碩士畢業(yè)論文答辯

1、v 姓姓 名：名：v 導(dǎo)導(dǎo) 師：張忠林師：張忠林 副教授副教授v 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械電子工程業(yè)：機(jī)械電子工程哈爾濱工程大學(xué)碩士開(kāi)題答辯哈爾濱工程大學(xué)碩士開(kāi)題答辯2013年年1月月14日日21開(kāi)題結(jié)構(gòu)框架開(kāi)題結(jié)構(gòu)框架2345軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真緒論緒論3課題來(lái)源、目的及意義課題來(lái)源、目的及意義課題來(lái)源課題來(lái)源 研究目的研究目的 研究意義研究意義本課題來(lái)源于中國(guó)海洋石油工程股份有限公司的科本課題來(lái)源于中國(guó)海洋石油工程股份有限公司的科研項(xiàng)

2、目研項(xiàng)目“深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及原理樣深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及原理樣機(jī)研制機(jī)研制”課題的主要研究目標(biāo)是：通過(guò)對(duì)國(guó)外深水軟管鋪管設(shè)備課題的主要研究目標(biāo)是：通過(guò)對(duì)國(guó)外深水軟管鋪管設(shè)備的解讀與分析，掌握其工作原理，研制出滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)作業(yè)的解讀與分析，掌握其工作原理，研制出滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)作業(yè)需求的深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)，促進(jìn)我國(guó)深海油氣資源勘探需求的深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)，促進(jìn)我國(guó)深海油氣資源勘探與開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，最大限度降低海上鋪管操作的成本與開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，最大限度降低海上鋪管操作的成本 填補(bǔ)國(guó)內(nèi)深水柔性管道鋪設(shè)技術(shù)的空白填補(bǔ)國(guó)內(nèi)深水柔性管道鋪設(shè)技術(shù)的空白 降低管道鋪設(shè)的施工費(fèi)用和安裝成本，同時(shí)可擁有自主降低管道

3、鋪設(shè)的施工費(fèi)用和安裝成本，同時(shí)可擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)知識(shí)產(chǎn)權(quán) 培訓(xùn)國(guó)內(nèi)操作人員，自主控制施工時(shí)間，縮短施工周期，培訓(xùn)國(guó)內(nèi)操作人員，自主控制施工時(shí)間，縮短施工周期，提高管道鋪設(shè)效率提高管道鋪設(shè)效率4軟管鋪設(shè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀軟管鋪設(shè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀v 國(guó)外：國(guó)外：一些發(fā)達(dá)國(guó)家涉足海洋石油開(kāi)發(fā)的時(shí)間比較早，在海洋管道鋪設(shè)系統(tǒng)領(lǐng)域的一些發(fā)達(dá)國(guó)家涉足海洋石油開(kāi)發(fā)的時(shí)間比較早，在海洋管道鋪設(shè)系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)比較領(lǐng)先，且不斷向深海發(fā)展，對(duì)于軟管鋪設(shè)系統(tǒng)的研究比較成熟的公司主要技術(shù)比較領(lǐng)先，且不斷向深海發(fā)展，對(duì)于軟管鋪設(shè)系統(tǒng)的研究比較成熟的公司主要是荷蘭的是荷蘭的HUISMANHUISMAN公司公司v 國(guó)內(nèi)：國(guó)內(nèi)：與國(guó)際上

4、的發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)海洋石油開(kāi)采行業(yè)起步較晚，各種海洋油氣與國(guó)際上的發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)海洋石油開(kāi)采行業(yè)起步較晚，各種海洋油氣開(kāi)采、管道運(yùn)輸及維修設(shè)備研制水平都比較落后，尤其在深水軟管鋪設(shè)技術(shù)方面幾乎開(kāi)采、管道運(yùn)輸及維修設(shè)備研制水平都比較落后，尤其在深水軟管鋪設(shè)技術(shù)方面幾乎還是空白的，還需要進(jìn)行深入研究，努力縮小與國(guó)外的差距。還是空白的，還需要進(jìn)行深入研究，努力縮小與國(guó)外的差距。5v深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于深水區(qū)柔性管道的鋪設(shè)作業(yè)，它與鋪管船上的深水軟管深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于深水區(qū)柔性管道的鋪設(shè)作業(yè)，它與鋪管船上的深水軟管滾筒驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)合，完成軟管在海上的鋪設(shè)作業(yè)。滾筒驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)合，完成軟

