王志博

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135）

海洋水下拖曳體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王志博

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135）

針對(duì)海洋水下拖曳體設(shè)計(jì)中的工程需求，總結(jié)水下拖曳體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)總成配合關(guān)系中需著重注意的功能設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，水動(dòng)力性能，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)輸、抗腐蝕與拖曳安全性設(shè)計(jì)，總裝與質(zhì)量特性校核，拖曳系統(tǒng)總成和性能測(cè)試等8個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)各設(shè)計(jì)要點(diǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行論述，提出設(shè)計(jì)、制造及檢測(cè)過(guò)程中需側(cè)重解決的問(wèn)題。

拖曳體設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；水動(dòng)力性能；運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能

0 引 言

水下拖曳系統(tǒng)主要用于探測(cè)海底地質(zhì)、海洋水文和生態(tài)環(huán)境，主要由母船、甲板絞車(chē)、纜繩和拖曳體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)拖體）等部件構(gòu)成。拖體是所有水下探測(cè)設(shè)備的集成平臺(tái)，搭載有以光學(xué)、聲學(xué)[1-3]、磁場(chǎng)和溫鹽[4]等作為探測(cè)手段的傳感器，這些傳感器對(duì)拖體的結(jié)構(gòu)布置和航行穩(wěn)定性都有指標(biāo)要求[5]。例如，某型重力式拖體在設(shè)計(jì)時(shí)要求其拖航過(guò)程中的俯仰角在±3°以?xún)?nèi)，均方差＜0.2°，俯仰和升沉的周期＞20s。拖體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)[6-7]是整個(gè)拖曳系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，拖體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性往往取決于拖曳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。為提高拖體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，常采用兩段式拖曳方式[2-3]，但單體重力式拖體便于回收、操作方便，因此更適合于探測(cè)設(shè)備較少的快速探測(cè)。

在設(shè)計(jì)拖體前，用戶(hù)往往會(huì)對(duì)拖曳深度、拖曳航速、功能要求、使用環(huán)境和維護(hù)等提出具體的指標(biāo)要求。優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案能在滿(mǎn)足上述指標(biāo)要求的同時(shí)，降低制造、測(cè)試及維護(hù)的難度。這里對(duì)單體重力式拖體的總體設(shè)計(jì)和制造過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，將其歸納為8個(gè)主要設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)，把握這些環(huán)節(jié)中的技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)要領(lǐng)，使拖體的設(shè)計(jì)制造指標(biāo)可控。

1 拖體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)總成

拖體設(shè)計(jì)是拖曳系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，不僅決定了探測(cè)儀器設(shè)備的工作能力和狀態(tài)，而且對(duì)拖曳系統(tǒng)的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響。這里對(duì)拖體的功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、水動(dòng)力性能、主被動(dòng)水動(dòng)力控制部件裝配、拖體總裝及運(yùn)輸使用維護(hù)等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1.1 功能設(shè)計(jì)

圖1為拖體設(shè)備布置與安裝實(shí)景，拖體是搭載各類(lèi)探測(cè)設(shè)備的集成平臺(tái)，需在有限的空間內(nèi)布置功率轉(zhuǎn)換設(shè)備、聲吶、光學(xué)照相儀、取樣容器及電波類(lèi)、磁力類(lèi)等設(shè)備；設(shè)備間需預(yù)留良好的操作維護(hù)空間；部分設(shè)備需利用耐壓罐體封閉，這不僅會(huì)增加自身的體積和質(zhì)量，而且會(huì)增大信號(hào)與電路的連接空間。圖2為框架式拖體，由于耐壓罐體的質(zhì)量大、水密性要求高，因此常采用鈦合金整體制造，不適合在罐體上焊接連接件，常采用抱箍和卡套連接。在設(shè)計(jì)和制造該框架式拖體時(shí)，應(yīng)具備多個(gè)安裝定位平面，便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝定位。同時(shí)，標(biāo)記這些定位平面的站位和刻度，便于對(duì)拖體上安裝的部件進(jìn)行定位和記錄。在多用途拖體平臺(tái)上，針對(duì)不同的探測(cè)目的，要求拖體中搭載的部分探測(cè)設(shè)備可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和更換及進(jìn)行數(shù)據(jù)和樣本收集。這對(duì)拖體的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，不僅要求拖體便于拆裝連接，而且要求線路配備和拖體上能耗原件的功率分配符合具體規(guī)定。

