海洋地震拖纜阻力試驗范文

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《船舶工程雜志》2016年第一期

摘要：

海洋地震拖纜是海洋油氣資源勘探中的重要設備，為研究海洋地震拖纜在拖曳狀態(tài)以及有橫向干擾時的阻力特性，進行了縮比模型試驗。基于應變測試技術，設計研發(fā)了一套高靈敏度測力機構，用于間接測量拖纜及其附件的首端張力值，以求得拖纜的實際阻力。通過對實測數(shù)據(jù)的比較，分析了拖纜速度及橫向干擾對拖纜阻力的影響。試驗結果表明，在低速拖曳下拖纜阻力與速度的二次方成正比關系；在有橫向干擾時，拖纜阻力可看作無干擾時的平衡力和與干擾頻率有關的正弦脈動力的疊加，當干擾頻率一定時，脈動阻力幅值與平衡阻力的比值基本為常數(shù)。基于以上試驗結果，結合量綱分析法，能夠對實際拖纜阻力進行較好估算。

關鍵詞：

海洋地震拖纜；阻力測試；橫向干擾；試驗研究

海洋地震勘探是目前世界上進行海洋油氣資源勘探的主要手段。海洋地震勘探系統(tǒng)通常由拖船、重力導纜、水下勘探拖纜、纜載設備、尾繩、尾拖等組成，如圖1所示。拖纜長度一般為幾百到幾千米，重力導纜主要是用來限定拖點深度的，而尾拖則是讓拖纜尾部保持緊張狀態(tài)。在拖曳過程中，拖纜纜形近似為直線，拖纜保持張緊狀態(tài)，可認為拖纜在水中所受的重力與浮力基本平衡。由于海水的阻力作用，以及作業(yè)中常遇到的橫向周期性海流的干擾作用，拖纜在運動過程中所受阻力較大，在穩(wěn)定運行的工況下，拖纜所受阻力可以用首端張力值來代替[1]。目前國內外學者對水下拖纜的研究主要包括數(shù)值研究和試驗研究。AblowandSchechter（1983）[2]、Dowling（1988）[3]、Yamaguchi（2000）等人給出了拖纜運動的線性化模型并將有限差分法引入拖纜控制方程的求解中；王飛[4]討論了海流、海底、海水密度等對拖纜運動的影響；王春杰[5]研究了橫向海流作用下拖纜的姿態(tài)控制；張廣磊[6]使用廣義α算法模擬了拖纜的瞬態(tài)動力學特性；吳喆瑩[7]對拖纜的動態(tài)特性進行了仿真研究；劉濤[8]對模型拖纜進行了試驗研究，并分析了在穩(wěn)定直航及加速過程中拖纜首端張力和剪力的變化情況。由于之前學者對水下拖纜的研究主要集中在數(shù)值研究上，計算過程均進行了一定程度簡化，計算結果具有一定的局限性，在劉濤的試驗中，拖纜尾部是自由端，未連接尾拖，拖纜密度比水大，未能很好地模擬拖纜在水中的運動狀態(tài)，也未考慮外界干擾對拖纜阻力的影響。因此，本文在以上理論和試驗研究的基礎上，增加了重力導纜、尾拖和橫向正弦干擾等試驗條件，設計了新的拖曳試驗，自主研發(fā)了彈性測力機構，并通過標定試驗驗證了測力機構的可靠性，進一步研究了水下拖纜阻力與速度及干擾頻率的關系。