5、管在海上的鋪設(shè)作業(yè)。v完成軟管的鋪設(shè)需要曲率調(diào)整輪、校直器、張緊器、懸掛夾具、角度調(diào)整液壓缸等各完成軟管的鋪設(shè)需要曲率調(diào)整輪、校直器、張緊器、懸掛夾具、角度調(diào)整液壓缸等各部分系統(tǒng)的緊密配合。部分系統(tǒng)的緊密配合。軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究能夠在能夠在600m600m水深的海域內(nèi)進(jìn)行軟管鋪設(shè)作業(yè)水深的海域內(nèi)進(jìn)行軟管鋪設(shè)作業(yè)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)的鋪管能力為軟管鋪設(shè)系統(tǒng)的鋪管能力為75t75t鋪設(shè)軟管的直徑范圍在鋪設(shè)軟管的直徑范圍在4 4 -12-12系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)要求如下：系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)要求如下：6軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究v初始狀態(tài)初始狀態(tài)v正常鋪管狀態(tài)正常鋪管狀態(tài)

6、v結(jié)束狀態(tài)結(jié)束狀態(tài)7軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究v 校直器方案選擇校直器方案選擇方方案案一一方方案案二二 方方案案一一 方方案案二二v 懸掛夾具方案選擇懸掛夾具方案選擇8曲率調(diào)整輪的曲率半徑曲率調(diào)整輪的曲率半徑R R，要滿(mǎn)足下式的條件，要滿(mǎn)足下式的條件軟管鋪設(shè)系統(tǒng)曲率調(diào)整輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)曲率調(diào)整輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)min1.1RR22 1.1 2.4m5.28mDR=炒1 1、調(diào)整輪直徑的確定、調(diào)整輪直徑的確定通常情況下，管道的彎曲半徑不得小于通常情況下，管道的彎曲半徑不得小于1.11.1倍的最小彎曲半徑倍的最小彎曲半徑查表查表

7、2.12.1，得到，得到COFLEXIPCOFLEXIP公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的1212柔性管道允許的最小彎曲半徑是柔性管道允許的最小彎曲半徑是2.4m2.4m取曲率調(diào)整輪直徑為取曲率調(diào)整輪直徑為D D5.5m5.5m為管道允許的最小彎曲半徑為管道允許的最小彎曲半徑minR9軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1軸承端蓋；2螺栓；3軸承座；4軸套；5輪轂；6輪軸；7輻條；8軸承 軟管鋪設(shè)系統(tǒng)曲率調(diào)整輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)曲率調(diào)整輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 2、調(diào)整輪的安裝、調(diào)整輪的安裝曲率調(diào)整輪轉(zhuǎn)軸安裝結(jié)構(gòu)示意圖曲率調(diào)整輪轉(zhuǎn)軸安裝結(jié)構(gòu)示意圖 10軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管

8、鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)v懸掛夾具是鋪管系統(tǒng)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，本文中懸掛夾具采用液壓缸和楔形懸掛夾具是鋪管系統(tǒng)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，本文中懸掛夾具采用液壓缸和楔形增力機(jī)構(gòu)來(lái)夾持軟管，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是夾持管道時(shí)可以利用楔形面將液壓增力機(jī)構(gòu)來(lái)夾持軟管，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是夾持管道時(shí)可以利用楔形面將液壓缸的驅(qū)動(dòng)力放大，達(dá)到增加夾緊力的目的。缸的驅(qū)動(dòng)力放大，達(dá)到增加夾緊力的目的。 楔形滑塊組件楔形滑塊組件 懸掛夾具總體結(jié)構(gòu)圖懸掛夾具總體結(jié)構(gòu)圖 11軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)v 懸掛夾具受力分析懸掛夾具受力分析v懸掛夾具轉(zhuǎn)動(dòng)臂閉合懸掛夾具轉(zhuǎn)動(dòng)臂閉合v液壓缸驅(qū)動(dòng)楔