1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)拖體承載框架時(shí)，應(yīng)使其在保持設(shè)備之間互不干擾的情況下具有足夠的強(qiáng)度和抗沖擊能力。這是由于在拖曳過(guò)程中需對(duì)拖體進(jìn)行船尾起吊、布放和回收，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證拖體具有抵抗母船升沉帶來(lái)的沖擊力的能力，這種沖擊力隨著海況的不斷惡劣而顯著增大，尤其是在出水回收的過(guò)程中，拖體內(nèi)部會(huì)裹挾部分水分，導(dǎo)致出水時(shí)拖體的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于陸上稱(chēng)重，使得升沉帶來(lái)的沖擊力更大。此外，拖體框架必須具有抵抗母船舷側(cè)撞擊的能力。當(dāng)拖體接近海底探測(cè)時(shí)，會(huì)因海底地形起伏不平而與母船舷側(cè)發(fā)生碰撞。因此，在設(shè)計(jì)拖體框架的承重時(shí)需考慮這些安全因素，考慮恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度安全裕度和結(jié)構(gòu)防撞抗沖擊力。拖點(diǎn)和吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)作為唯一集中承重的結(jié)構(gòu)，需采用高強(qiáng)度的抗腐蝕鋼材制作。

在設(shè)計(jì)拖體的過(guò)程中，需利用有限元工具對(duì)框架設(shè)計(jì)與承載裝配的關(guān)系進(jìn)行校核，其中對(duì)沖擊荷載進(jìn)行校核是十分重要的環(huán)節(jié)。圖3為某型拖體框架的承載結(jié)構(gòu)裝配體有限元模型。為滿(mǎn)足高干舷船尾的拖體回收要求，必須額外配備收納索和保險(xiǎn)繩。此外，框架兩側(cè)還必須設(shè)置一定數(shù)量的拉環(huán)和把手，便于裝配、搬運(yùn)和拆卸。

管材框架通常作為抗沖擊結(jié)構(gòu)使用[4]，拖體前端通常設(shè)計(jì)成突出的管材外包結(jié)構(gòu)。單根管材不能焊接成封閉式結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)置通水孔，防止受水下的高壓而損壞?？箾_擊結(jié)構(gòu)與承載框架間采用吸能結(jié)構(gòu)，如用緩沖彈簧墊圈和橡皮枕套等螺栓連接，便于維護(hù)和更換。

1.3 水動(dòng)力性能

若拖體在拖曳前進(jìn)過(guò)程中發(fā)生大幅度、高頻率的縱搖和升沉，則其搭載的傳感器就不能正常工作，甚至?xí)鬏敵鲥e(cuò)誤的探測(cè)信號(hào)。復(fù)雜的海況將給拖曳系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)擾動(dòng)，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有助于提高拖曳系統(tǒng)抵抗風(fēng)、浪、流干擾的能力。

根據(jù)拖曳速度對(duì)拖體水動(dòng)力性能的不同影響，將拖體分為低速拖曳體和高速拖曳體。一般將拖速在6kn以下的拖體看作低速拖體，低速拖體要重視拖體質(zhì)量與拖點(diǎn)的配置關(guān)系；將拖速在10kn以上的拖體看作高速拖體，高速拖體要注重自身外形與水動(dòng)力部件的配合；對(duì)于拖速在6kn～10kn的拖體，要根據(jù)其構(gòu)型適當(dāng)增加水動(dòng)力部件[7-8]，合理控制運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

出于設(shè)備尺寸和維護(hù)使用方便考慮，低速拖體通常會(huì)設(shè)計(jì)成鈍體，設(shè)計(jì)時(shí)要避免水流作用力成為非定常的擾動(dòng)力。例如：在拖體的尾段減小設(shè)備配置密度、增大水流通暢性，避免尾渦發(fā)放；采用收縮式的尾段設(shè)計(jì)，避免形成周期性尾渦發(fā)放。

隨著拖曳速度的提高，拖曳時(shí)拖體產(chǎn)生的水流作用力會(huì)越來(lái)越大。圖4為安裝翼舵的拖體，為避免鈍體造成不穩(wěn)定的水流阻力，應(yīng)考慮將拖體外形設(shè)計(jì)成流線型。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)模擬拖體的水流作用力隨拖航姿態(tài)的變化，計(jì)算水動(dòng)力作用中心的位置。受所安裝設(shè)備的限制，部分高速拖體的主要外形并非呈軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)體特征，水流作用力的合力作用點(diǎn)隨著拖速的波動(dòng)和姿態(tài)的變化而移動(dòng)，形成不平衡水動(dòng)力，使得拖體的俯仰角變得不穩(wěn)定。該類(lèi)拖體往往需要安裝被動(dòng)的可調(diào)式翼舵來(lái)平衡姿態(tài)。

恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)拖體的外形和布置水動(dòng)力部件是獲得良好的拖航運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)流線型重力式拖體，將重心調(diào)節(jié)到對(duì)稱(chēng)軸上，水流阻力也沿著對(duì)稱(chēng)軸方向；調(diào)節(jié)拖點(diǎn)使纜張力的作用線通過(guò)重心，即可達(dá)到理想的受力平衡狀態(tài)，拖體的航行姿態(tài)往往可達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

拖體排開(kāi)水的形狀決定著浮力沿拖體的分布及其大小。在初始設(shè)計(jì)階段，可利用三維造型軟件計(jì)算得到總裝后拖體形心的初始位置。在對(duì)罐體和設(shè)備進(jìn)行安裝的同時(shí)，需測(cè)量形心和排水體積，并記錄安裝位置；對(duì)于形狀復(fù)雜的設(shè)備，可利用浸沒(méi)法測(cè)量排開(kāi)水的體積。對(duì)于拖點(diǎn)前后排水體積的分配，盡量做到均勻分配，避免形成浮力矩。

為使運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更高，部分拖體設(shè)置有恰當(dāng)?shù)膲狠d調(diào)節(jié)裝置，拖體中安裝有可遠(yuǎn)程操控、質(zhì)量可移動(dòng)的機(jī)械裝置。該裝置不僅能使可移動(dòng)質(zhì)量沿著拖體的長(zhǎng)度方向調(diào)節(jié)，而且可使其沿著拖體的高度方向調(diào)節(jié)，進(jìn)而在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)拖體的縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重心位置。該裝置適用于經(jīng)常更換不同類(lèi)型探測(cè)設(shè)備的拖體。

此外，拖體還安裝甲板手控或自動(dòng)控制可調(diào)式翼舵。對(duì)于搭載有該類(lèi)主動(dòng)翼舵控制的拖體，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的主動(dòng)控制系統(tǒng)，或與運(yùn)動(dòng)傳感器配合實(shí)現(xiàn)服務(wù)于甲板人員的顯示屏監(jiān)測(cè)與翼舵操控軟件平臺(tái)。受舵效和控制能力限制，該類(lèi)主動(dòng)翼舵系統(tǒng)適用于中高拖速拖體。

1.4 拖體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

拖體的設(shè)計(jì)和拖曳方式通常決定著拖體克服橫搖、艏搖和橫蕩的能力。受母船搖蕩影響，拖纜張力不穩(wěn)定，拖體的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)往往較為顯著，因此在設(shè)計(jì)拖體時(shí)應(yīng)重視對(duì)縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)的控制作用。影響拖體縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)的作用力主要包括重力和水流作用力，良好的拖體設(shè)計(jì)能在避免非定常水流作用力的同時(shí)確定水動(dòng)力的作用中心，在設(shè)計(jì)拖曳速度范圍內(nèi)保持水動(dòng)力作用中心不變，滿(mǎn)足纜力、重力和水流阻力相交于同一個(gè)點(diǎn)。受水面船舶的干擾，纜的張力并非恒定不變，若纜力、重力及水流阻力不能相交于同一個(gè)點(diǎn)，則會(huì)產(chǎn)生俯仰力矩，拖體自身的質(zhì)量屬性很大程度上決定著拖體的搖蕩頻率，較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有助于減小拖體的搖蕩幅度。在拖纜的母船端，常采用升沉補(bǔ)償裝置與之配合[9-11]。

拖體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求貫穿于拖體的全壽命周期（包括設(shè)計(jì)和制造階段）。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)輸、抗腐蝕與拖曳安全性設(shè)計(jì)

拖體制造過(guò)程中需使用大量的連接件，因此應(yīng)盡可能地減少連接件的種類(lèi)，兼顧連接件的可替換性，滿(mǎn)足岸電與船舶供電的轉(zhuǎn)換要求及數(shù)據(jù)傳輸帶寬和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與接口的兼容性。

拖體應(yīng)設(shè)計(jì)緊湊，合理控制其主尺度，既便于在往返碼頭與調(diào)試車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱上進(jìn)行陸陸運(yùn)輸，也便于搭載在不同的母船平臺(tái)上。拖體的承重框架和連接件的選材必須滿(mǎn)足弱磁性、抗海水腐蝕和抗電腐蝕。此外，由于部分探測(cè)設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度有一定的要求，因此在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮溫度保護(hù)措施。為保證拖體在拖航中的安全性，應(yīng)使拖體具有一定的蓄電能力和記憶存儲(chǔ)能力，防止因纜過(guò)熱或張力破斷造成信號(hào)傳輸中斷。個(gè)別拖體還要求具有拋載上浮的能力。