1試驗臺架及工況

拖曳試驗臺架俯視和側視圖如圖2和圖3所示。整個試驗系統(tǒng)分為拖車系統(tǒng)和拖曳系統(tǒng)兩部分。拖車系統(tǒng)由拖車、數(shù)據(jù)采集設備、橫向激勵機構、彈性測力機構及水下攝像機組成，拖曳系統(tǒng)由重力導纜、拖纜、尾拖組成，拖車系統(tǒng)與拖曳系統(tǒng)通過纜索連接。水池長50m，深3m，拖纜為注入酒精的硅膠管，在水中的浮力等于重力，其長為10m，直徑為0.025m。試驗分別測量3種拖曳對象在不加外激勵時5種拖曳速度下拖纜首端張力值，然后在對象III下分別測量每一速度下4種不同的干擾頻率下拖纜首端張力值，總計35種不同工況。試驗對象及工況如表1所示。

2彈性測力機構的設計及標定

在拖纜的水池拖曳試驗過程中，當拖曳速度較大時，拖纜所受的阻力是幾個牛頓的數(shù)量級，因此一般量程的力傳感器在精度上無法滿足要求。此外，由于試驗在水池中進行，對傳感器的密封與抗干擾性能的要求較一般力傳感器高。為滿足上述要求，本試驗采用自制的彈性測力機構。在對不同材料、不同形狀的彈性元件進行試驗后，選用聚丙烯材料制成的扁平狀物體作為試驗用彈性元件，此彈性元件不僅有較大的單位應變量，在本試驗測量的范圍內還具有良好的線性應力應變關系。連桿選用剛度遠大于彈性元件的實心鋼桿，鋼桿形變可以忽略不計。對設計的彈性測力機構進行標定試驗，測量此測力機構的靈敏度。彈性測力機構的標定試驗裝置圖如圖4所示。對設計的彈性測力機構進行多次標定試驗，試驗數(shù)據(jù)具有很好的一致性，取其中一組試驗結果進行擬合分析，如圖5所示，得出每牛的力會引起此測力機構268的微應變。

3試驗結果處理和計算分析

在試驗過程中，不可避免地會受到外界信號干擾，因此需要對測得的信號進行低通濾波，然后選取其在穩(wěn)定運動過程下的一段信號求出平均微應變，根據(jù)上述標定試驗的結果換算成阻力的大小。

3.1無干擾情況圖6～圖8給出了三種試驗對象在拖曳速度分別為0.3m/s、0.5m/s及0.7m/s下的微應變—時間圖。表2給出了試驗測得的不同工況下的首端張力。對象I的首端張力隨速度變化的曲線如圖9所示，試驗所用尾浮筒是用內空的圓錐形鋼質材料制成的。由于浮筒浮力等于重力，因此其首端張力等于其在水中運動時受到的水阻力。由圖9可知，在速度較低時，圓錐形內空的尾浮筒受水阻力與其速度的一次方近似呈正比關系，隨著速度的增大，水阻力也增大，且增大的速率更快，遠大于速度增加的速率。對象II、對象III下首端張力以及求得的拖纜阻力隨速度變化的曲線如圖10所示，拖纜阻力與速度二次方的關系曲線如圖11所示。由圖11可知，拖纜所受阻力F與速度V的二次方近似成正比關系，擬合曲線得到。理論上，當速度V=0時，F(xiàn)=0，但是由于試驗中存在裝置及水面波動等不可避免的影響，使得有0.024N的誤差，因誤差很小，故可忽略不計。這樣得到靜水中低速運動的此拖纜所受阻力。拖曳試驗速度達到1m/s以上時，拖曳系統(tǒng)變得不太穩(wěn)定，測得的拖纜阻力值變大明顯；對于實際運動的拖纜，可認為它們的Froude數(shù)相同，得出實際拖纜運動的臨界速度。