9、形滑塊預(yù)夾緊管道液壓缸驅(qū)動(dòng)楔形滑塊預(yù)夾緊管道軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)vA楔形滑塊vB基座vC管道BAR 夾具對(duì)管道的夾緊力ABR 管道對(duì)夾具的反作用力G管道在水中的重力l楔形滑塊的傾斜角度，取為15fABr 、 之間的摩擦系數(shù)，取為0.25，可得 14 夾具緊靠預(yù)夾緊后，基座夾具緊靠預(yù)夾緊后，基座B B固定，固定，A A與與C C無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可看做一個(gè)整體無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可看做一個(gè)整體12軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)max108kg/m600m64.8TGml=按照鋪設(shè)深度按照鋪設(shè)深度600m,600m,對(duì)懸掛夾具進(jìn)行受力分析，忽略海水的浮力，管

10、道在重量如下式所示對(duì)懸掛夾具進(jìn)行受力分析，忽略海水的浮力，管道在重量如下式所示70GT軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)ACR 為楔形滑塊對(duì)管道的正壓力結(jié)構(gòu)受力圖簡(jiǎn)化為力的多邊形圖結(jié)構(gòu)受力圖簡(jiǎn)化為力的多邊形圖考慮海上風(fēng)浪載荷等情況考慮海上風(fēng)浪載荷等情況13軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證夾具正常工作，實(shí)現(xiàn)夾持管道的功能，楔塊與管道之間的摩擦力要保證夾具正常工作，實(shí)現(xiàn)夾持管道的功能，楔塊與管道之間的摩擦力必須要大于管道在海水中的重量，即要滿(mǎn)足下式：必須要大于管道在海水中的重量，即要滿(mǎn)足下式：sin()2BAGRlr+=70T70T72.19T2sin(

11、)2sin(1514 )2sin29BAGRlr鞍=+cos()72.19T cos(1415 )62.97TACBARRlr=+=窗+2ACACGfR70T58.33T22 0.6ACACGRf=由以上分析可知，所設(shè)計(jì)的懸掛夾具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的安全夾持。由以上分析可知，所設(shè)計(jì)的懸掛夾具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的安全夾持。根據(jù)力多邊形，對(duì)懸掛夾具的夾持能力進(jìn)行校核根據(jù)力多邊形，對(duì)懸掛夾具的夾持能力進(jìn)行校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管道經(jīng)過(guò)曲率調(diào)整輪后，會(huì)發(fā)生彎曲變形管道

12、經(jīng)過(guò)曲率調(diào)整輪后，會(huì)發(fā)生彎曲變形，從而使管道中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，這些應(yīng)力，從而使管道中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，這些應(yīng)力若一直存留在管道中，加之后續(xù)鋪管過(guò)程若一直存留在管道中，加之后續(xù)鋪管過(guò)程中張緊器以及懸掛夾具對(duì)管道的作用力，中張緊器以及懸掛夾具對(duì)管道的作用力，會(huì)對(duì)管道造成很大的破壞。所以要在管道會(huì)對(duì)管道造成很大的破壞。所以要在管道進(jìn)入張緊器系統(tǒng)之前，將管道中存留的彎進(jìn)入張緊器系統(tǒng)之前，將管道中存留的彎曲應(yīng)力減至最小，這就需要通過(guò)校直器系曲應(yīng)力減至最小，這就需要通過(guò)校直器系統(tǒng)，對(duì)管道進(jìn)行校直統(tǒng)，對(duì)管道進(jìn)行校直1液壓缸； 2活動(dòng)履帶總成；3連接臂； 4滾輪裝置；5固定支架；6固定履帶總成15軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)

13、構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)v 履帶總成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)履帶總成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1鏈輪軸；鏈輪軸；2 2固定軸承支架；固定軸承支架；3 3支撐輪；支撐輪；4 4張緊裝置；張緊裝置；5 5鏈輪；鏈輪；6 6V V形板；形板；7 7鏈條；鏈條；8 8機(jī)架機(jī)架v校直器履帶總成的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是通過(guò)校直器履帶總成的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是通過(guò)鏈傳動(dòng)完成的。如左圖所示：鏈傳動(dòng)完成的。如左圖所示：V V形履形履帶板依附于鏈條之上，跟隨鏈條轉(zhuǎn)帶板依附于鏈條之上，跟隨鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐輪動(dòng)，支撐輪3 3用螺栓固定在機(jī)架用螺栓固定在機(jī)架8 8上上面面 , , 支撐輪的作用是支撐鏈條并將支撐輪的作用是支撐鏈條并將校直力通過(guò)鏈條均勻分布到

