也依赖于电力运作，而海底线缆作为连接电力和通信网络的纽带，其重要性愈发凸显。随着我国5G通信业务的不断拓展，海底通信线缆的需求也呈现增长趋势。在这样的背景下，海底线缆铺设作业也逐渐增多。

海底电缆埋设系统可以分为拖曳式和自行式两类。前者在工作母船的牵引下进行作业，后者具备航行或爬行功能。根据挖沟方式的不同，海底电缆埋设系统可以分为喷冲式、链轮式、犁式等^[1]。在海底电缆的铺设过程中，其依赖于埋设机进行铺设工作。埋设机首先通过机械手将海缆提升至一定高度，随后利用挖沟设备进行海床的开挖，最后进行海缆的放置和埋设^[1]。国内对埋缆系统的研究始于20世纪末，上海交通大学针对胜利油田地质情况设计了一种喷冲式埋缆系统，经改造后可以针对不同埋深要求进行作业。上海打捞局针对渤海海域线缆及管道等铺设需求，设计并制造了一种同时具有埋缆及埋管功能的缆铺设机构，极大提高了设备利用率^[2]。黄埔文冲集团认识到了海底线缆铺设应用前景，并成功交付了国内首艘挖沟船。该船由中国船舶集团设计，可与各种海底线缆铺设装置进行配合作业。

线缆铺设机构有线缆载重要求，同时又具有横移移动、旋转运动等工作需求，并且设计要求还应具有一定稳定性及可靠性，为了满足设计要求提出了一种可用于海底线缆铺设的A型架结构。该结构底部采用A型架以保证整体结构的稳定，配重机构用于搭载所需铺设的线缆，内外花键机构用于整体结构工作角度的改变，翻展板机构用于辅助作业。整个机构在工作过程中需要保持固定状态，否则会对线缆铺设造成一定影响。因此，建立三维模型，并使用有限元分析方法进行力学仿真分析，以模拟在线缆铺设过程中的变形和应力等变化规律。

1 结构设计方案 1.1 设计要求

线缆铺设结构必须能够承受线缆的重量，包括线缆本身的重量以及可能施加在线缆上的外部载荷。机构的结构设计和材料选择应能满足线缆的载重要求，并确保机构在工作过程中不会发生变形或破坏。各机构在各种工作条件下都必须保持稳定。A型架在工作过程中根据工作状况涉及到旋转、横移等工作，且机构的设计应考虑到海底地形、海流、风浪等外部环境因素对机构稳定性的影响，A型架应具有一定稳定性及可靠性^{[3 − 4]}。

1.2 结构方案及设计参数

基于海底线缆铺设需求，给出A型架总体设计主要参数如表1所示。A型架结构由A型架、内外花键、止荡机构、配重及翻转板机构所组成，该系统在工作时由上述机构依次运动至预设工作位置后固定。A型架机构主要作用为辅助埋缆机进行海底电缆铺设^{[5 − 6]}，将埋缆机装于船上，将所铺设线缆穿过配重机构后进行相应作业。图1为该机构在某工况工作时示意图。

A型架由液压机构控制底部与船体所设立基座相连，其位置如图2所示。A型架的运动由液压机构控制，液压机构伸缩运动带动A型架进行旋转运动，A型架顶部与内外花键及止荡机构相连接。其中A型架底部与基座相连，顶部与内外花键及止荡机构相连接，A型架旋转运动时也带动内外花键及止荡机构一同运动。

在内花键设置时，考虑到内花键与外花键配合及吊桶机构旋转，因此采用双内花键机构设置，其中与吊桶相连的内花键可以随吊桶旋转，与A型架相连的内花键与A型架固定，为旋转作业的内花键提供目视旋转角度参考，其位置如图2所示。在A型架旋转至预设工作角度并固定后，与外花键相连接的液压机构工作使得内外花键脱开，此时与吊桶相连的内花键旋转工作至预设角度后，由液压机构控制外花键移动并使其与内花键固定卡死。

止荡机构安装于A型架上，其位置如图2顶部机构所示。其可随A型架一同做旋转运动，止荡机构由其所安装的液压机构进行固定操作，并带动配重固定，其可有效阻止配重及其所连机构在海上作业时产生左右横移。止荡机构不仅可以控制运动，也可以在埋缆作业时控制机构不进行滑移等非固定操作。