1.6 總裝與質(zhì)量特性校核

在拖體框架制造完成之后，一般需根據(jù)安裝要求進(jìn)行靜載測(cè)試，目的是檢驗(yàn)型材是否存在微裂紋焊接缺陷及框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問(wèn)題。拖體安裝吊點(diǎn)后，在連接部位懸掛和放置質(zhì)量相同或質(zhì)量略大的壓載，隨后起吊觀察結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿(mǎn)足要求，是否存在大變形或塑性變形。通常需懸掛壓載一段時(shí)間，隨后將其卸載，檢查焊接部位和框架表面是否形成裂紋或永久塑性變形。

拖體質(zhì)量特性校核是設(shè)備安裝完成并連接后進(jìn)行的一項(xiàng)重要工作。拖體上安裝的罐體、箱體、囊體及各類(lèi)數(shù)據(jù)采集線的線路布置等會(huì)造成拖體的重心、浮心、排水體積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等與初始設(shè)計(jì)存在較大差異。因此，需在安裝過(guò)程中對(duì)所有零部件的重心位置和安裝位置進(jìn)行測(cè)量并做好詳細(xì)記錄。

此外，還應(yīng)對(duì)拖體進(jìn)行衡重測(cè)量和校正，確定其重心、浮心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。衡重分為陸上衡重和水池衡重，其中：陸上衡重用來(lái)測(cè)量拖體的重心和重力；水池衡重用來(lái)測(cè)量拖體的浮心和浮力。對(duì)于質(zhì)量和體積較小的拖體，陸上衡重可采用懸掛法測(cè)量拖體的重心位置，水池衡重可采用懸線連接電子秤的懸掛法測(cè)量拖體的重力和浮力。由于重力式拖體的重力往往遠(yuǎn)大于浮力，因此浮力不會(huì)對(duì)拖體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)產(chǎn)生顯著影響。一般情況下，拖體的實(shí)際質(zhì)量會(huì)大于初步設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算質(zhì)量，重心位置也會(huì)偏離初始計(jì)算值。這就需要逐一排查出現(xiàn)差別的原因，甚至是拆卸部分大質(zhì)量的設(shè)備重新測(cè)量其重心。若重心位置不在拖點(diǎn)所在的中縱剖面內(nèi)，則需移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行微調(diào)，否則拖體在拖航中會(huì)存在初始橫傾角。若拖體重心前移，則拖體在拖航中易出現(xiàn)負(fù)俯仰角；若拖體重心后移，則容易出現(xiàn)正俯仰角。

1.7 拖曳系統(tǒng)總成

對(duì)于拖體與拖曳系統(tǒng)的承重拖曳纜和甲板吊裝布放系統(tǒng)的連接等其他部分，既要做好拖點(diǎn)連接和吊點(diǎn)連接，又要做好信號(hào)和電路集成連接。集成連接后要進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)，測(cè)試連接設(shè)備的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的記錄。

1.8 拖體性能測(cè)試

在完成安裝和設(shè)備連接后，通常會(huì)進(jìn)行拖體的車(chē)間聯(lián)調(diào)、水池測(cè)試及湖試（或海試），用于設(shè)備調(diào)試和模塊檢測(cè)。不同的測(cè)試環(huán)境對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試內(nèi)容。陸上聯(lián)調(diào)主要測(cè)試信號(hào)連接、電路連接是否正確通暢；水池測(cè)試主要檢查水密性和絕緣性；湖試主要測(cè)試無(wú)線信號(hào)發(fā)射和動(dòng)態(tài)拖曳過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；海試則是對(duì)整個(gè)拖曳系統(tǒng)進(jìn)行考核。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外拖體設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，將拖曳體設(shè)計(jì)制造歸納為功能設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，水動(dòng)力性能，拖體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)輸、抗腐蝕與拖曳安全性設(shè)計(jì)，總裝與質(zhì)量特性校核，拖曳系統(tǒng)總成及拖體性能測(cè)試等8個(gè)主要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。這些設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)相輔相成，實(shí)現(xiàn)拖體的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，使拖體的功能得到正常發(fā)揮，為解決從初步設(shè)計(jì)到制造交付的產(chǎn)品周期中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題提供參考。

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Key Factors for Design of the Object Towed Underwater

WANG Zhi-bo

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

According to the engineering requirements for the design of the object towed underwater, this paper summarizes the essentials in design of the object towed underwater and the system integration, including structural strength, hydrodynamic performance, dynamic stability, design standardization, transportation, corrosion resistance, towing safety, mass property, and system assembly and testing.The key factors of the above essentials are fully discussed, and the major problems to be solved during design, construction and examination are pointed out.

design of the object towed underwater; structural strength; hydrodynamic performance; dynamic stability

U674.3；U661.1

A

2095-4069 (2017) 04-0005-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.002

2016-03-30

王志博，男，高級(jí)工程師，1983年生。主要從事拖曳系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算工作。