14、校直力通過(guò)鏈條均勻分布到V V形板上形板上軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在本論文中，履帶張緊裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示，在螺栓的端部安裝球鉸耳環(huán)，用來(lái)支撐在本論文中，履帶張緊裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示，在螺栓的端部安裝球鉸耳環(huán)，用來(lái)支撐鏈輪軸，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)張緊螺母可以使螺栓向外伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)鏈輪軸向外擴(kuò)張，達(dá)到鏈輪軸，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)張緊螺母可以使螺栓向外伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)鏈輪軸向外擴(kuò)張，達(dá)到張緊鏈條的目的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)張緊鏈條的目的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。1 1螺栓；螺栓；2 2防松螺母；防松螺母；3 3機(jī)架；機(jī)架；4 4張緊螺母；張緊螺母；

15、5 5球鉸耳環(huán)；球鉸耳環(huán)；6 6鏈輪軸鏈輪軸v 張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)v 校直器校直器V形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)V V形板結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型如下圖所示。形板結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型如下圖所示。V V形板兩端受到支撐輪向下的壓力形板兩端受到支撐輪向下的壓力F F，V V形形板板V V形斜面與管道的接觸點(diǎn)處受到管道反作用力形斜面與管道的接觸點(diǎn)處受到管道反作用力N N。反作用力。反作用力N N可分解為水平方可分解為水平方向力向力H H和垂直方向力和垂直方向力V V sinHNa=cosVNa=軟管鋪

16、設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18從圖中可得到角度從圖中可得到角度 與與 的關(guān)系如下：的關(guān)系如下： 由上式可知，在壓力由上式可知，在壓力F一定的條件下，要增大反作用力一定的條件下，要增大反作用力N的值，只能的值，只能減小減小角度角度 軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)aaV V形板的總長(zhǎng)形板的總長(zhǎng)L L與其余各部分尺寸之間的關(guān)系為：與其余各部分尺寸之間的關(guān)系為： 22 sinLASq=+aq=q由力的平衡條件可知：由力的平衡條件可知：sinFVNa=sinFNa=v 校直器校直器V形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19

17、軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 1吊孔吊孔2 2塔架鋼結(jié)構(gòu)塔架鋼結(jié)構(gòu)3 3液壓缸連接孔液壓缸連接孔4 4吊耳吊耳5 5固定鉸軸孔固定鉸軸孔 鋪設(shè)塔架是安裝鋪設(shè)系統(tǒng)中其它鋪管裝置的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)及尺寸主要是由鋪設(shè)塔架是安裝鋪設(shè)系統(tǒng)中其它鋪管裝置的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)及尺寸主要是由安裝在其上的鋪管裝置及安裝位置來(lái)確定。安裝在其上的鋪管裝置及安裝位置來(lái)確定。鋪設(shè)塔架的截面型式及尺寸鋪設(shè)塔架的截面型式及尺寸20鋪設(shè)塔架自身的重力，鋪設(shè)塔架自身的重力，鋪設(shè)塔架上行梯、護(hù)欄等的重力；鋪設(shè)塔架上行梯、護(hù)欄等的重力；張緊器的重力，張緊器的重力，

18、校直器重力，校直器重力，曲率調(diào)整輪重力，曲率調(diào)整輪重力，軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)v 鋪設(shè)塔架受力分析鋪設(shè)塔架受力分析 1G51.05 10 N2G51.56 10 N3G52 10 N4G5GG51.85 10 N軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋪設(shè)塔架受力狀態(tài)圖鋪設(shè)塔架受力狀態(tài)圖21軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)化后的鋪設(shè)塔架受力圖。為了便于對(duì)鋪設(shè)塔架的受力情況進(jìn)行計(jì)算，將圖簡(jiǎn)化后的鋪設(shè)塔架受力圖。為了便于對(duì)鋪設(shè)塔架的受力情況進(jìn)行計(jì)算，將圖 中的重力分解為垂直于鋪設(shè)塔架和沿著鋪設(shè)塔架的兩個(gè)方向上的力中的重力分解為垂直于鋪設(shè)

