鄭航，馬武杰，黃文全

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

0 引言

三峽測量2號船在進行三峽樞紐河段水下地形測量作業(yè)時，需要將多波束測深儀配套的換能器通過支架固定在右舷處，船舶吃水深度1.2 m以上位置。換能器重約40 kg，如圖1所示。以往支架僅由單根無縫鋼管組成，支架重約100 kg，作業(yè)時僅靠人力進行現場安裝，非工作狀態(tài)下則拆卸放置在船艙，安裝和拆卸至少需要5人在舷邊臨水作業(yè)，利用船棚懸掛葫蘆滑輪輔助安裝。安裝過程中，人員臨水作業(yè)，換能器及支架懸掛在鋁合金船棚上，人員、設備安全風險高，安裝效率偏低。

圖1 多波束測深儀換能器

為實現多波束測深儀換能器安裝拆卸安全高效、穩(wěn)固牢靠，保障施工人員安全，提高工作效率，本文圍繞多波束測深儀換能器支架工裝設計進行研究，并試制相應工裝，進行實地試驗[1-3]。

1 多波束測深儀換能器支架工裝結構設計

1.1 多波束測深儀換能器支架工裝設計要求

1）支架工裝需滿足拆卸方便，非工作狀態(tài)下牢固鎖定于船上，正常使用時通過簡單翻轉將換能器置于水下，進行測量工作。

2）支架工裝需滿足水下測量工作的環(huán)境要求。工裝支架在使用過程中長期浸水，需承受最大航速11 km/h下水流阻力（水流流速按下泄流量30 000 m3/s的情況計算）。

3）支架工裝需滿足船檢的外形尺寸限制要求。受船舶船檢的外形尺寸限制，工裝安裝位置有一定的空間約束，不得超過船舷防撞梁，控制在船舷外側以內。

1.2 支架工裝設計參數及受力分析

通過查閱測量2號相關圖樣數據及以往對測量2號作業(yè)段流速測量的相關數據，對多波束支架設計尺寸、安裝位置進行核實，確定了支架工裝的設計邊界條件。

1.2.1 設計技術參數要點

1）旋轉關節(jié)部位采用軸承[4]，減小對吊點的輔助受力需求；設計換能器安裝平臺，在船舶護欄內側完成所有操作，降低臨水作業(yè)安全風險，減小人員勞動強度，安裝人員控制在3人以內。

2）對所設計的支架工裝進行有限元分析[5]，將船只最大航速和工作狀態(tài)的最大水流速度作為其邊界條件進行計算，若不符合強度要求則對結構進行優(yōu)化，直至滿足水下工作要求[6]。

3）支架工裝需滿足船檢的外形尺寸限制要求。受船舶船檢的外形尺寸限制，工裝安裝位置有一定的空間約束，不得超過船舷防撞梁，控制在船舷外側120 mm以內。且多波束換能器安裝固定位深度大于吃水深度，護欄到船底距離約為2.3 m。利用測量2號右舷原支架限位法蘭和鎖定螺紋孔進行限位和鎖定，盡量避免對過道空間的占用，減少因支架工裝安裝對船舶的外形改變。

1.2.2 換能器受力計算

測量2號作業(yè)段按流量峰值為30 000 m3/s、流速為3.87 m/s計算。測量2號在30 000 m3/s流量進行測量作業(yè)時逆流安全航速為10～11 km/h，取最大航速11 km/h，即3.06 m/s進行計算。

對于淹沒于水中的球體或圓柱體受到的水平拖曳力，J. B. Evett等[7]在《流體力學基礎》一書中提出的水平拖曳力公式為

式中：FD為水平拖曳力，N；CD為拖曳力系數；γm為渾水重度，N/m3；u為球體或圓柱體中心作用的水流流速，m/s；A為球體或圓柱體在垂直于來流方向的投影面積，m2；g為重力加速度，m/s2。

