冒小丹，施紹剛，周忠瑋，樹偉

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船[1-3]是一種大型自航、裝艙式挖泥船，裝備有耙頭挖掘機(jī)具和水力吸泥裝置，在航道和港口疏浚施工中起到重要作用。耙吸挖泥船施工過程中，由于受到海浪作用，會產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動狀態(tài)（如橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動等），同時造成耙頭位置的頻繁運(yùn)動。為了減輕波浪起伏對施工的影響，每艘挖泥船上都會配置相應(yīng)的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)。目前國內(nèi)的大型耙吸挖泥船，較為常見的是采用恒張力補(bǔ)償方案[4]的被動式波浪補(bǔ)償器。

近年來，利用計算機(jī)仿真軟件對耙吸挖泥船多體運(yùn)動學(xué)和波浪補(bǔ)償器液壓系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行的研究很多，但是很少將二者結(jié)合起來進(jìn)行分析?，F(xiàn)有的液壓仿真系統(tǒng)已能夠較好地對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行還原，不過在系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方面的分析能力尚欠缺，在研究問題時無法準(zhǔn)確地將機(jī)械和液壓系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，使得仿真效果存在一定偏差。計算機(jī)聯(lián)合仿真接口的快速發(fā)展為相關(guān)研究創(chuàng)造了可能性，相關(guān)學(xué)者也利用聯(lián)合仿真模型做了一些研究。黃周軒[5]等基于AMESim和ADAMS軟件的聯(lián)合仿真模型，分析了不同工況下液壓盤式剎車的動態(tài)響應(yīng)特性，仿真與以往采用的單一模型相比更接近實(shí)際工況。皮明[6]等利用ADAMS和EASY5軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂運(yùn)動軌跡的液壓控制仿真。姚曉光[7]等將Pro/E建立的模型通過Mechan ism/Pro接口程序?qū)階DAMS中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提供了一種模型改進(jìn)的方法。姚莉君[8]等應(yīng)用ADAMS對3自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模，結(jié)合Simulink軟件聯(lián)合仿真，解決了以往機(jī)械與控制系統(tǒng)不匹配的問題。董東雙[9]等基于AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真的方法，分析了液壓變壓器的工作特性。

本文以某大型自航式耙吸挖泥船為研究對象，利用ADAMS軟件建立其在外部載荷作用下的虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)在計算機(jī)上仿真分析其復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能；然后運(yùn)用液壓軟件建立其波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)的液壓仿真模型，通過仿真接口完成這兩個軟件的交互計算，形成機(jī)液一體化的聯(lián)合仿真技術(shù)，以提高仿真建模的效率，使仿真結(jié)果更加貼近真實(shí)情況；最后利用多個波浪工況下的仿真結(jié)果來分析波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，以驗(yàn)證本文提出的聯(lián)合仿真方法的可行性。

1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理及動力學(xué)分析

1.1 工作原理

以挖泥船左舷為例，本文研究的耙吸挖泥船波浪補(bǔ)償裝置原理如圖1所示。

液壓缸3的缸體固聯(lián)安裝于船舶的左舷，上端安裝有滑輪，鋼絲繩繞過滑輪連接挖泥船的耙臂，液壓缸的活塞桿相對于缸體的位移使得耙頭產(chǎn)生2倍的單位位移，同時活塞桿受到的支撐力也是繩索拉力的2倍。當(dāng)耙頭處于靜止?fàn)顟B(tài)時，耙頭的重力、泥土的支撐力和水的浮力的合力通過滑輪作用于活塞桿上，3個蓄能器供應(yīng)的液壓油產(chǎn)生的液壓推力與活塞承受壓力平衡。由于蓄能器的緩沖，液罐中的壓縮空氣在體積變化不大的情況下，壓力變化也很小，這就保證了波浪補(bǔ)償器油缸活塞桿的推力為近似恒力。因此當(dāng)水面有波浪時，船體會上下晃動，波浪補(bǔ)償器油缸活塞桿會相應(yīng)的伸出或縮回，確保纜繩的張力近似恒定，以避免耙頭在施工過程中大幅上下運(yùn)動。

圖1 耙吸挖泥船波浪補(bǔ)償裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of wave compensation device for trailing suction hopper dredger