19、塔架和沿著鋪設(shè)塔架的兩個(gè)方向上的力利用力的平移定理，將所有的力平移到一利用力的平移定理，將所有的力平移到一點(diǎn)，并使所有的力對(duì)該點(diǎn)的力矩為零，該點(diǎn)，并使所有的力對(duì)該點(diǎn)的力矩為零，該點(diǎn)就是整個(gè)機(jī)構(gòu)的等效重心點(diǎn)就是整個(gè)機(jī)構(gòu)的等效重心 ，即圖中的，即圖中的B B點(diǎn)，也是角度調(diào)整液壓缸的鉸接點(diǎn)。點(diǎn)，也是角度調(diào)整液壓缸的鉸接點(diǎn)。計(jì)算得：計(jì)算得：X X5.5m5.5mv 鋪設(shè)塔架受力分析鋪設(shè)塔架受力分析 軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋪設(shè)塔架上所受到的是大剪力為：鋪設(shè)塔架上所受到的是大剪力為：5max2.37 10 NQ=鋪設(shè)塔架

20、上所受到的是大彎矩為：鋪設(shè)塔架上所受到的是大彎矩為：5max6.79 10 NM=v最大值發(fā)生在最大值發(fā)生在B B截面處截面處v經(jīng)過(guò)計(jì)算校核，此工作狀態(tài)的鋪設(shè)經(jīng)過(guò)計(jì)算校核，此工作狀態(tài)的鋪設(shè) 塔架強(qiáng)度符合要求。塔架強(qiáng)度符合要求。v 鋪設(shè)塔架受力分析鋪設(shè)塔架受力分析 軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟管鋪設(shè)系統(tǒng)鋪設(shè)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核校直器校直器V V形板有限元分析形板有限元分析 V V形板網(wǎng)格劃形板網(wǎng)格劃分分V V形板約束及載荷施加形板約束及載荷施加V V形板應(yīng)力云形板應(yīng)力云圖圖V V形板變形云形板變形云圖圖 最大應(yīng)力最大應(yīng)力192.675MP192.67

21、5MP 最大變形最大變形1.993mm1.993mmV V形板的強(qiáng)度形板的強(qiáng)度要求要求24軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核校直器連接臂有限元分析校直器連接臂有限元分析 約束及載荷施加約束及載荷施加應(yīng)力云圖應(yīng)力云圖變形云圖變形云圖網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分連接臂結(jié)連接臂結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要強(qiáng)度要求求DMX=0.025mmDMX=0.025mmSMX=22.945MPSMX=22.945MP25軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核鋪設(shè)塔架有限元分析鋪設(shè)塔架有限元分析 初始狀態(tài)初始狀態(tài) 初始狀態(tài)下，鋪設(shè)塔初始狀態(tài)下，鋪設(shè)塔架最大變形量為架最大變形量為5.913mm5.913mm，最

22、大應(yīng)力，最大應(yīng)力為為97.661MP97.661MP，強(qiáng)度，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求滿(mǎn)足要求26軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核鋪設(shè)塔架有限元分析鋪設(shè)塔架有限元分析 工作狀態(tài)工作狀態(tài)載荷及約束施加載荷及約束施加網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分變形云圖變形云圖應(yīng)力云圖應(yīng)力云圖 工作狀態(tài)下，鋪設(shè)塔工作狀態(tài)下，鋪設(shè)塔架最大變形量為架最大變形量為0.066mm0.066mm，最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為為2.779MP2.779MP，強(qiáng)度滿(mǎn)，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求足要求27軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核懸掛夾具系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析懸掛夾具系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析 1 1懸掛夾具；懸掛夾具；2 2護(hù)欄；護(hù)欄；3 3

23、可移動(dòng)底板；可移動(dòng)底板；4 4液壓缸；液壓缸；5 5固定底座固定底座v懸掛夾具系統(tǒng)主要包括懸掛夾具懸掛夾具系統(tǒng)主要包括懸掛夾具1 1，護(hù)欄，護(hù)欄2 2，可移動(dòng)底板，可移動(dòng)底板3 3，液壓缸，液壓缸4 4以及固定底座以及固定底座5 5。其中，關(guān)鍵的部分是懸掛夾具。其中，關(guān)鍵的部分是懸掛夾具1 1，以及，以及支撐懸掛夾具的可移動(dòng)底板支撐懸掛夾具的可移動(dòng)底板3 3。其中可移。其中可移動(dòng)底板與固定底座之間通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)動(dòng)底板與固定底座之間通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)水平移動(dòng)，目的使懸掛夾具夾持管生相對(duì)水平移動(dòng)，目的使懸掛夾具夾持管道的中心與張緊器的中心對(duì)齊。道的中心與張緊器的中心對(duì)齊。28軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵

24、結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核懸掛夾具的有限元分析懸掛夾具的有限元分析 懸掛夾具網(wǎng)格劃懸掛夾具網(wǎng)格劃分分懸掛夾具載荷與約束施加懸掛夾具載荷與約束施加變形云圖變形云圖應(yīng)力云圖應(yīng)力云圖懸掛夾具最大變形量為懸掛夾具最大變形量為0.505mm0.505mm，最大應(yīng)，最大應(yīng)力為力為237.8MP237.8MP，強(qiáng)，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求度滿(mǎn)足要求29軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核可移動(dòng)底板的有限元分析可移動(dòng)底板的有限元分析 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分載荷與約束施加載荷與約束施加底板變形云圖底板變形云圖v底板應(yīng)力云圖底板應(yīng)力云圖可移動(dòng)底板最大變形量可移動(dòng)底板最大變形量為為0.2481mm0.2481mm，

25、最大，最大應(yīng)力為應(yīng)力為10.038MP10.038MP，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求強(qiáng)度滿(mǎn)足要求30軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核海底管道受力研究海底管道受力研究 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型()4 1cosvdFwqdxq-= -vABAB段為任意選取的管道微元的受力狀況圖，經(jīng)過(guò)分析管道微元受到的各種力段為任意選取的管道微元的受力狀況圖，經(jīng)過(guò)分析管道微元受到的各種力和彎矩，利用平衡理論對(duì)其列力學(xué)平衡方程：和彎矩，利用平衡理論對(duì)其列力學(xué)平衡方程： ()042hdFdx=-()43vhdMdyFFdxdx=+- vF管道微元所受的垂直方向力 hF管道微元所受的水平方向力 M管道微元所受的力矩x q管道微元

26、與水平軸 的夾角w單位長(zhǎng)度管道在空氣中的質(zhì)量q單位長(zhǎng)度管道在水中所受的浮力31軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核由圖中的定義可知，管道的傾角可表示如下：由圖中的定義可知，管道的傾角可表示如下：()tan44dydxq=-()12cos145dxdydsdxq-輊禳驏镲犏琪=+-睚犏琪镲 桫犏鉿臌由以上兩式可得：由以上兩式可得：()232cos46dd ydsdxqq=-在管道微元的在管道微元的A A點(diǎn)處，由平衡條件可得：點(diǎn)處，由平衡條件可得：cossinzvhFFFqq=+coszdMdMFdsdxq驏琪 =琪桫AzF 管道微元在 點(diǎn)處受到的張力AjT 管道微元在 點(diǎn)處受到的剪力

27、cossinjhvTFFqq=-海底管道受力研究海底管道受力研究 管道數(shù)學(xué)模型管道數(shù)學(xué)模型()47-32軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核 忽略管道軸向變形和剪切變形的影響，將管道看作細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)件，在物理關(guān)系中忽略管道軸向變形和剪切變形的影響，將管道看作細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)件，在物理關(guān)系中只考慮管道的彎曲物理方程只考慮管道的彎曲物理方程 ()4 8dMEIdsq=-EI為彎剛管道截面的曲度對(duì)公式（對(duì)公式（4-34-3）中的）中的x進(jìn)行求導(dǎo)，并代入公式（進(jìn)行求導(dǎo)，并代入公式（4-14-1）中，可得：）中，可得：()2222049coshd Md ywqFdxdxq-+-把公式（把公式（4-54-

28、5）、（）、（4-64-6）、（）、（4-74-7）代入公式（）代入公式（4-94-9）中，可得）中，可得 ()()()2secsec04 10hddFFwqdxdsqqq-+-=-()2323232cos3cos4 11dMd ydyd yEIdxdxdxdxqq輊驏犏琪=-琪犏桫犏臌海底管道受力研究海底管道受力研究 管道數(shù)學(xué)模型管道數(shù)學(xué)模型把公式（把公式（4-64-6）代入公式（）代入公式（4-84-8）中，對(duì)）中，對(duì) 進(jìn)行求導(dǎo)進(jìn)行求導(dǎo)x33軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核()243224cos3 cos4 12d Md yEIdxdxqxq輊犏=-犏臌()()323222

