可变长水下柔性缆索的变长机理建模与试验研究

As an important link between the underwater equipment and the mother vessel, the safety of the underwater umbilical cable is the prerequisite for the normal operation of the underwater equipment. However, when the underwater equipment is reeled in or paid out, the harsh sea state and oscillation of cable system become important factors affecting the safety of the underwater cable. The underwater flexible cable is used as the research object in this project, and modeling and experimental of variable-length mechanism for variable-length underwater flexible cable is researched. The specific contents include: the 3D geometrically nonlinear discrete model with complete dynamic characteristics and its boundary conditions for variable-length underwater flexible cable; the derivation of implicit time integration formulation according to the cable model and its process of numerical calculation, the nonlinear finite element analysis program, time domain simulation with model parameters and initial conditions; through comparison between the laboratory tank test and simulation results, the effectiveness of variable-length underwater flexible cable dynamics model and 3D nonlinear finite element analysis program is established. The purpose of this project is to provide a method for predicting and evaluating the dynamic characteristics of variable-length underwater flexible cable, and to reveal the special law of motion in the complex underwater environment and lay the theoretical and technical foundation of the optimization design, dynamic analysis and actual launch and recovery operation for the underwater equipment.

作为连接有缆水下装备与母船的重要纽带，水下脐带缆的安全是有缆水下装备正常作业的前提条件。然而，有缆水下装备收放与作业时的恶劣海况及水下缆索系统的振荡，成为影响水下缆索安全的重要因素。本项目以收放时的水下柔性缆索为研究对象，对可变长水下柔性缆索的变长机理模型的构建与水池试验进行基础科学研究。具体内容包括：研究具有完备动力学特性的可变长水下柔性缆索的三维几何非线性离散模型及其边界条件；推导与模型相适应的隐式时间积分算法形式及数值计算流程、编制非线性有限元分析程序、设置模型参数与初始条件并进行时域仿真；通过对比可变长缆索的实验室水池试验与时域仿真结果，确立可变长水下柔性缆索三维动力学模型和非线性有限元分析程序的有效性。本项目旨在提供用于预测和评估可变长水下柔性缆索动力学特性的方法，以揭示缆索在复杂水下环境中的特殊运动规律，为有缆水下装备的优化设计、动力学分析和实际收放操作奠定理论和技术基础。

脐带缆的安全是深海ROV在水下正常作业的前提条件。然而，深海ROV水下作业时的海洋环境较为恶劣，母船在较高海况下产生大幅升沉运动，带动脐带缆在水下产生复杂的三维空间运动，甚至导致缆的反复弯曲而断裂，发生丢失深海ROV的严重事故。本项目以收放时的水下柔性缆索为研究对象，主要内容包括：构建了空间大位移运动下的定长缆连续性方程以及变长缆连续性方程，实施了变长缆连续性方程的线性化、离散化与总体组装过程，确定了变长缆连续性方程的运动学或动力学边界条件；推导了与之相适应的隐式时间积分算法描述及对应的计算流程，采用高级计算机语言Fortran构建了可变长水下柔性缆索模型的非线性有限元程序框架，完成了前处理、求解与后处理各环节的调试；设计了典型数值算例，仿真分析可变长水下柔性缆索的时域动力学特性，并与水池试验结果进行对比，验证了所提出的变长缆模型及相应算法的有效性。由变长缆的运动分析可知，竖直平面情形中，在有升沉运动的情况下，连续的动态构型边缘，也即末节点的运动轨迹，呈现锯齿形状，而在无升沉运动情况下则无此形状；在三维情形中，尽管缆索的构型不在同一个平面，也会出现类似的现象。这说明了升沉运动可通过缆索以波的形式传播到末端，使之具有与首端相类似的运动形式，而且这种传播与恒定海流流速、末端恒力作用关系不大，虽然这些作用可以改变缆索的动态构型。本项目的成功实施将有助于大深度有缆水下装备的研发及其收放作业安全性能的提高，在水下缆索参数设计或选型时可提前模拟和分析缆索系统的动态响应，及早发现问题和纠正，进而提高有缆水下装备的设计效率和可靠性，因此具有重要的理论意义和工程应用价值。