2025, Vol. 47
2. 江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013;
3. 上海机电工程研究所，上海 201109
2. Fluid Machinery Engineering Technology Research Center, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;
3. Shanghai Electromechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China
常见的水下拖曳系统一般由水面拖船、拖缆、拖体和一些其他设备组成，大型深水拖曳系统还需要借助门架作为布放回收机构的支撑点[1]。拖体如ROV、AUV、DTV等搭载不同类型的传感器和探测设备来执行各种任务，在海底资源开发以及军事等领域具有重要作用[2]。拖体的工作过程可分为布放、下降、运行、上升和回收5个阶段。在回收阶段，拖体通过逐渐缩短脐带缆来实现在波浪区中的上升，受到来自顶端船舶运动和环境水动力的激励的显著影响，脐带缆会出现松弛和突然负载的现象从而产生大的冲击，可能超过安全工作负荷，导致脐带缆失效并伤害操作人员。同时拖体在上升的过程中会因船体晃动而发生偏移，使得悬挂拖体和航行船舶之间的相对运动变得更加复杂，这可能会导致拖体与船体出现碰撞的风险。因此，研究拖曳回收过程的动态响应，对于拖曳系统的设计以及拖体的使用保障能力有重要意义。
针对拖体的布放和回收阶段，Driscoll等[3 − 4]基于一维有限元集中质量分析模型，能够表示受表面激励的垂直系绳系统，开发的模型可以估算与船舶运动幅度相关的突然负载和脐带缆张力。并且使用同一系统在海面上进行了作业测量，证明了观察结果与模拟结果之间的良好相关性。Szczotka[5]使用齐次变换和关节坐标方法推导相关运动方程，开发了部署和回收的数值模型，可以模拟受波浪运动影响的船舶发射和回收AUV操作，用于早期项目设计阶段。Lubis等[6]进行了波浪水槽实验，以研究波浪、船舶运动和绞车速度对超深水工作级 ROV 发射和回收过程中脐带缆张力的影响。Deng等[7]在不同环境条件下结合绞车和船舶运动对 ROV 穿过波浪区时脐带缆中的动态张力进行实验测量和数值预测。Sayer[8]在波浪水槽中使用 1∶8 比例的工作级 ROV 模型进行了实验，在测试期间忽略了船舶运动和绞车速度，测量了 ROV 穿过波浪区时增加的质量和阻力系数。Yu等[9]研究了ROV系统在初始部署和最终回收过程中由于船舶升沉引起的动态响应，讨论了船舶运动幅值、频率以及初始条件对ROV系统动态响应的影响。
本文针对拖曳回收过程中船舶、脐带缆、波浪扰动以及拖体回收系统产生的耦合运动特性，基于Aqwa软件得到的母船RAO数据，结合水动力软件OrcaFlex，建立拖曳回收系统动力学分析简化模型，对拖体回收过程进行了数值模拟，获得拖体摆动角度、位移和绞车张力等一系列动态响应数据，对拖体回收的研究具有借鉴意义。
1 拖体回收系统概述拖体收放装置由绞车、拖体收放架、控制柜、操控盒组成。其中，拖体收放架由A型架、导接装置、导缆器、拖体存放架组成，占空尺寸宽4 200 mm、高5 500 mm、深4 000 mm，总重量8 410 kg。其中A型架6 400 kg，导接装置1 200 kg，导缆装置660 kg，拖体存放架150 kg。
导接装置安装在A型架的横梁上，是收放中拖体迎取、对接和锁止的关键部件。由纵倾装置、止荡摆架、回转装置、缓冲装置、锁止装置、导接控制阀块组成，重量1.2 t。结构形式如图1所示。
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图 1 导接装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the guide device |
1）纵倾装置
纵倾装置由液压摆缸驱动，摆缸工作角度180°，摆缸控制工作模式包括阻尼模式、跟随模式和手动模式。阻尼模式用于当拖体悬挂时，减小拖体的前后摆动；跟随模式用于拖体入水后使导接装置的出口对准缆绳方向；手动模式用于应急操作的工况。
2）止荡摆架
止荡摆架上有1只非金属导轮，设有防跳绳护板。整个摆架可作横向摆动，由2支液压缸驱动。液压缸工作状态包括阻尼状态和锁止状态。在阻尼状态下摆架可以在外力的作用下随摆，通过调节阻尼大小改变跟随速度，用于拖曳和拖体收放；拖体锁定后转为锁止状态，将拖体与摆架固定。
3）回转装置