29、3235cos44 13dy d y d yd ydx dxdxdxxq驏琪+-琪桫()42234423cossec()sec04 14hd yd yEIEIFwqdxdxxqqq-+-=-()424204 15hwqd yd yEIFdxdxll-+-=-()4sec4 16qqlq=-()()24322sec1 sec3cos4 17whd ywFEIdxlqqxq=+-公式（公式（4-154-15）為鋪設(shè)中的海底軟管受力數(shù)學(xué)模型。）為鋪設(shè)中的海底軟管受力數(shù)學(xué)模型。 海底管道受力研究海底管道受力研究 管道數(shù)學(xué)模型管道數(shù)學(xué)模型對(duì)公式（對(duì)公式（4-114-11）中的）中的 再次求導(dǎo)得再次求導(dǎo)得

30、x把公式（把公式（4-124-12）代入公式（）代入公式（4-34-3）中，得）中，得公式（公式（4-144-14）可以進(jìn)一步整理為）可以進(jìn)一步整理為34軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核海底管道受力研究海底管道受力研究 剛度矩陣剛度矩陣?yán)糜邢拊ò压艿朗芰Φ臄?shù)學(xué)模型方程進(jìn)行離散化利用有限元法把管道受力的數(shù)學(xué)模型方程進(jìn)行離散化()12ABdydxqq禳镲=+睚镲鉿()221BAd ydxxqq禳镲=-睚D镲鉿()333122ABABd yxyydxxqq禳輊D镲=-+犏睚犏D镲臌鉿()12123241236612AAwqAABBBBccccyFxcccxMccyFcxMllqq

31、禳輊禳禳-镲犏镲镲镲-D犏镲镲-D镲镲镲犏+=睚睚睚犏-镲镲镲犏镲镲镲犏-D镲镲镲鉿鉿臌鉿1222332246363322430hccxxFEIcxxxxcxx禳禳禳镲镲镲镲镲镲DD镲镲镲=+睚睚睚DDDD镲镲镲镲镲镲D-D镲镲镲鉿鉿鉿22d yMEIdx=33hd ydyFEIFdxdx=-35軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核 根據(jù)海底管道的受力數(shù)學(xué)模型以及剛度根據(jù)海底管道的受力數(shù)學(xué)模型以及剛度矩陣公式，采用矩陣公式，采用MATLABMATLAB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)方法對(duì)海底管道數(shù)學(xué)模型及剛度矩陣計(jì)方法對(duì)海底管道數(shù)學(xué)模型及剛度矩陣的計(jì)算程序進(jìn)行編寫(xiě)，根據(jù)編寫(xiě)的的計(jì)算

32、程序進(jìn)行編寫(xiě)，根據(jù)編寫(xiě)的MATLABMATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算程序，對(duì)管道的受力情數(shù)學(xué)計(jì)算程序，對(duì)管道的受力情況進(jìn)行計(jì)算況進(jìn)行計(jì)算 海底管道受力研究海底管道受力研究 受力分析受力分析36軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核海底管道受力研究海底管道受力研究 受力分析受力分析37軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)仿真模型軟管鋪設(shè)系統(tǒng)仿真模型v將軟管鋪設(shè)系統(tǒng)中的校直器，曲率調(diào)整將軟管鋪設(shè)系統(tǒng)中的校直器，曲率調(diào)整輪與張緊器簡(jiǎn)化為其質(zhì)心處施加的重力輪與張緊器簡(jiǎn)化為其質(zhì)心處施加的重力作用，如圖中作用，如圖中F F1 1、F F2 2、F F3 3所示。對(duì)模型施所示。對(duì)模型施加運(yùn)

33、動(dòng)副及約束，如右圖所示。最終角加運(yùn)動(dòng)副及約束，如右圖所示。最終角度調(diào)整液壓缸活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)就可以度調(diào)整液壓缸活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)就可以轉(zhuǎn)化為鋪設(shè)塔架的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為鋪設(shè)塔架的轉(zhuǎn)動(dòng)38軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真船舶縱搖橫搖模擬平臺(tái)船舶縱搖橫搖模擬平臺(tái)鋪管船運(yùn)動(dòng)示意圖 船舶縱搖橫搖模擬平臺(tái) v受到海上風(fēng)浪擾動(dòng)，鋪管船會(huì)產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)，其中主要包括：橫搖、縱搖、受到海上風(fēng)浪擾動(dòng)，鋪管船會(huì)產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)，其中主要包括：橫搖、縱搖、首搖、橫蕩、縱蕩、升沉等。首搖、橫蕩、縱蕩、升沉等。v其中對(duì)船舶正常運(yùn)行影響最大的主要是橫搖和縱搖。所以建立鋪管船的縱搖其中對(duì)船舶正常運(yùn)行影響最大的主要是橫搖和縱搖。

