吸附式海缆检测潜航器系统设计及动力学分析

发布时间：2020-11-01 02:51

　　 海缆需要定期维护和检测,同时海底电缆损坏现象时有发生,其破损后的排查及修复难度较大。本文主要工作是设计海缆检测潜航器并对其进行动力学分析。首先,在分析了国内外海底管线检测相关的水下潜航器的基础上,根据海底沉积物和海流特点,提出采用电磁轮吸附海缆的检测方式,使海缆变为导轨,在海缆的引导作用下,降低了潜航器控制的难度。然后,提出了潜航器主体机械部分设计方案,并针对承力部件采用ANSYS Workbench进行静力学分析;且利用经验公式推导了耐压舱的理论设计厚度,和分析结果进行了对比,验证了设计的合理性。同时,对吸附组件进行了详细分析,设计了采用外转毂的电磁吸附轮,降低了密封难度。其次,对吸附式海缆检测潜航器进行了受力分析,并建立了潜航器六自由度空间运动方程。再次,本文采用有限元软件进行了水动力学分析,用Fluent软件仿真计算了直航、斜航、俯仰航三种工况下,潜航器在不同流速、漂角、攻角状态下的运动受力情况,并对潜航器受到的正向、垂向、横向阻力以及由这些力产生的力矩进行详细分析。利用计算得到的潜器阻力数据确定了推进器的最小推力。此外,依据得到的阻力数据,计算了潜航器的水动力系数,进一步完善了潜航器动力学模型。数值计算与仿真结果为潜航器运动性能预报和操控性设计提供了重要参数依据。最后,在样机初步研制完成后进行了系统调试、推力测试;并初步进行了拖拽实验,获得了潜航器轮部淤泥阻力数据,以及潜航器在不同速度下的水阻力,和仿真结果进行了对比,验证了仿真结果的合理性。本课题研究也可为同类研究参考。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P756.1
【部分图文】：

图 1.1 海底电缆修复析其维修过程不难发现，维修的难点在于故障点的定位，海缆故障点的大致力监测部门确定，但精确的损坏点需要水下机器人确定，否则只能下“盲钩缆难打捞，打捞会对海缆结构带来损害，带来安全隐患的同时，使得维修周剧。因此需要海缆巡检设备，来对海缆故障点进行定位，同时也可对电缆的测，及时发现海缆的安全隐患并消除。我国用于海底电缆施工、巡检、维护的机器人数量极少，海底通信电缆、气田电缆等的铺设和维护一般都是购买或租用国外机器人及，花费巨大且工旦损坏必须寄回原厂维修，维修期高达几个月，延误工期。因此研制具有自下机器人、开展海缆维护和检测作业研究，已经迫在眉睫。通过此类海缆巡和开发，不仅可以提高我国开展海缆作业的水平，还可满足生产作业的迫切得到控制和保障，减小对国外技术人员的依赖，培育国内技术和操作人员。缆检测设备及原理概述检测和探测的手段众多，但主要有以下几种（见表 1.1）。以下几种设备有

貌和海缆的图像，以到达检测的目的[9]。水下摄像摄像是指水下机器人携带水下摄像机到达指定海域，利用水下灯补充光线潜航器改变摄像机的视角和观测点，完成对海缆的路由录像和摄影；由此效果更加直观可靠，但受制于海底无光、海水浑浊、水下灯补充的光线有进时激起的海底杂质扰乱视野，因此其画面往往不够清晰，受干扰严重；域采用黑白摄像机进行水下摄像可以达到一定的缓解目的。电磁感应设备感应设备利用电磁感应原理，接收加载在电缆上的特定频率信号，常见的有仪，其属于有源探测设备。原理是利用磁感应线圈与海缆的角度关系：当行，感应电流最小；垂直时感应电流最大；当线圈与海缆成一定角度时，在数学换算关系。TSS350 设备上同时采用两个夹角 90°的感应线圈，通过量值获得海缆相对探测器的夹角，由于感应线圈的相互夹角和间距已定，角值计算出海缆的相对空间位置，从而获得海缆的走向和深度数据[8]。其.2。

其工作原理图如图 1.3。图 1.3 多波束的波束构成和工作原理示意图1.3 国内外海缆检测与铺设相关潜航器研究现状依据潜航器执行水下任务的不同，其可大致分类为：水下环境观测用和工程用。其中水下环境观测用潜航器可执行水文环境检测、水底地质环境检测、水下考古等任务；工程类潜航器主要应用在水下线管铺设和检测维修。目前国际上被研发用来进行水下线管铺设和检测的潜航器主要有以下几款。（1）英国 SMD 系列产品：英国 SMD 公司是全球深海机器人第二大提供商和国际领先海底工程机械制造商，也是全球首屈一指的商业海底采矿和管线埋设设备提供商。其海底喷冲和犁式式挖沟机、线缆铺设工程机械在全球市场占半壁江山，产品遍及 30 多个国家和地区。此外其作业级 ROV 成熟度高，是可靠的商业化产品（图 1.4）。该公司于 2015 年被南车时代电气收购[11,12]。图 1.4 SMD 履带式 ROV 作业系统
【参考文献】

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1 曲文新;韩端锋;刘峰;;载人潜水器耐压壳结构临界失稳压力研究[J];船舶;2013年03期

2 徐道春;冯平法;郁鼎文;吴志军;;铝合金6061-T6高速切削物理仿真材料本构模型[J];农业机械学报;2012年12期

3 王裕霜;;世界各国海底电缆输电工程发展概述[J];科技和产业;2012年04期

4 曾亮;王艳;李明波;姜卫;;TSS350系统在海底电缆探测中的应用[J];工程勘察;2012年04期

5 王振红;潘永坚;潘国富;陈培雄;;舟山—岱山间西部海域第四纪海底沉积物物理力学指标统计分析[J];海洋通报;2011年05期

6 熊传志;江国金;胡必文;詹传明;;基于ANSYS Workbench的带环肋耐压壳体的刚度分析[J];机电工程技术;2010年12期

7 徐伟;王斌;姜元建;;低压电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J];电测与仪表;2010年S2期

8 张燕;徐国华;徐筱龙;余琨;;微型开架式水下机器人水动力系数测定[J];中国造船;2010年01期

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4 郭彤;海底电缆受船舶锚害风险研究[D];天津大学;2013年

5 张磊;基于船舶应急抛锚的海底管道埋深及保护研究[D];武汉理工大学;2013年

6 肖鹏;海底电缆抛石保护层抗锚害能力分析[D];华中科技大学;2012年

7 李洁敏;水下机器人运动控制系统的研究[D];东北大学;2011年

8 靖海宏;潜水器耐压壳结构稳定性分析与研究[D];武汉理工大学;2011年

9 段三军;一种小型开架式水下机器人系统的研制[D];北京邮电大学;2011年

10 袁伟杰;自治水下机器人动力学建模及参数辨识研究[D];中国海洋大学;2010年

本文编号：2864919