海底犁式挖溝機動力學分析與犁體曲面優(yōu)化.pdf

1、海底管道作為海上石油平臺和泊油船與陸地油氣庫之間的連接通道，其安全性倍受各國關注。為了防止海洋自然因素、船舶錨具及漁船拖網(wǎng)等對海底管道造成的巨大危害，需要對海底管道進行防護及固定，通常采用挖溝埋設的方法。海底犁式挖溝機是一種廣泛應用于海底管道挖溝埋設領域的作業(yè)裝備。研制具有自主知識產(chǎn)權的海底犁式挖溝機，對于我國海底管道挖溝埋設技術水平的提升具有重要的意義。本文著重研究海底犁式挖溝機犁體曲面的建模方法、犁體裂解海底土壤受力分析方法、犁體曲

2、面優(yōu)化方法以及挖溝機牽引力的計算與仿真方法，并針對海底挖溝作業(yè)系統(tǒng)，分析工程船和拖纜對挖溝機牽引路徑和運動響應的控制。
　　本文首先研究了犁體曲面的建模方法。采用水平直元線法建立犁體主切削面和翻拋曲面的數(shù)學解析方程及三維模型，對海底犁式挖溝機犁體曲面裂解翻拋海底土壤的過程進行了分析。根據(jù)工作面上土壤微元的運動機理，建立了犁體曲面的土跡線方程和犁體裂解土壤的動力學方程，得到了犁體牽引力的理論計算方法。分別對翻拋曲面曲率對土壤沿犁體曲

3、面翻拋的法向力及切向力的影響和摩擦系數(shù)、土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角對主切削面受力的影響進行了討論。
　　采用多目標遺傳算法對犁體曲面進行了優(yōu)化研究。針對一定的土壤工作環(huán)境，以犁體曲面的最小受力及最小工作面積作為目標函數(shù)，優(yōu)化了犁體主切削面的設計參數(shù)（入土角和面角）及翻拋曲面的設計參數(shù)（元線角差值、導曲線安裝角、切線夾角、開度）。根據(jù) PARETO解集選擇符合設計要求的優(yōu)化結果，采用高斯曲率的標準差評價優(yōu)化后的翻拋曲面的光順性，可實現(xiàn)減少

4、牽引消耗及節(jié)約加工材料的目的。
　　對海底犁式挖溝機的犁體裂解土壤過程及挖溝機牽引力計算方法進行了研究?；诰€性 DRUCKER-PRAGER塑性屈服準則的土壤彈塑性本構方程，結合一階線性水波確定的海底土壤動壓力方程，建立了海底土壤、海流、犁體相互作用的動力學方程及仿真模型。為了保證計算的收斂性，采用光滑粒子流體動力學法和歐拉-拉格朗日耦合法求解該仿真模型。基于挖溝機動力學方程，利用犁體牽引力的仿真結果，計算了挖溝機牽引力及行走機

5、構的支撐力。對比挖溝機牽引力的試驗結果，驗證了采用光滑粒子流體動力學法計算挖溝機牽引力的可行性，并討論了人工粘度對仿真結果的影響?；诶珞w牽引力的仿真結果，分析了犁體安裝位置對溝型的影響。結合海底環(huán)境情況，討論了海流、海底土壤物理力學參數(shù)（土壤彈性模量、不排水剪切強度、摩擦角）、海底復雜地貌（余弦波及側斜海底地貌）、海底沖擊載荷對犁體牽引力、行走機構支撐力和挖溝機牽引力的影響。
　　研究了海底犁式挖溝機海底作業(yè)路徑控制方法。基于質

6、量-彈簧-阻尼機械系統(tǒng)的建模方法，建立了三自由度工程船、拖纜、犁式挖溝機的動力學模型。采用三次樣條插值方法擬合挖溝機運行的工作路徑，得到了挖溝機所需的位移、速度、加速度以及工程船的參考路徑。為確保挖溝機沿著海底管道進行挖溝作業(yè)，采用滑?？刂品椒ê蚉ID控制方法對工程船的舵角和路徑進行了控制。根據(jù)拖纜在挖溝作業(yè)中的彈性力學特性，確定了挖溝機在工程船驅動下的運動輸出響應、拖纜單元的伸長量和受力情況。
　　設計并制造了海底犁式挖溝機的試