1.2 動力學(xué)分析

對下耙管（包括耙頭）單獨(dú)分析，它在垂直方向上主要受鋼絲繩的拉力、其自身的重力、浮力、水流力和泥面的支撐力作用，關(guān)系式如下：

式中：Tg為鋼絲繩的拉力；Flp為浮力；Fnp為豎向水流力；FL為泥面支撐力；Gp為下耙管（包括耙頭）重力；Mp為下耙管（包括耙頭）質(zhì)量。

對于活塞桿，主要受蓄能器提供的被動補(bǔ)償力，活塞桿重力，鋼絲繩作用于活塞桿壓力和液壓缸內(nèi)壁的摩擦力作用，受力關(guān)系式如下：

式中：Fm為被動補(bǔ)償力；Ftg為鋼絲繩作用于活塞桿的壓力；Mh為活塞桿質(zhì)量；g為重力加速度；fh為摩擦力；Bh為液壓油黏性系數(shù)。

耙頭、船體及活塞桿的位移關(guān)系式如下：

式中：zp為耙頭的補(bǔ)償后位移；zs為船體重心的垂向位移；zh為活塞桿的絕對位移；zh′為活塞桿的相對位移。

對于蓄能器提供給活塞的被動補(bǔ)償力[10]，可以運(yùn)用泰勒展開方法獲得蓄能器的線性化模型：

式中，λ的表達(dá)式為：

式中：p0為蓄能器的初始壓力；V0為蓄能器內(nèi)的初始體積；A為活塞桿的有效接觸面積。

2 耙吸挖泥船多體動力學(xué)仿真建模

運(yùn)用ADAMS多體建模時需要大量參數(shù)，用來搭建挖泥船動力學(xué)仿真模型。參數(shù)主要涵蓋船體、耙等部件，還有船舶受到的外部載荷力，如水流力、波浪力等。雖然ADAMS運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析能力較強(qiáng)，但是無法建立復(fù)雜的三維模型。本文首先運(yùn)用三維建模軟件建立耙吸挖泥船的3D模型；然后將igs格式的模型導(dǎo)入ADAMS中；再根據(jù)耙吸挖泥船的尺度參數(shù)，完成基本的單位和重力設(shè)置。耙吸挖泥船虛擬樣機(jī)模型（包括船體和耙管）的材料設(shè)置為鋼，密度為7 850 kg/m3，耙管內(nèi)泥水混合物密度為1 200 kg/m3。

耙吸挖泥船和耙臂受到重力及外部載荷作用力，如浮力、水流力等，力或者力矩作用的位置點(diǎn)在其質(zhì)心位置，船舶所受波浪力經(jīng)AQWA軟件計算后，由船舶垂蕩運(yùn)動等效代替。為了實(shí)現(xiàn)船舶的垂蕩運(yùn)動，在挖泥船的樣機(jī)與外部空間（ground）之間建立滑移副，再定義運(yùn)動（motion）并代入船舶重心在垂直方向上的運(yùn)動數(shù)據(jù)（船舶垂蕩數(shù)據(jù)由AQWA計算所得），最終經(jīng)二維曲線插值獲得耙吸挖泥船的位移-時間曲線，由此還原耙吸挖泥船在波浪作用下的運(yùn)動過程。耙臂與船底基線的夾角為30°，耙臂從船體連接處到耙頭分為3部分，左右耙管關(guān)于xoz面對稱，船體與彎管之間采用固定約束，彎頭與耙臂第1段，耙臂第1段與第2段之間設(shè)置轉(zhuǎn)動鉸約束，方向繞y軸。

耙頭和底部泥面之間設(shè)置接觸CONTACT，接觸剛度值由實(shí)際施工土質(zhì)決定，本文以中粗砂為研究對象，硬度設(shè)置為1 000 N/m。采用ADAMS/Cable模塊創(chuàng)建滑輪及繩索系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船體和上耙管之間的連接，同時在繩索與上耙管的連接點(diǎn)上設(shè)置固定副。船舶及耙管主要受自身重力、浮力、水流力、繩索拉力和泥面接觸力作用，外部載荷力使用sforce（單方向力）或者vforce（多方向力）方式建立，作用點(diǎn)在質(zhì)心位置。從液壓軟件反饋過來的繩索拉力預(yù)先使用sforce建立，作用點(diǎn)位于下耙管的質(zhì)心位置（模擬繩索），作用力函數(shù)Function預(yù)設(shè)為0，后期聯(lián)合仿真階段可由數(shù)組傳遞過來。最終建立完成的耙吸挖泥船虛擬樣機(jī)如圖2所示。

