新型船用超短基线换能器升降装置设计

郑 俊，沈华栋，廖冬杰

（上海海迅机电工程有限公司，上海 201111）

0 引言

随着21世纪对海洋资源的探索和开发，越来越多的海洋珍贵资源在大洋深处被发现，例如海底油气资源[1]，海底珍贵金属矿产资源等宝贵资源的发现。我国的国策也明确了争取海洋主动性是我国的强国战略[2]。在开发这些资源的过程中，对海底资源的探测和定位尤为重要，目前国内外广泛采用超短基线水下定位系统（Ultra-short Baseline，USBL）来进行水下探测，在实际使用中，需要将USBL的换能器部分伸出船底到水下一定的深度。由于海流的强度和方向经常变化且波动幅度较大，对水下部分的结构可靠性有很高的要求。此外换能器的伸出量受到舱内层高限制也是目前存在的问题。

本文以上海海迅机电工程有限公司为某用户设计的超短基线换能器升降装置为对象，通过对超短基线换能器升降装置进行分析和试验，验证了设计方案的可靠性、合理性及其应用形式上的灵活性，为相关产品的设计和应用提供参考和借鉴。

1 升降装置基本结构及工作原理

1.1 功能需求调研

在研发前期经过实船的调研分析，将超短基线换能器升降装置需要的功能性能、指标参数进行汇总。主要指标如下：

1）换能器直径Dh≤300 mm，高L≤700 mm，质量G≤70 kg，安装位置为升降装置的最底端。定位深度为超出船底Lh≥1 500 mm。

2）要求在相当于静水10 kn航速下使用。3）重复定位精度Rt≤0.1°。

1.2 基本结构

升降装置的主结构为支撑装置，包含支架、导轨、滑块和轴承等。支架的上端安装外杆升降电机，外杆电机连接螺旋升降机，升降机由丝杠和减速箱组成，减速箱侧面配有编码器和手轮轴，可以手动应急升降。丝杠布置在支架内部，在支架内部布置2根导杆，用于导向外升降杆。支架上段安装外升降杆，外升降杆通过连接架和丝杠螺母和导向杆连接。支架下端依次安装导向筒、水密箱和闸阀。导向筒用于导向外升降杆和动密封的效果。水密箱在导向筒下部，水密箱有水密门可开闭，换能器收回时位置正好在水密箱内，当排出箱内海水时，则可打开箱门，对换能器进行操作。闸阀在水密箱下部，闸阀和船上安装基座连接。支架侧面安装换能器的电缆导向拖链。因为换能器在升降时的电缆也跟随升降，所以设置导向拖链可以使电缆随动且和升降装置自身不发生磨损刮擦。另外整套系统配备电控箱1个，安装在舱室内，用于控制升降等功能。升降装置基本结构见图1。

图1 升降装置基本结构图

1.3 工作原理

本设备在船上的安装座高度离船底有一段距离，按USBL 使用要求计算了实际伸出量约2 700 mm。此外需要在舱内维护和更换换能器，因此在底部设置闸阀和水密箱。闸阀用于隔绝海水和舱。维修水箱箱用于隔绝海水后更换维护换能器操作。采用螺旋丝杠升降机来精确升降，采用船用三相异步电机作为动力，以此来保证定位精度和船用环境适应性。计算整体设备高度后，采用双节套筒伸缩结构方可满足外形尺寸和伸出量要求。工作原理见图2。

图2 工作原理图

2 主要部件受力分析

2.1 最大外力计算

升降装置的最大受力工况为升降杆伸出船底达到最大伸出量，且相对水流为最高工作航速。整个设备的升降杆为最大受力部件。因此对杆进行受力分析。按要求伸出Lh≥1500 mm，静水下航速10 kn（5.144 m/s）。此为计算的外部输入条件。对杆的水中阻力[3]F1进行计算。

式中：CD为阻力系数，需通过计算雷诺数来判断流体流动状态来选择阻力系数；AP为迎流面积，0.262 5 m2；ρ为液体密度，取海水密度ρ=1 030 kg/m3；V为相对速度，取10 kn，相当于5.144 m/s。

对物体扰流的雷诺数Re进行计算，将各值代入式（2）得Re=6.86×105。

式中：V为流体运动黏度，取海水黏度1.2×10-6m2/s；U为相对来流速度，取10 kn为5.144 m/s；L为特征长度，取圆柱直径0.16 m。

按照图3曲线选择雷诺数大于2×105，因此取CD值偏大值来计算，取CD=1。

图3 阻力系数与雷诺数图

将各值代入式1进行计算得，F1=5.246 kN，取载荷系数S=2，代入式（3）则水中阻力F=10.492 kN。

2.2 升降杆的强度理论校核

升降装置要求伸出船底距离大于1 500 mm，按实际船体结构设计后在船体内部固定部分长度700 mm，换能器高度750 mm，因此升降杆伸出船外长度L=750 mm，要求伸出到位后换能器的定位精度0.1度内。则杆末端偏离中心距离：k=2.53 mm，即升降杆的总变形量不大于2.53 mm。

按照最大受力载荷工况，将受力模型简化见图4。C端为入水最深处。A和B为船内固定部分。BC段的升降杆受到水中阻力为F=10.492 kN的均布载荷作用，详细的受力计算的过程见[4-8]。

