柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)動力學(xué)分析及驅(qū)動控制方法研究.pdf

1、目前，世界各國普遍采用海底管道作為海洋油氣資源的主要輸送方式。然而，與陸地鋪管不同，復(fù)雜海洋環(huán)境下的水下鋪管作業(yè)在極大程度上依賴鋪設(shè)裝備。隨著世界范圍內(nèi)海洋油氣資源開發(fā)力度的不斷加大，海底管道鋪設(shè)裝備的作用顯得愈加重要。歐美國家在海底管道鋪設(shè)技術(shù)裝備領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先地位，而我國在理論研究及工程實(shí)際方面都存在明顯的差距。對柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及裝備進(jìn)行理論及工程化研究對于打破國外技術(shù)封鎖、提升我國海工裝備技術(shù)水平具有重要的意義。<

2、br>　　論文對柔性海底管道專用鋪設(shè)裝備的整體動力學(xué)性能及驅(qū)動控制方法進(jìn)行研究，以解決海洋作業(yè)環(huán)境下鋪設(shè)系統(tǒng)對管道運(yùn)動狀態(tài)及張力的控制問題，主要內(nèi)容包括：
　　概述了海底管道鋪設(shè)技術(shù)及裝備，并重點(diǎn)介紹了柔性海底管道及其鋪設(shè)系統(tǒng)。提出了論文重點(diǎn)研究內(nèi)容，主要包括：整體鋪設(shè)系統(tǒng)的動力學(xué)性能研究，阻尼鋪管工況下具有動力制動功能的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動技術(shù)研究以及海洋作業(yè)環(huán)境下系統(tǒng)的補(bǔ)償控制研究。對各相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、不足及可借鑒的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了綜述。<

3、br>　　以整體鋪設(shè)系統(tǒng)為研究對象，利用剛性有限元方法對柔性海底管道及剛性鋪設(shè)裝備進(jìn)行了離散和轉(zhuǎn)化，建立了廣義的柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)剛?cè)狁詈隙囿w運(yùn)動鏈簡化模型。建立了關(guān)節(jié)坐標(biāo)系來描述多體系統(tǒng)運(yùn)動鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并定義了各部件的局部、全局齊次坐標(biāo)變換矩陣。選擇部件連體坐標(biāo)的位置參數(shù)及方向參數(shù)為廣義坐標(biāo)，定義了一般部件的拉格朗日算子、重力勢能導(dǎo)數(shù)以及廣義力，建立了部件的第二類拉格朗日方程通式。將廣義坐標(biāo)、拉格朗日算子、重力勢能導(dǎo)數(shù)及廣義力等定義

4、為矢量，構(gòu)造分塊矩陣并對全部部件求和，建立了整體鋪設(shè)系統(tǒng)的第二類拉格朗日方程組，完成了對柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)的動力學(xué)建模。
　　針對所建立的動力學(xué)模型，利用MATLAB編制了方程求解程序。給出了柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)的一般模型參數(shù)、管道材料特性參數(shù)、鋪管船運(yùn)動參數(shù)等動力學(xué)方程求解條件。進(jìn)行了初始鋪管分析及靜平衡分析，研究了系統(tǒng)的驅(qū)動性能以及鋪設(shè)參數(shù)和管道參數(shù)等對管道張力、彎矩的影響。進(jìn)行了理想工況鋪管分析，獲得了系統(tǒng)鋪管速度及管道彎

5、矩、張力的穩(wěn)定值。分別針對鋪管船的六自由度空間運(yùn)動進(jìn)行了實(shí)際工況鋪管分析，獲得了對鋪管速度及管道張力、彎矩等指標(biāo)影響最為顯著的擾動項。針對該擾動項，取不同的峰值及周期參數(shù)進(jìn)行相同分析，研究了擾動影響程度。
　　介紹了柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)的作業(yè)過程并提出了系統(tǒng)主要裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括鋪設(shè)塔及其傾角調(diào)整系統(tǒng)、儲管滾筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的垂向、橫向、縱向位置調(diào)整裝置。重點(diǎn)對其中的縱向行走裝置進(jìn)行了研究。提出了在模擬尺蠖蠕動基礎(chǔ)

6、上增加了交替拖曳功能的行走運(yùn)動方法，并設(shè)計了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓驅(qū)動系統(tǒng)。對裝置蠕動爬行、交替拖曳的運(yùn)動過程及各部件運(yùn)動速度進(jìn)行了分析，建立了以機(jī)架行走速度最大為目標(biāo)、以液壓系統(tǒng)流量限制為約束條件的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對行走裝置垂向及縱向運(yùn)動時間進(jìn)行了優(yōu)化。
　　在動力學(xué)分析基礎(chǔ)之上，根據(jù)柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)正式鋪管作業(yè)階段的不同驅(qū)動要求，提出了儲管滾筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動及控制原理。設(shè)計了具有動力制動功能的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時可實(shí)現(xiàn)

7、對管道重力勢能的吸收、轉(zhuǎn)換和耗散。利用 MATLAB建立了包括機(jī)械傳動部件及液壓動力元件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，并設(shè)計了模糊控制系統(tǒng)，引入動力學(xué)分析中獲得的張力波動曲線進(jìn)行仿真分析，研究了系統(tǒng)的驅(qū)動及張力補(bǔ)償效果。
　　設(shè)計并制造了柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)主要裝備的樣機(jī)，并搭建了模擬管道重量及鋪管船運(yùn)動的陸地試驗(yàn)系統(tǒng)。分別模擬初始鋪管工況、理想無擾動工況以及位移擾動作用工況，對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了恒阻尼力矩鋪管試驗(yàn)以及張力補(bǔ)償鋪管試驗(yàn)。

8、對動力學(xué)分析結(jié)論、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動、動力制動性能及控制系統(tǒng)的張力補(bǔ)償性能進(jìn)行了驗(yàn)證。參照儲管滾筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)縱向行走裝置運(yùn)動速度優(yōu)化結(jié)論調(diào)定行走液壓系統(tǒng)流量，對裝置運(yùn)動過程及運(yùn)動速度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　論文利用剛性有限元方法和第二類拉格朗日方程建立了柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)動力學(xué)模型；設(shè)計了具有動力制動及吸收耗散負(fù)載功的液壓旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)，并設(shè)計了可實(shí)現(xiàn)張力補(bǔ)償?shù)尿?qū)動控制系統(tǒng)；研制了國內(nèi)首臺柔性海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)主要裝備樣機(jī)并進(jìn)行了陸