圖2 耙吸挖泥船多體動力學(xué)虛擬樣機(jī)模型Fig.2 Multi-body dynamics virtual prototype model of trailing suction hopper dredger

3 波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)前文提出的波浪補(bǔ)償器工作原理，利用液壓軟件建立仿真模型（包括聯(lián)合仿真接口），經(jīng)簡化后如圖3所示。搭建的系統(tǒng)模型包括補(bǔ)償液壓缸、轉(zhuǎn)動滑輪組、氣囊式蓄能器、力傳感器和液壓管路等。為了實(shí)現(xiàn)ADAMS和液壓軟件之間的聯(lián)合仿真，在液壓仿真模型中加入ADAMS接口控件（圖中圓矩形實(shí)線框區(qū)域），velocity1和displacement1代表從ADAMS輸入的速度和位移信號，而force1則是液壓軟件反饋回來的鋼絲繩拉力信號。

根據(jù)實(shí)際施工土質(zhì)，設(shè)定波浪補(bǔ)償器蓄能器壓力。在ADAMS軟件中，通過設(shè)定耙頭和泥面之間的接觸阻尼，來模擬施工土的性質(zhì)。以廈門海域某項(xiàng)目中粗砂施工過程為例，蓄能器總輸出壓力為30 bar左右。在本次仿真中單個蓄能器的工作壓力設(shè)定為30 bar，預(yù)充壓力為21 bar，蓄能器容積為1 400 L，節(jié)流孔直徑為150 mm。液壓缸活塞桿的行程極限為3 m，質(zhì)量為1 kg，直徑為400 mm。

對ADAMS和液壓軟件作聯(lián)合仿真時，設(shè)定單位必須一致，這里長度選用mm，力為N，質(zhì)量為kg，時間為s，角度為（°），頻率為Hz。由于在聯(lián)合仿真0時刻，鋼絲繩中沒有位移和速度，因此為了保證活塞桿初始受力平衡，鋼絲繩需要設(shè)定初始拉力，拉力大小為蓄能器總輸油壓力的一半。

圖3 液壓仿真模型Fig.3 Hydraulic simulation model

4 聯(lián)合仿真原理

運(yùn)用ADAMS建立耙吸挖泥船在外部載荷力作用下的虛擬樣機(jī)機(jī)械模型，其中液壓軟件搭建系統(tǒng)的液壓和控制部分。目前常用的聯(lián)合仿真方式有ADAMS主控和液壓主控兩種，本文采用ADAMS主控的方法。主要思路為：首先利用ADAMS計算出耙頭及船體垂蕩的絕對位移和速度，將位移和速度的合信號傳遞到液壓軟件里；然后利用液壓軟件計算出被動補(bǔ)償?shù)匿摻z繩拉力；最后將鋼絲繩拉力信號反饋給ADAMS，并繼續(xù)循環(huán)計算下去。在ADAMS中耙頭和船體的合位移和速度設(shè)置為輸入變量，將反饋回來的鋼絲繩拉力作為輸出變量，通過輸入與輸出變量實(shí)現(xiàn)兩個軟件之間的交互。聯(lián)合仿真原理如圖4所示。

圖4ADAMS和液壓軟件聯(lián)合仿真原理圖Fig.4 Co-simulation schematic diagram of ADAMS and hydraulic software

5 計算海浪工況

本文選取5個典型計算海浪工況，運(yùn)用ADAMS建立虛擬樣機(jī)仿真分析，以獲取船體運(yùn)動及各部件受力情況，仿真時主要觀測船體、耙頭垂向運(yùn)動，耙頭力及繩索力（聯(lián)合仿真時用液壓軟件的反饋力代替）。船身垂蕩位移作用在質(zhì)心處，不考慮縱向位移。輸入的船舶垂蕩位移數(shù)據(jù)經(jīng)由AQWA計算所得，選取的5個海浪工況如下：