图4 升降杆受力图

对杆的最大挠度fc、最大应力σmax进行计算，将各值代入式（4）～式（9）[4]得fc=0.34 mm，σmax=18.24 MPa。

式中：MB为最大弯矩；lm为BC段长度0.75m；q为均布载荷；F为水中阻力10.492 kN；fc为C点的最大挠度；λ为BC段和AB段的长度比；lL为AB段长度0.7 m；E为弹性模型，杆件材料采用316不锈钢。E为210 GPa；I为截面惯性矩；σmax为最大应力；D为杆的外径，160 mm；d为杆的内径，132 mm；W为抗弯截面系数，材料的屈服强度查机械手册[4]得：σ0.2=205 MPa。

依据计算数值对强度和刚度进行校核：安全系数S=σ0.2/σmax=11.2，满足要求；挠度fc∶0.34＜k∶2.53，满足要求。

由计算可得杆件的刚度和强度均满足要求。

3 有限元分析验证

在初步选型和设计升降杆尺寸后，再运用有限元软件对受力强度进行分析，采用通用有限元分析软件Ansys Workbench。

3.1 模型前处理

首先将模型简化，将非关键位置的小孔和槽等细节均去除，用直角代替圆角和倒角，因为如果保留实物模型的诸多细微集合特征，会导致分析结果的应力集中，甚至出现应力奇异状态。建模软件采用Solidworks2018，再导入Ansys，见图5。

图5 升降杆效果图

3.2 网格划分

为提供仿真精度，将网格尺寸定义为10 mm，（默认为78 mm），选用Solid187单元四面体，该单元为三维高阶10节点固体单元，可以较好的模拟圆柱体模型。划分后共92 887个单元，155 781个节点。效果见图6。

图6 网格化图

划分后对网格质量进行检查，并和相关规范[5]的要求进行对比，经检查网格质量合格，对比结果见表1。

表1 网格质量检查表

3.3 边界条件设定

首先设置材料。选择材料库内的316 Stainless Steel（316不锈钢），材料特性见表2。

表2 材料特性表

在杆件BC段添加前文计算所得的海水阻力载荷，大小为F值（10 492 N），均布在BC面上。方向为升降杆径向，即垂直轴线方向。再添加2个约束，1个是顶部的固定约束，如图7(b)的约束B，选择固定约束（Fixed Support），选取顶端为约束面，然后添加杆件中部700 mm处的圆柱面为约束，杆由滑动轴承导向，可等效为圆柱约束（Cylindrical Support），约束径向和轴向固定，允许切向自由，如图7(b)的约束A。边界条件见图7。

图7 边界条件设定图

3.4 求解和结果显示

进行求解并显示总变形和等效应力（von-Mises）分布。见图8。

图8 应力和变形云图

然后对仿真结果进行分析来确认仿真是否准确，首先对变形进行校核，由图得最大变形为0.19 mm，最大变形位置出现在杆件末端。将X、Y、Z3个方向的变形进行分解，X为轴向，Y为径向，Z和XY互成90°，见图9。X方向最大变形0.024，Y向最大变形0.188，Z向最大变形0.001 5。变形方向符合受力方向，其结果应是正确的。

图9 各方向变形云图

然后对等效应力进行确认。将X、Y、Z3个方向的主应力进行分解，见图10。最大各向主应力为：X方向等效应力为30.45 MPa/-28.14 MPa，Y方向等效应力为7.64 MPa/-8.52 MPa，Z方向等效应力为10.08 MPa/-9.31 MPa。

图10 各方向应力云图

其中数值为正值的是处于拉方向的应力，数值为负值的处于压方向的应力，最大应力出现在X向上的拉应力30.45 MPa以及压应力28.14 MPa。由于BC整段受Y向水流阻力，所以会在支点B处的X方向存在较大拉应力，和背面X方向出现最大压应力。可见仿真结果和理论推测结果一致，因此仿真结果较为可信。

综上所示：最大等效应力30.45 MPa，小于材料的屈服强度205 MPa，强度的安全系数为6.7。最大变形0.188 mm，小于挠度允许值2.53 mm，刚度也符合要求，因此结构设计的强度和刚度均符合要求。

4 试验验证

制作样机并进行试验来验证设计的可行性和准确性，准备了试验台架和配套的试验设备，对受海水阻力弯曲的性能进行了试验测试。

采用拉力来模拟海水阻力的方法。在升降杆的端部连接吊带，然后在吊带上再连接手拉葫芦，在手拉葫芦后端连接能显示拉力数值的电子吊秤。然后吊秤的另一端连接在固定设施上。通过手拉葫芦来调节拉力的大小，通过吊秤来显示数值。样机和试验过程见图11。

图11 抗海水阻力试验现场照片

经过多次试验，升降速度基本稳定在20 mm/s～22 mm/s。验证了整套设备设计的可靠性和组装装配的完好性。定位偏差在0.01°内，精度极高。水密保压0.2 MPa，持续了24 h，压力表数值无下降，试验过程中无出现渗漏，说明密性良好。抗海水阻力试验时施加了1 076 kg（10 544 N），杆件最大位移约1 mm，该数值符合理论计算和Ansys仿真的结果（见图12），并在撤销载荷后能正常伸缩。以上各项试验说明设计满足要求。目前该升降装置已安装在多条船上使用，使用状况良好，操作维护简易，得到客户的好评。

图12 升降装置装船图

5 结论

经过前期方案设计、理论计算、仿真模拟和后期样机的试验验证，各项功能性能指标均满足船用要求，可伸出1.5 m并在10 kn航速下保持定位精度0.1度以内。本装置与其他同类型装置的区别在于升降范围较大，定位精度高，占用空间小。因此对于舱高有限、伸出较大的装船USBL设备，采用2节式的升降装置是一个很好的选择，并可为同领域的类似装备应用提供参考借鉴。