回转装置安装在止荡摆架与缓冲装置之间，用于实现缓冲装置的方向调整，回转装置由液压马达和回转支撑轴承组成。回转装置的转角不小于±90°。
4）缓冲装置
缓冲装置安装在回转装置的下盘，用于拖体定位，同时引导拖缆。
5）锁止机构
锁止机构安装在缓冲装置上，有2片对称的锁止块，在弹簧作用下插入承重头的沟槽里，油缸驱动解锁。合理设计液压缸的驱动力，使拖体悬挂时无法打开锁止块，保证安全。
拖体回收时，绞车收缆，在导流片即将出水前，A型架向外打开，导流片缆经由导接装置进入绞车，待拖体出水至导接装置前，绞车停止，待导接装置将拖体的摆荡减至安全的范围并对准拖体方向后，绞车收缆，承重头进入导接装置，锁止，导接装置回正，A型架回收，同时绞车收缆，将拖体移至存放位。
2 拖曳回收系统计算模型的建立 2.1 坐标系与环境载荷方向的确定使用惯性坐标系
环境载荷的入射角度定义为风浪流的入射方向与船首即
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图 2 风浪流方向示意图 Fig. 2 Schematic diagram of wind and wave current direction |
采用OrcaFlex对拖曳回收过程进行建模仿真。所建立的系统主要由船体、拖体收放装置、脐带缆、绞车和水下拖体组成。
模型的上边界限制条件主要取决于所连接的船体的运动情况。而船体的运动取决于运动幅值响应算子（RAO）指的是浮式平台对应某个自由度方向上的运动幅值与波幅的比值，反映了浮体在单位波幅波浪作用下结构的运动响应，便于了解浮体基础于各自由度下的耐波性，以及分析规则波来浪角度对浮体的影响。
本文根据实际船体主尺寸利用水动力软件 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，结合 OrcaFlex 软件，确定船体在不同来浪角度下的 RAO 数据。结果如图3所示。
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图 3 六自由度方向上的RAO Fig. 3 RAO of six degrees of freedom |
可以发现，随着规则波周期的增加，母船纵荡和横荡方向的RAO表现出整体上升后趋于平缓的趋势，180°的纵荡，90°方向的横荡响应幅值趋于1。垂荡运动在90°方向10 s左右出现最大值，约为1.41 m/m，此现象出现在母船的固有周期附近，容易形成共振导致其峰值较大，在30 s左右时趋于平衡，响应幅值接近1。横摇RAO曲线在17 s左右出现峰值，大小约为4.5 °/m，纵摇RAO曲线在135°方向10.7 s左右出现最大值，大小约为0.98 °/m，说明在此刻入射波浪频率接近平台固有周期，引起共振。艏摇RAO曲线在135°方向11.6 s附近出现最大值，大小约为0.4 °/m，在90°和180°方向下艏摇运动响应不明显。
通过模块 6D Buoys建立拖体收放装置，定义相应的位置关系，输入对应的惯量和重心。模块constraint建立拖体收放装置运动关系。其中，A型架顶部托架横梁与导接装置上部分之间设置2个转动自由度，分别控制横向和纵向自由转动；滑轮与导接装置设置为转动副，使得滑轮在脐带缆的作用下转动；导接装置处的阻尼油缸活塞杆和缸体与支耳之间分别设置转动自由度，活塞杆与缸体之间设置平移自由度，并赋予刚度阻尼特性，真实地模拟油缸的运动方式；回转装置与导接装置下部分设置旋转自由度，通过读取拖体旋转的角度，控制缓冲装置的旋转，使得缓冲装置能够跟踪拖体的旋转，从而实现拖体的缓冲回收。
2.3 脐带缆和拖体主要参数脐带缆的离散模型通过凝集质量法建立[10]，将脐带缆视作非线性弹簧，并离散为若干个分段（连续、无质量）以及节点共同组成的凝集质量模型，将其模拟为轴向、旋转弹簧和阻尼器的组合体，只考虑分段的扭转和轴向特性。节点则凝集其连接的相邻2个半分段质量，单元上所有的分布力被认为集中作用在其凝集质量点上。
拖体参考DNV[11]规范，根据拖体形状简化计算得到水动力系数，用于拖体的运动响应分析。脐带缆和拖体的具体参数设置如表1所示。
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表 1 脐带缆与拖体参数 Tab.1 Parameters of cable and towing body |
拖体回收至母船需要经历几个阶段，包括水下航行阶段、空中回收和悬挂阶段。讨论不同回收速度对拖体回收过程的影响，母船保持速度2 kn直航60 s，绞车开始收缆，4 s内收缆速度分别提高为0.2 、0.3 、0.4 m/s后恒速回收，到达导接装置前收缆速度降为0 m/s，停止收缆处于悬挂状态，待导接装置将拖体的摆荡减至安全的范围并对准拖体方向后，锁止，导接装置回正。拖体的摆动可用摆角
