ROV被动式升沉补偿系统理论及试验研究

摘要

随着海洋活动的进一步开展、海洋资源的深入开采以及近年来国内外海底观测网技术的大力发展，无人遥控潜水器（ROV）被越来越广泛地得到应用。但是，母船在波浪作用下产生横摇、纵摇和升沉运动，这种运动特别是升沉运动通过主脐带传递到吊放的ROV等水下设备，将导致设备无法正常工作或对连接的缆索或脐带系统造成破坏。因此，有必要研制一套升沉补偿系统，以减小升沉耦合运动传导、吸收加速度动力、减少脐带松弛，以改善 ROV运动控制条件、防止脐带缆破坏、提高系统作业安全性。　　本文源自国家863重点项目——“4500m深海作业系统”，其目标是研制一套实用化的强作业型深海遥控潜水器（ROV）及其作业工具系统（水下升降装置、升沉补偿器、水下作业与救援工具等），以实现海底探测和取样、深海海底观测网布放和维修等作业功能。　　本文采用理论分析、计算机仿真和模型实验相结合的方法，对ROV系统的被动式升沉补偿器进行了研究。　　首先，论文在深入分析国内外现有的各种升沉补偿技术及各自优缺点的基础上，确定以串联被动式升沉补偿器作为4500m ROV系统的升沉补偿方案。同时根据4500m ROV的本体结构特征和吊放使用的脐带缆参数以及海况特征，提出了补偿器的性能指标，并对其进行了参数设计。　　其次，由于所设计的被动式升沉补偿器是非线性弹性系统，本文对串联被动补偿器的带缆式ROV系统建立了完整的动力学模型，推导并计算出系统在不同深度下的弹性刚度、自然周期等特性，并采用经典四阶龙格库塔法解微分方程、使用MATLAB仿真的方法，计算了系统在三种典型海况下的动力响应，进而分析补偿器的补偿性能，还对脐带缆弹性的影响进行了分析。此外，针对补偿器系统在长周期海况下，特别是大深度作业时，补偿效率低，甚至可能产生共振的问题，本文提出了在补偿器设置流量调节阀调节系统阻尼来提高补偿效率的解决方案，并对该方案通过数值仿真计算进行了验证。　　最后，本文对被动式补偿器进行了缩尺比为1:4的模型试验研究，通过模拟补偿器在不同海况和ROV不同作业深度下的补偿效果，来验证和提高设计及计算分析的可靠性，并为实际系统提供经验。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

1.2 国内外升沉补偿技术研究现状

1.3 本文研究内容和结构

第二章 4500m ROV升沉补偿系统设计

2.1 4500m ROV升沉补偿系统方案

2.2 4500m ROV被动式升沉补偿器的性能指标

2.3 4500m ROV被动式升沉补偿器的参数设计

2.4 本章小结

第三章 ROV被动式升沉补偿系统的动力学分析

3.1 系统动力学模型

3.2 升沉补偿系统特性分析

3.3 升沉补偿器性能的仿真计算分析

3.4 脐带缆弹性的影响分析

3.5 本章小结

第四章 升沉补偿系统共振问题分析处理