水下球體或近似球狀物體的拖曳力系數，基本不受水流及物體形態(tài)影響，拖曳力系數CD趨于0.40～0.56，可取CD=0.50。對于含沙量較少的長江水，渾水重度γm=10 kN/m3，多波束換能器支架部分水下高度可設計為2 m，投影面積A1=2×0.108=0.216 m2，多波束換能器部分投影面積A2=π×0.322÷4=0.080 m2。水流速度u最大為船速與水流速度之和，即u=3.87+3.06=6.93 m/s。

由此可計算多波束換能器支架部分受到的水平力為

1.3 支架工裝設計裝配圖

通過查閱測量2號相關圖樣數據，并對支架需要完成的動作及支架安裝使用條件進行分析后，設計出如圖2所示的支架工裝三維圖，支架工裝工作時的長度為3500 mm，工作支架圓鋼外徑為φ108 mm。

圖2 支架工裝三維裝配圖

將設計的三維圖整體導出至CAD，得到的二維圖樣如圖3所示。

圖3 支架工裝二維裝配圖樣

采用三維軟件將支架工裝安裝于測量2號船上，并觀察其不同姿態(tài)與船體是否存在干涉。圖4為換能器及支架工裝安裝于測量船上，處于非工作狀態(tài)，換能器及支架通過兩側的鎖定螺栓8固定在船上；圖5為換能器工作第一步，換能器支架工裝向外翻轉90°，兩側撐桿同步繞支座軸線旋轉90°至圖示位置；圖6為換能器支架工裝工作狀態(tài)，解除換能器側螺栓鎖定后，換能器及工作支架通過軸承11繞第一撐桿2軸線向下旋轉90°，最后采用螺栓將其固定在測量船上，跟隨船體運行并執(zhí)行測量任務。

圖4 換能器支架工裝非工作狀態(tài)

圖5 換能器支架工裝向外翻轉90°

圖6 換能器支架工裝工作狀態(tài)

2 多波束測深儀換能器支架工裝有限元分析

參照李萬全[8]的《ANSYS 14.5機械與結構分析實例詳解》進行有限元分析[9]。對于多波束換能器支架三維模型，其結構較為復雜，直接在ANSYS軟件中建模較為復雜，可將三維實體模型在三維建模軟件中處理后導入到ANSYS 軟件中，得到如圖7所示ANSYS計算模型。

圖7 支架工裝ANSYS計算模型

采用Solid187單元進行四面體網格劃分，工裝材料選用Q235-A，Q235-A材料特性如表1所示。

表1 Q235-A材料的力學性能

在ANSYS軟件中對工裝進行網格劃分，得到整體有限元模型如圖8所示，其中，單元數為328 986個，節(jié)點數為501 535個。

圖8 支架工裝整體有限元模型圖

2.1 工裝邊界條件

實際工作過程中，支座通過螺栓固定在船上，支架也通過螺栓固定于船舷上，支架及換能器主要受到水的阻力。故可等效施加如下邊界條件：1）對換能器和支架所有體進行glue；2）在換能器左側圓弧面節(jié)點上施加980.10 N水平向右的力；3）在支架下部2 m側面節(jié)點上施加2646.27 N水平向右的力；4）在支座底部和支架與船舷接觸面節(jié)點施加全約束。圖9給出了支架工作時施加的邊界條件。

圖9 多波束換能器支架工作時邊界條件

2.2 支架工裝有限元計算結果分析

圖10多波束換能器支架的整體等效應力云圖如圖10所示，整體綜合位移云圖如圖11所示。由圖可知，整體等效應力的最大值為243 MPa，出現在支架上板與支架接觸處，表現為應力集中（即個別節(jié)點受載嚴重，此現象是由于用節(jié)點單元去模擬實體，載荷集中在個別節(jié)點上而產生，實體是連續(xù)的，力是均勻過渡的，不會集中在個別點上，故可忽略），其他地方的最大應力在150 MPa左右（圖中綠黃色部分，呈區(qū)域分布，可表示實體受力情況）；整體綜合位移最大值為21.011 mm，出現在多波束換能器底部。