34、所以建立鋪管船的縱搖與橫搖平臺(tái)，模擬海上作業(yè)環(huán)境。與橫搖平臺(tái)，模擬海上作業(yè)環(huán)境。39軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真鋪設(shè)系統(tǒng)與模擬平臺(tái)組合模型 鋪設(shè)系統(tǒng)與模擬平臺(tái)組合模型鋪設(shè)系統(tǒng)與模擬平臺(tái)組合模型40軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真v在惡劣海況下，鉸接處的受力情況產(chǎn)生了在惡劣海況下，鉸接處的受力情況產(chǎn)生了很大的變化，受力不再是單調(diào)遞減的情形很大的變化，受力不再是單調(diào)遞減的情形，而是出現(xiàn)周期性波動(dòng)，波動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖，而是出現(xiàn)周期性波動(dòng)，波動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊而且所承受的力的最大值相對(duì)于正常工擊而且所承受的力的最大值相對(duì)于正常工作狀態(tài)下變小。作狀態(tài)下變小。仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析v

35、鉸接處的受力逐漸變小的，力矩在整個(gè)鉸接處的受力逐漸變小的，力矩在整個(gè)過(guò)程中是由小變大。初始狀態(tài)時(shí)，鉸接過(guò)程中是由小變大。初始狀態(tài)時(shí)，鉸接處承受整個(gè)系統(tǒng)的重力，所以受力最大處承受整個(gè)系統(tǒng)的重力，所以受力最大；到達(dá)正常鋪管狀態(tài)后，鋪設(shè)塔架基本；到達(dá)正常鋪管狀態(tài)后，鋪設(shè)塔架基本保持垂直，鉸接處受到的力非常小。保持垂直，鉸接處受到的力非常小。41軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真v與正常工作狀態(tài)下的仿真結(jié)果相比，惡與正常工作狀態(tài)下的仿真結(jié)果相比，惡劣海況下鋪設(shè)塔架與底座鉸接處的受力劣海況下鋪設(shè)塔架與底座鉸接處的受力受海況的影響，產(chǎn)生了周期性的波動(dòng)，受海況的影響，產(chǎn)生了周期性的波動(dòng)，力的最大值

36、較正常工作狀態(tài)有所增大。力的最大值較正常工作狀態(tài)有所增大。v從圖中可以看出，在惡劣海況下，鉸接從圖中可以看出，在惡劣海況下，鉸接處的受力也是平穩(wěn)變化的，沒(méi)有產(chǎn)生突處的受力也是平穩(wěn)變化的，沒(méi)有產(chǎn)生突變和沖擊，能夠保證軟管鋪設(shè)系統(tǒng)安全變和沖擊，能夠保證軟管鋪設(shè)系統(tǒng)安全進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)。進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)。仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析42軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真v惡劣海況下，鋪設(shè)塔架重心位置的產(chǎn)生惡劣海況下，鋪設(shè)塔架重心位置的產(chǎn)生了周期性的波動(dòng)，但是波動(dòng)的幅度不大了周期性的波動(dòng)，但是波動(dòng)的幅度不大。重心在。重心在x x軸與軸與y y軸方向的變化與正常工軸方向的變化與正常工作狀態(tài)下近似作狀態(tài)下近似v值的注意的是重心位置在值的注意的是重心位置在z z軸方向的變軸方向的變化，正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)到達(dá)鋪管狀化，正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)到達(dá)鋪管狀態(tài)時(shí)，重心位置在態(tài)時(shí)，重心位置在z z軸軸2.3m2.3m處并保持不處并保持不變，而在惡劣海況下，重心位置會(huì)越過(guò)變，而在惡劣海況下，重心位置會(huì)越過(guò)垂直狀態(tài)時(shí)的平衡位置垂直狀態(tài)時(shí)的平衡位置2.3m2.3m，最大可能，最大可能達(dá)到達(dá)到2.5m2.5mv由此可