配重机构可视为一定滑轮，将线缆悬挂于其上，保持线缆与配重作用力垂直于海平面。在A型架整体机构中，在埋缆作业中该机构作为直接受力部件，为此该机构直接相连的部件也应着重分析受力变形等数据，配重机构如图3所示。

翻展板与配重相连接，由液压机构控制其旋转，主要用于线缆悬挂辅助作用，但主要线缆主要作用力施加于配重机构，翻展板仅作辅助配重机构作用，其位置如图3。翻展板机构在其他机构均到达预设工作位置后，依次由其所连接的液压机构进行旋转工作，到达预设工作位置后进行固定。

1.3 设计与分析理论 1.3.1 MISES等效应力计算

由于在载荷作用下，A型架整体机构必然受到一定应力作用，在工作过程中，材料在外力作用下可能产生塑性变形，产生以流动形式破坏，因此采用MISES等效应力计算模型^{[7 − 8]}。该模型采用了Von.Mises屈服准则进行运算，MISES等效应力概述图如图4所示。

${Se=}\sqrt{\frac{{\text{(}{a}_{1}-{a}_{\text{2}}\text{)}}^{\text{2}}\text+{\text{(}{a}_{\text{2}}-{a}_{\text{3}}\text{)}}^{\text{2}}+{\text{(}{a}_{\text{3}}-{a}_{\text{1}}\text{)}}^{\text{2}}}{\text{2}}} ，$

(1)

式中：${a}_{1}{、a}_{2}、{a}_{3}$分别指第一、二、三主应力；Se为等效应力。

1.3.2 振动分析理论

A型架的振动特性直接影响到其稳定性及可靠性，使用模态分析对其振动特性进行评估。在模态分析中，计算固有频率的公式是通过求解结构的特征值问题得到的。特征值问题可表示为以下形式。

固有频率计算方程为：

$[\boldsymbol K]\left\{X\right\}=\omega^{\text{2}}[\boldsymbol M]\left\{ \boldsymbol X\right\} 。$

(2)

式中：K为结构的刚度矩阵；M为结构的质量矩阵；X为振动模态的位移向量；$\omega$为固有频率的角频率。

有效质量计算方程为：

${{M}}_{{eff,i}}=\dfrac{{{{\gamma}}_{{i}}}^{{2}}}{{\left\{{\varphi}\right\}}_{{i}}^{{T}}\left[{\boldsymbol M}\right]\left\{{\varphi}\right\}} ，$

(3)

参与系数计算方程为：

${{\gamma}}_{{i}}={\left\{{\varphi}\right\}}_{{i}}^{{T}}\left[{\boldsymbol M}\right]\left\{{\boldsymbol D}\right\}。$

(4)

式中：M为结构质量矩阵；${\varphi}$为模态位移向量；D为外部激励向量。

2 仿真分析 2.1 仿真模型

通过Solidworks建立其模型，并通过Ansys进行有限元分析，在分析中由于结构底部与船体相连，因此忽略底板部件。由于在埋缆过程中A型架所有机构应处于固定状态，故在部件连接方式选择时采用Body-Body的固定连接方式。

在有限元分析中采用笛卡尔坐标系，X轴方向为船舷方向，Y轴方向为平行于船体指向船身方向，Z轴方向为海平面及船体方向。由于该结构部件较多且结构复杂，因此仿真计算较为困难。为了提高该模型计算效率，在仿真处理时对所提出的模型进行简化，例如将模型与船体连接部分进行合并^[9]。

2.1.1 模型设置

考虑到A型架结构为一大型机械结构，其在工作状态下结构可能会发生变形，因此在材料选择时选择结AH36高强钢作为模型材料。AH36高强钢的具体参数如表2所示。

在有限元模型设置时，考虑到结构稳定等因素，为此采用了SOLID186单元来建立A型架的三维模型。SOLID186是一种三维固体单元，该单元具有20个节点，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度，可适应各种复杂几何形状及不同材料性质的模拟。