3.2有橫向正弦干擾時由于拖纜在實際拖曳過程中，不可避免地會遭遇橫向海流、拖船急轉彎等低頻干擾情況，因此有必要研究低頻干擾下拖纜阻力的變化情況。在對象III的試驗中，給系統(tǒng)加一水平橫向的正弦干擾，在不同頻率干擾下，保持干擾力幅值不變。拖纜運行過程的微應變—時間圖如圖12所示。根據(jù)試驗結果計算得出的不同工況下拖纜受到的平均阻力如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可以看出，忽略試驗誤差等因素，增加不同頻率的橫向正弦干擾時，拖纜所受的平均阻力基本不變。考慮到在有正弦干擾的情況下，拖纜上的張力也是周期變化的，為了保證拖纜能夠有效工作，需要研究運動過程中最大張力的變化情況。表4給出了不同速度下不同頻率時拖纜上的最大張力值。由表4數(shù)據(jù)可知，在有橫向干擾時，拖纜阻力可看作無干擾時的平衡力和與干擾頻率有關的正弦脈動力的疊加。同一速度下，外加干擾頻率增加時，拖纜最大張力增大；同一頻率下，正弦脈動力幅值與無干擾時平衡力的比值基本為常數(shù)，在0.3Hz、0.5Hz、0.7Hz、1.0Hz時增大的百分比大約分別為3%、6%、10%、15%。圖13和圖14分別給出了0.3m/s和0.7m/s時拖纜最大張力與平均張力隨干擾頻率的變化曲線。同一速度下，拖纜在不同激勵頻率時受到的平均阻力基本不變；同一頻率下，拖纜受到的最大阻力增加的百分比相同。在拖纜實際運行過程中，不可避免地會有橫向海流等低頻干擾，在考慮其安全性時，不僅要考慮拖纜受到的平均阻力，還要根據(jù)干擾頻率考慮其運動過程中可能發(fā)生的最大張力。

4結論

本文制定了詳細的試驗方案，自制了彈性測力機構，測量了靜水中不同對象不同工況下的拖纜首端張力值，同時增加了不同頻率的橫向正弦干擾，測量了此時拖纜阻力的變化情況，并對試驗結果進行了計算分析，得出以下結論：1）設計的彈性測力機構有很好的線性度和較高的精度，符合試驗的測量要求。2）低速拖曳狀態(tài)下拖纜阻力與拖曳速度的二次方成正比關系。3）在有橫向正弦干擾的情況下，拖纜阻力可看作無干擾時的平衡力和與干擾頻率有關的正弦脈動力的疊加。頻率越大，正弦脈動力幅值越大；當干擾頻率一定時，脈動阻力幅值與無干擾時的平衡阻力的比值基本為常數(shù)，在0.3Hz、0.5Hz、0.7Hz、1.0Hz時增大的百分比大約分別為3%、6%、10%、15%。同時，本文理論分析提出的無量綱數(shù)和試驗結論可以作為以后研究實際拖纜阻力的理論和依據(jù)。

參考文獻：

[1]劉濤.海洋資源勘探拖纜動力特性與姿態(tài)控制研究[D].上海:上海交通大學,2012.

[2]Ablow,C.M.Schechter.NumericalSimulationofUnderseaCableDynamics[J].OceanEngineering,1983(10):443-457.

[3]DowlingAP.TheDynamicsofTowedFlexibleCylinders.Part1.NeutrallyBuoyantElements[J].JournalofFluidMechanics,1988(187):507-532.

[4]王飛.海洋勘探拖曳系統(tǒng)運動仿真與控制技術研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[5]王春杰,張維競,劉濤.橫向海流作用下海洋地震拖纜姿態(tài)控制[J].大連海事大學學報,2011,37(1):9-17.

[6]張廣磊,張維競,劉濤.廣義α算法在拖曳陣列動態(tài)仿真中的應用研究[J].哈爾濱工程大學學報,2012(5):574-579.

[7]吳喆瑩,張維競,劉濤,等.海洋勘探拖纜動態(tài)特性仿真研究[J].船舶工程,2012,34(2):195-198.

[8]LiuT,ZhangWJ,MaJ.TransientDynamicAnalysisofTowedLow-tensionCablewithExperimentalVerification[J].JournalofShipMechanics,2013,17(3):197-213.

作者：陳旭 張小卿 張維競 單位：上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室