工況1：9 s周期，1 m波高，船體重心垂向位移變化曲線如圖5所示；工況2：12 s周期，1 m波高；工況3：15 s周期，1 m波高；工況4：9 s周期，2 m波高；工況5：9 s周期，3 m波高。在以上所有工況中，挖泥船的航速均設(shè)定為1.5 kn。

圖5 工況1船舶重心垂向位移-時間曲線Fig.5 Vertical displacement-time curve of the ship "s gravity center under working condition 1

6 結(jié)果分析

根據(jù)計算海浪工況，輸入船舶重心垂向位移數(shù)據(jù)，經(jīng)二維插值獲得挖泥船樣機(jī)垂蕩運(yùn)動。在ADAMS模塊中選中Discrete（離散）和Interactive（交互）方式，ADAMS計算步長和AMESim輸出步長都設(shè)置為0.1，計算時間均為300 s。以工況1為例，該工況下挖泥船重心及耙頭垂向位移-時間曲線如圖6所示。由圖6可知，耙頭經(jīng)補(bǔ)償后的位移遠(yuǎn)小于挖泥船的重心位移，上下運(yùn)動的振幅只有5 cm，對實(shí)際施工的影響很小，滿足波浪補(bǔ)償?shù)墓こ绦枨?。再結(jié)合不同波高和不同波浪周期下的補(bǔ)償效果（如表1所示）可以看出，耙頭補(bǔ)償后的位移變化趨勢與挖泥船重心位移基本一致。隨著波浪周期的增長，耙頭補(bǔ)償后的位移也隨之增大，但是增加幅度逐漸減??；隨著波高的增加，耙頭補(bǔ)償后的位移線性增加。根據(jù)前文耙頭與挖泥船重心、液壓缸活塞位移之間的關(guān)系式可知，在液壓油壓力一定的條件下，耙頭的位移主要與挖泥船運(yùn)動位移相關(guān)，以上仿真的結(jié)果可以驗(yàn)證此結(jié)論。

圖6 工況1挖泥船重心及耙頭垂向位移-時間曲線Fig.6 Vertical displacement-time curve of the ship "s gravity center and rake head under working condition 1

表1 不同工況下的波浪補(bǔ)償結(jié)果Table 1 Wave compensation results under different working conditions

表2為不同工況下的鋼絲繩拉力基本數(shù)據(jù)。由表2可知，鋼絲繩的拉力變化趨勢同挖泥船的重心位移變化基本一致，隨著波高的增加，鋼絲繩張力變化幅度增大，周期不變；隨著周期增加，鋼絲繩張力增大幅度逐漸變小。張力變化幅值為張力均值的0.18%～0.3%，變化幅度較小，說明鋼絲繩總體情況下處于張力恒定即繃緊狀態(tài)，與前文所述被動式波浪補(bǔ)償器的原理相吻合，說明仿真結(jié)果是合理的。

表2 不同工況下鋼絲繩張力數(shù)據(jù)Table 2 Tensile force of the wire rope under different working conditions

7 結(jié)語

1）基于液壓軟件和ADAMS的聯(lián)合仿真技術(shù)可以對耙吸挖泥船波浪補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行很好地仿真模擬，能為該系統(tǒng)提供合適的虛擬試驗(yàn)平臺。

2）耙頭經(jīng)補(bǔ)償后的位移大幅小于挖泥船的重心位移，該耙吸挖泥船波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償效果基本滿足施工要求。計算結(jié)果表明，鋼絲繩在大部分時間下處于繃緊狀態(tài)，可以有效防止因鋼絲繩收縮引起的松耙現(xiàn)象。

3）在液壓油壓力一定的條件下，耙頭運(yùn)動主要受挖泥船運(yùn)動影響，不過相對于黑箱軟件實(shí)時輸入，在工程應(yīng)用中不可避免地要面臨補(bǔ)償反饋的時間差問題，導(dǎo)致耙頭位移變化相位滯后于船身，補(bǔ)償不及時。為了進(jìn)一步提高波浪補(bǔ)償器的補(bǔ)償精度，降低時滯影響，可以考慮在模型中加入主動和PID控制模塊。