圖10 支架整體應力分布圖

圖11 支架整體綜合位移云圖

圖12為工作支架等效應力云圖，圖13為工作支架綜合位移云圖。由圖可知，工作支架等效應力的最大值為243 MPa，出現在工作支架上板與支架接觸處，表現為應力集中，其他地方的最大應力在150 MPa左右；工作支架位移最大值為16.766 mm，出現在工作支架最底部位置。

圖12 工作支架應力分布圖

圖13 工作支架綜合位移云圖

圖14為多波束換能器等效應力云圖，圖15為多波束換能器綜合位移云圖。由圖可知，多波束換能器等效應力的最大值為22.7 MPa，出現在多波束換能器與安裝板接 觸位置；多波束換能器位移最大值為21.011 mm，出現在多波束換能器下部位置。

圖14 多波束換能器應力分布圖

圖15 多波束換能器綜合位移云圖

圖16為支座等效應力云圖，圖17為支座綜合位移云圖。由圖可知，支座等效應力的最大值為26.2 MPa，出現在支座板與中間板接觸的位置；支座位移最大值為0.0162 mm，出現在支座上部位置。

圖16 支座應力分布圖

圖17 支座綜合位移云圖

2.3 多波束換能器支架有限元分析結論

1）多波束換能器支架最大應力出現在工作支架上并與船舷同一高度處，其值為150 MPa左右，小于所選材料Q235的屈服強度值。

2）多波束換能器支架最大位移出現在底部位置，其值為16.766 mm，工作支架長度為3500 mm，變形度為0.48%，為彈性變形。

3 研究成果測試

3.1 廠內測試

在制作廠內完成裝配進行測試，如圖18所示。主要測試內容：1）多波束換能器支架工裝的場內模擬裝配，包括第一支座、第一撐桿、支架、第二支座、第二撐桿等安裝，檢查工裝安裝情況。2）將工裝調整到位，翻轉支架和支座，檢查軸承、支座轉動情況是否靈活。檢查支座鎖定螺栓鎖定效果及其它人工操作測試情況。

圖18 廠內裝配測試

多波束測深儀換能器支架工裝測試結論：工裝各部件組裝順利，組裝后各部件完整裝配規(guī)范，無干涉現象。廠內測試情況總體良好，具備現場安裝條件。預留限位法蘭、鎖定支撐暫不焊接裝配，根據現場安裝位置進行裝配焊接，制定現場安裝方案，做好現場安裝測試前的準備工作。

3.2 現場測試

在完成支架工裝廠內測試改造內容后，2021年11月5日在測量2號右舷安裝多波束測深儀換能器支架工裝，如圖19所示。對工裝從非工作狀態(tài)到工作狀態(tài)、再到非工作狀態(tài)進行反復試驗，各種姿態(tài)完成順暢，工作狀態(tài)也更加穩(wěn)固可靠，避免跨越護舷進行安裝操作，增加了操作安裝的安全性，且安裝操作人員數量也從原先的5人減少為2人，從非工作狀態(tài)調整到工作狀態(tài)時間也由原先的30 min左右縮短到5 min，極大地節(jié)省了人力、提高了效率。

圖19 現場應用試驗圖

4 結論

通過對多波束測深儀換能器支架工裝設計研究、強度校核及實際應用，可以得到如下結論：1）綜合考慮支架翻轉動作、現場安裝條件及使用要求，設計了滿足實際需要的多波束測深儀換能器支架工裝。2）采用三維建模軟件對支架工裝進行了建模研究，并用有限元軟件ANSYS對工裝強度進行仿真分析，結果顯示，所設計支架工裝能同時滿足使用和強度條件。3）實際應用了所設計校核的支架工裝，有效解決了以往多波束換能器使用過程存在的問題，提高了工裝安裝操作的安全性和效率，降低了勞動強度。