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图 4 摆角示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the swing angle |
图5所示为迎浪状态，脐带缆张力
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图 5 脐带缆张力结果 Fig. 5 Umbilical cable tension results |
图6(a)显示不同速度回收下拖体摆角
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图 6 拖体响应结果 Fig. 6 Drag body response results |
收放系统一般布置在船尾或船侧，此时船舶侧舷横摇幅度较大，尾部的纵摇幅度较大，而船舶的升沉运动在不同位置也会有所区别。分析收放系统布置在甲板不同位置时对拖体回收产生的影响也较为重要。
环境载荷方向选取90°、135°、180°典型角度，对比的具体波浪情况为波高1.25 m回收。母船航行速度2 kn，绞车收缆速度0.3 m/s，对比结果曲线如图7～图9所示。
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图 7 横浪90°海况下系统响应曲线 Fig. 7 System response curve under 90° transverse sea condition |
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图 9 迎浪180°海况下系统响应曲线 Fig. 9 System response curve under 180° head sea condition |
1）横浪90°
由图7可知，在船尾和船侧回收位置点处的垂荡最大值分别为0.7 m和0.86 m。船侧回收时脐带缆张力峰值较高，约是拖体重量的1.52倍，最大摆动角度接近4°。船尾回收时，拖体出水后摆角出现激增，回收至导接装置前最大摆角也达到了3.5°。位移变化趋势同摆角变化趋势相同。
2）斜浪135°
由图8可知，在斜浪状态下，尾部回收位置点的垂荡最大值达到0.93 m，而船侧回收时垂荡最大值仅为0.28，船尾的升沉运动远远大于侧部，升沉位移越大，脐带缆张力波动就会越大。船尾回收时拖体摆角最大达到了11.3°，向船体方向最大偏移了0.63 m，结果远远大于船侧回收值，此时拖体在船侧回收较为安全。
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图 8 斜浪135°海况下系统响应曲线 Fig. 8 System response curve under 135° oblique sea condition |
3）迎浪180°
由图9可知，在迎浪状态下，尾部回收位置处的垂荡最大值约0.44 m，是船侧回收位置处垂荡最大值的3倍，船舶的升沉运动在尾部偏大。船尾回收时，拖体在穿越波浪区的过程中脐带缆产生突然负载和松弛现象，船侧回收时无此现象，同时发现脐带缆张力波动范围，拖体摆角和水平位移值也明显大于船侧回收值。但无论在船尾还是在船侧回收，绞车停止出现的脐带缆张力峰值都约是拖体重量的1.5倍。
4 结 语本文模拟了不同状态下拖曳回收系统运动的响应，得到如下结论：
1）1.25 m波高波浪作用下，以低速回收拖体时，拖体会因摆动造成底部接触水面，在波浪的作用下，脐带缆会出现突然负载和松弛的现象，但同时拖体在海水阻尼作用下，会减小回收的摆动角度和水平位移。3种回收速度下，以0.3 m/s速度回收时的拖体摆角和水平位移最小。
2）无论回收速度多大，拖体在空中的摆角都有增加的趋势，提高回收速度会使拖体的摆动角度增大。绞车的突然停止会使脐带缆张力发生显著波动，出现张力峰值，回收速度越高，峰值越大。以较低的绞车速度用于回收，有利于降低脐带缆最大张力。
3）不同回收位置处的升沉位移对拖体回收的影响较为明显，升沉位移越大，系统的响应就越大。除横浪状态下，船舶的升沉运动往往在尾部偏大，此时在船舶侧部回收拖体较为安全。斜浪状态下的整个拖曳回收系统的响应都最大，此时回收拖体的风险也最大，应避免在斜浪状态下回收拖体。
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