弯扭联合作用下的拖缆运动建模与分析

上海交通大学学报（自然版） ›› 2012, Vol. 46 ›› Issue (03): 451-457.

弯扭联合作用下的拖缆运动建模与分析

王飞1，马建文2，黄国樑1

（1. 上海交通大学海洋工程国家重点试验室，上海 200030；2. 上海海事大学商船学院，上海 200135）

收稿日期:2011-08-22 出版日期:2012-03-30 发布日期:2012-03-30
基金资助:
国家自然科学基金资助项目（10902067），上海海事大学科研基金资助项目（20100132）

Dynamic Modeling and Analysis of Towed LowTension Cable with Bending and Torsion Effect

WANG Fei-1, MA Jian-Wen-2, HUANG Guo-Liang-1

(1. State Key Lab. of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)

Received:2011-08-22 Online:2012-03-30 Published:2012-03-30

摘要/Abstract

摘要： 为解决水下低应力拖缆在弯扭联合作用下的运动建模问题，根据集中质量法基本原理，建立了一个四自由度（3个平动自由度和1个轴向转动自由度）运动数学模型，并采用数值仿真方法分析了弯扭矩对其运动的影响. 借鉴材料力学概念给出了具体的三维弯矩、扭矩、剪力等的确定方法；同时,为解耦拖缆平动和转动之间的耦合关系，引入零扭矩转角来考虑平动的影响以确定缆上实际扭矩；在此基础上计入拖缆浮力、重力、流体阻力、张力及弯扭耦合,以形成一个完整的运动模型. 最后给出了3个仿真算例，计算结果同实际弯扭影响运动规律一致，说明该模型是合理、有效的；同时计算结果还给出了一些有意义的运动规律.

关键词: 水下拖缆, 弯扭矩, 集中质量法, 数值仿真

Abstract: A mathematical scheme was proposed and derived to study the dynamics of towed low tension cable with both bending and torsion moment. According to the principle of the classic lumped mass method, a 4DOF (three degrees of translational motion and one degree of rotate motion) mathematical model was formulated, which is employed to analyze the effect of bending and torsion moment on cable. When modeling, the methods were given to determine the three dimensional bending moment, torsion moment and shear force, while a new variable, zerotorsion moment angle, was introduced to eliminate the effect of cables translational motion on torsion moment and finally get the actual torsion moment, then taking the cables buoyancy, weight, drag and tension into consideration so as to result in the whole mathematical model. Three simulation cases were presented subsequently, the results show good agreement with actual dynamic characters of bending and torsion moments effect, which thus validates the proposed mathematical scheme; these results also turn out some valuable conclusions.

Key words: towed cable, bending and torsion moment, lumped mass method, numerical simulation

中图分类号:

P 75

王飞1, 马建文2, 黄国樑1. 弯扭联合作用下的拖缆运动建模与分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(03): 451-457.

WANG Fei-1, MA Jian-Wen-2, HUANG Guo-Liang-1. Dynamic Modeling and Analysis of Towed LowTension Cable with Bending and Torsion Effect[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2012, 46(03): 451-457.

参考文献

［1］Grosenbaugh M A. Transient behavior of towed cable systems during ship turning maneuvers［J］. Ocean Engineering, 2007, 34: 15321542.
［2］裴轶群，李英辉. 二级深拖系统的瞬态仿真及升沉补偿［J］. 上海交通大学学报, 2011, 45(4): 581584.
FEI Yiqun, LI Yinghui. Secondary deepsea towed systems transient motion simulation and heave compensation［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011, 45(4): 581584.
［3］王飞，黄国樑，邓德衡. 水下拖曳系统的稳态运动分析与设计［J］. 上海交通大学学报, 2008, 42(4): 679684.
WANG Fei, HUANG Guoliang, DENG Deheng.
The design and steadystate simulation of underwater towed system［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2008, 42(2): 69684.
［4］朱克强，郑道昌，周江华，等. 采用凝集参数法对海洋缆索系统进行动态分析［J］. 中国航海， 2007, 72(3): 1012.
ZHU Keqiang, ZHENG Daochang, ZHOU Jianghua, et al. Dynamic analysis on ocean cables system with lumped parameter approach［J］. Navigation of China, 2007, 72(3): 1012.
［5］卢军，黄国樑. 水下拖曳系统收放安全性的模拟计算［J］. 上海交通大学学报, 2005, 39(5): 691700.
LU Jun, HUANG Guoliang. Numerical calculation of the security of deploying and retracting underwater towed system［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2005, 39(5): 691700.
［6］Howell C T. Numerical analysis of 2D nonlinear cable equation with application to low tension problems［J］. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 1992, 2(2): 110113.
［7］Gobat J J, Grosenbaugh M A. Timedomain numerical simulation of ocean cable structures［J］. Ocean Engineering, 2006, 33: 13731400.
［8］王飞，陈锦标，涂兴华. 低速低应力时拖缆运动仿真［J］. 上海交通大学学报, 2010, 44(6): 828832.
WANG Fei, CHEN Jingbiao, TU Xinghua. Numerical simulation of towed lowtension cable［J］. 上海交通大学学报, 2010, 44(6): 828832.
［9］Park H I, Jung H, Koterayama W. A numerical and experimental study on dynamics of a towed low tension cable［J］. Applied Ocean Research, 2003, 25: 289299.

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[1]	李嘉, 李华聪, 王玥. 变汽液比条件下高速燃油离心泵非定常特性分析研究[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(5): 622-634.
[2]	周宇, 赵勇, 于忠奇, 赵亦希. 交叉内筋薄壁筒体错距旋压成形数值仿真[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(1): 62-69.
[3]	杨世平, 董梦瑜, 李飞. 一种双悬臂梁柔性销轴的微动疲劳研究[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(3): 236-248.
[4]	王飞, 丁伟, 邓德衡, 吴小峰. 水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(5): 441-450.
[5]	王飞，涂卫民，邓德衡，吴小峰. 水下双阵列拖曳系统缆破断情况下的运动响应[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(2): 211-220.
[6]	孙锟, 李雪松, 陈晓东, 石锦坤. 基于OrcaFlex软件的柔性管缆正常铺设计算分析[J]. 海洋工程装备与技术, 2016, 3(2): 129-134.
[7]	胡永利, 尹汉军, 王盛炜, 姚宝恒, 连琏. 一种新型水下升降装置着底碰撞动力响应分析[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(03): 456-459.
[8]	欧阳义平，杨启. SPH法数值仿真三维切削破岩和切削力估算[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(01): 84-90.
[9]	柴象海1,2，张晓云3，史同承1,2. 超塑成形/扩散连接焊缝失效断裂仿真方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(04): 532-537.
[10]	高晶1，刘克素2，于忠奇1，林忠钦1. 双相钢板成形界面压力数值仿真及对板料表面损伤影响[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(05): 770-774.
[11]	王飞, 黄国樑. 导流缆拖曳系统准动态运动建模及仿真 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(10): 1658-1664.
[12]	朱信尧1, 宋保维1, 单志雄2, 王鹏1. 海底定点停驻无人水下航行器流体动力特性分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(04): 573-578.
[13]	王建炜, 金先龙, 曹露芬, 张伟伟. 列车载荷下隧道联络通道动态响应的并行计算[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(04): 591-595.
[14]	许黎明1,2，李荣洲1，许开州1，柴运东1，胡德金1. 高硬度涂层磨削温度场的数值仿真和实验研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2011, 45(11): 1705-1709.
[15]	赵利华，张开林. 构架侧梁焊接反变形量的优化分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2011, 45(11): 1700-1704.