管道S型初始鋪設(shè)力學(xué)模型研究及在仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、海底管道作為海洋油氣資源的主要輸送方式，與陸地上的管道鋪設(shè)相比，在充滿了各種不利因素的復(fù)雜海洋環(huán)境中鋪設(shè)管道，其施工作業(yè)的工藝更為復(fù)雜，對(duì)作業(yè)人員的操作要求也更高。在管道鋪設(shè)期間，由于海流和波浪的存在，管道受到各種彎曲應(yīng)力的作用，鋪管船在波浪中的運(yùn)動(dòng)方式也將導(dǎo)致管道形態(tài)和應(yīng)力的變化。本文基于201船實(shí)際作業(yè)環(huán)境，針對(duì)管道初始鋪設(shè)作業(yè)，研究管道在常值海流下靜態(tài)鋪設(shè)形態(tài)和受力以及在波浪、鋪管船運(yùn)動(dòng)影響下管道的振動(dòng)特性。準(zhǔn)確地模擬出初始鋪管作

2、業(yè)中管道和起始纜的形態(tài)，有助于創(chuàng)建一個(gè)逼真的深水鋪管起重船鋪管作業(yè)虛擬訓(xùn)練環(huán)境。
　　（1）根據(jù)實(shí)際鋪管工藝流程以及對(duì)作業(yè)人員的需求，建立了一套鋪管作業(yè)視景仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括指揮員系統(tǒng)、教練員系統(tǒng)、張緊器系統(tǒng)、動(dòng)力定位（DP）系統(tǒng)。對(duì)于鋪管作業(yè)仿真系統(tǒng)，綜合考慮了海況、鋪管船、DP等多種因素對(duì)鋪管作業(yè)的影響，構(gòu)建了 DP、視景、張緊器等模塊數(shù)據(jù)交流模型，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)鋪管仿真系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，針對(duì)仿真系統(tǒng)計(jì)算程序的需求和鋪管作業(yè)各

3、種算法的分析，確定了視景仿真系統(tǒng)鋪管作業(yè)的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了鋪管數(shù)學(xué)模型的程序化。
　?。?）對(duì)管道 S型初始鋪設(shè)作業(yè)中管道和纜索進(jìn)行靜態(tài)受力分析。首先在自然坐標(biāo)系下建立管道微分方程，利用差分法對(duì)非線性微分方程進(jìn)行離散化處理；然后采用擬牛頓法對(duì)方程進(jìn)行求解，準(zhǔn)確解算出管道節(jié)點(diǎn)的形態(tài)及其內(nèi)力，根據(jù)纜索微段受力建立平衡方程，并迭代出纜索節(jié)點(diǎn)位置及內(nèi)力；最后將仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與OFFPIPE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，從而驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性，且

4、分析了不同流速下管道形態(tài)和內(nèi)力的變化。
　　（3）基于海上實(shí)際鋪管作業(yè)，研究海況和動(dòng)力定位等對(duì)管道的影響。根據(jù)海洋作業(yè)環(huán)境以及線性波理論分析出波浪速度隨水深變化的分布，采用Morison方程推導(dǎo)出管道單元的波浪載荷數(shù)學(xué)模型，基于梁理論及哈密頓原理建立了管道在波浪作用下的振動(dòng)數(shù)學(xué)模型；結(jié)合初始鋪管作業(yè)的特點(diǎn)，采用合適的數(shù)值算法迭代出管道振蕩位移及其內(nèi)力；通過(guò)仿真算例分析了不同海況下波浪對(duì)鋪管作業(yè)中管道的影響以及管道關(guān)鍵位置作用力的實(shí)

5、時(shí)變化。
　?。?）通過(guò)聯(lián)立鋪管作業(yè)各工位，在鋪管作業(yè)仿真系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試以及仿真算法理論的驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)海上201船實(shí)際作業(yè)中具體案例的仿真模擬，鋪管仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各個(gè)工位視景畫(huà)面顯示流暢，主界面數(shù)據(jù)傳遞顯示快速正確；最后通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行了張緊器的張力測(cè)試，分析了在波浪和船體共同作用下管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的算法理論能有效地應(yīng)用于S型管道初始鋪設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)海上鋪管作業(yè)方案的工程預(yù)演、可行