2.1.2 网格设置

有限元模型中网格的设置是有限元求解前的重要步骤，网格划分的质量直接影响到有限元求解的结果。为了得到较为真实的仿真结果，本文在有限元网格划分时采用了映射单元法和扫描法，采取这2种网格划分方法可以保证最大计算精度的同时节省计算时间。网格划分后的A型架整体模型如图5所示。

2.2 结果与讨论 2.2.1 仿真工况

计算中仅考虑施加线缆于配重机构，为了简化受力分析，仅考虑3种A型架工作角度对机构受力带来的影响，其余机构均处于初始工作位置，为此选取2种极端工况及一种随机工况进行计算分析^{[10 − 11]}。A型架机构工作角度及工况如图6和表3所示。

2.2.2 变形影响分析

1）应力场分布

图7为不同工作角度下应力场分布云图及最大等效应力随时间变化图，可以看出，当工作角度为70°时最大等效应力为22.08 MPa，当工作角度为54°时最大等效应力为17.28 MPa，当工作角度为25°时最大等效应力为4.13 MPa。随工作角度与时间的变化最大等效应力数值与位置也在不断发生变化，且最大等效应力数值与变化周期随工作角度增大而增大，当工作角度最大时最大等效应力发生点位于内外花键液压件上，当处于随机工作角度与最小工作角度时，最大等效应力发生点均位于A型架中间位置。这是因为随着工作角度的缩小，机构重心随之上移，且机构对船体的横向力也在逐渐缩小，等效应力从内外花键机构向A型架机构扩展。

2）机构变形分析

采用不同工况进行分析，并将线缆铺设作业作为边界条件施加于配重机构上以期获得工作过程中机构变形特征，其结果如图8所示。总变形随时间呈周期变化，且总变形数值与变化周期随工作角度增大而增大。可以看出，最大总变形均发生在翻展板机构及配重机构，工作角度为70°时机构的最大变形量为3.11 mm，工作角度为54°机构的最大变形量为2.11 mm，工作角度为25°时机构的最大变形量为0.60 mm，且变形量均满足结构使用要求。

2.2.3 不同工况下振动模态分析

1）工况1

工况1的模态分析结果如图9所示，由图可知，此时A型架机构的前六阶固有频率分别为4.13、6.88、16.25、33.51、33.62、36.17 Hz，机构固有频率随模态阶数增加，且前六阶总变形均在设计许可范围内，因此可以认为本结构具有一定稳定性，然而工况1为机构处于最大工作角度时的工作状态，此时可能对船身稳定造成一定影响，因此在线缆铺设作业时，应尽量避免采用此极端工况。

2）工况2

工况2的模态分析结果如图10所示，由图可知，此时A型架机构的前六阶固有频率分别为2.71、6.77、15.01、33.45、33.49、36.17 Hz，此时对比工况1的固有频率略有所下降，且前六阶模态变形均产生在配重机构、A型架机构及翻展板机构上，因此在后续工作时应着重对此进行加强作业。

3）工况3

工况3的模态分析结果如图11所示，由图可知，此时A型架机构的前六阶固有频率分别为7.38、9.27、36.16、42.80、69.43、71.52 Hz，此时对比工况2的固有频率有一定提升，此时最小工作角度相比工况1的极端工况作业对于船体施加横向受力较小，具有较好的稳定性。

3 结　语

本文提出一种海底线缆铺设的A型架设计方案，完成了该机构结构设计，并通过仿真实验验证了设计结构的可靠性，后续可根据本文研究成果对A型架结构进行进一步优化。

可得以下结论：

1）海底线缆铺设结构可采用文中提出的A型架全尺寸模型，完成了设计要求所提及的全尺寸参数设计，利用成熟的海底线缆铺设机构设计方法进行A型架、内外花键、止荡机构等结构设计。

2）利用有限元分析方法进行A型架结构全尺寸模型动态载荷仿真，得到其最大等效应力与最大变形随工作角度增大而增大，并且其呈现一定周期规律变化，且变化周期随工作角度增大而增大。

3）对A型架结构进行振动模态分析，通过振动模态仿真得到3种不同工况下固有频率，各阶模态固有频率随工作角度增大而增大，且前三阶模态最大变形均集中在翻展板机构及配重机构，第4～第6阶模态最大变形均集中在A型架机构。