碩士畢業(yè)論文答辯

柔性軟管水平鋪設(shè)系統(tǒng)原理樣機(jī)研究姓名：導(dǎo)師：張忠林副教授專業(yè)：機(jī)械電子工程哈爾濱工程大學(xué)碩士開(kāi)題答辯2013年1月14日1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)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)動(dòng)力學(xué)仿真緒論2課題來(lái)源、目的及意義課題來(lái)源

研究目的

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)備的解讀與分析，掌握其工作原理，研制出滿足國(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，提高管道鋪設(shè)效率3軟管鋪設(shè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀國(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HUISMAN公司國(guó)內(nèi)：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。4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)。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。軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究能夠在600m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75t鋪設(shè)軟管的直徑范圍在4"-12"系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)要求如下：5軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究初始狀態(tài)正常鋪管狀態(tài)結(jié)束狀態(tài)6軟管鋪設(shè)系統(tǒng)總體方案研究校直器方案選擇方案一方案二方案一方案二懸掛夾具方案選擇7曲率調(diào)整輪的曲率半徑R，要滿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)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、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1.1倍的最小彎曲半徑查表2.1，得到COFLEXIP公司生產(chǎn)的12"柔性管道允許的最小彎曲半徑是2.4m取曲率調(diào)整輪直徑為D＝5.5m為管道允許的最小彎曲半徑8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)

2、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

9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)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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

懸掛夾具總體結(jié)構(gòu)圖

10軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)懸掛夾具受力分析懸掛夾具轉(zhuǎn)動(dòng)臂閉合液壓缸驅(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)A－楔形滑塊B－基座C－管道夾具緊靠預(yù)夾緊后，基座B固定，A與C無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可看做一個(gè)整體11軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照鋪設(shè)深度600m,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軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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12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必須要大于管道在海水中的重量，即要滿足下式：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)行校核軟管鋪設(shè)系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)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，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14軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)履帶總成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1－鏈輪軸；2－固定軸承支架；3－支撐輪；4－張緊裝置；5－鏈輪；6－V形板；7－鏈條；8－機(jī)架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：V形履帶板依附于鏈條之上，跟隨鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐輪3用螺栓固定在機(jī)架8上面,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V形板上軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

15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)。1－螺栓；2－防松螺母；3－機(jī)架；4－張緊螺母；5－球鉸耳環(huán)；6－鏈輪軸張緊裝置結(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)

16軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校直器V形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)V形板結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型如下圖所示。V形板兩端受到支撐輪向下的壓力F，V形板V形斜面與管道的接觸點(diǎn)處受到管道反作用力N。反作用力N可分解為水平方向力H和垂直方向力V

軟管鋪設(shè)系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

17從圖中可得到角度與的關(guān)系如下：由上式可知，在壓力F一定的條件下，要增大反作用力N的值，只能減小角度

軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)V形板的總長(zhǎng)L與其余各部分尺寸之間的關(guān)系為：

由力的平衡條件可知：校直器V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)

18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)1－吊孔2－塔架鋼結(jié)構(gòu)3－液壓缸連接孔4－吊耳5－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19——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；——張緊器的重力，——校直器重力，——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)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)鋪設(shè)塔架受力狀態(tài)圖20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)就是整個(gè)機(jī)構(gòu)的等效重心，即圖中的B點(diǎn)，也是角度調(diào)整液壓缸的鉸接點(diǎn)。計(jì)算得：X＝5.5m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)21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彎矩為：最大值發(fā)生在B截面處經(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。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)22軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核校直器－－V形板有限元分析V形板網(wǎng)格劃分V形板約束及載荷施加V形板應(yīng)力云圖V形板變形云圖最大應(yīng)力192.675MP最大變形1.993mmV形板的強(qiáng)度要求23軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核校直器－－連接臂有限元分析約束及載荷施加應(yīng)力云圖變形云圖網(wǎng)格劃分連接臂結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求DMX=0.025mmSMX=22.945MP24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－

初始狀態(tài)

初始狀態(tài)下，鋪設(shè)塔架最大變形量為5.913mm，最大應(yīng)力為97.661MP，強(qiáng)度滿足要求25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－

工作狀態(tài)載荷及約束施加網(wǎng)格劃分變形云圖應(yīng)力云圖

工作狀態(tài)下，鋪設(shè)塔架最大變形量為0.066mm，最大應(yīng)力為2.779MP，強(qiáng)度滿足要求26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

1－懸掛夾具；2－護(hù)欄；3－可移動(dòng)底板；4－液壓缸；5－固定底座懸掛夾具系統(tǒng)主要包括懸掛夾具1，護(hù)欄2，可移動(dòng)底板3，液壓缸4以及固定底座5。其中，關(guān)鍵的部分是懸掛夾具1，以及支撐懸掛夾具的可移動(dòng)底板3。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)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。27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網(wǎng)格劃分懸掛夾具載荷與約束施加變形云圖應(yīng)力云圖懸掛夾具最大變形量為0.505mm，最大應(yīng)力為237.8MP，強(qiáng)度滿足要求28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

網(wǎng)格劃分載荷與約束施加底板變形云圖底板應(yīng)力云圖可移動(dòng)底板最大變形量為0.2481mm，最大應(yīng)力為10.038MP，強(qiáng)度滿足要求29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－數(shù)學(xué)模型AB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：30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：由以上兩式可得：在管道微元的A點(diǎn)處，由平衡條件可得：海底管道受力研究－管道數(shù)學(xué)模型31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)系中只考慮管道的彎曲物理方程

對(duì)公式（4-3）中的進(jìn)行求導(dǎo)，并代入公式（4-1）中，可得：把公式（4-5）、（4-6）、（4-7）代入公式（4-9）中，可得

海底管道受力研究－管道數(shù)學(xué)模型把公式（4-6）代入公式（4-8）中，對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)32軟管鋪設(shè)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)校核公式（4-15）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－管道數(shù)學(xué)模型對(duì)公式（4-11）中的再次求導(dǎo)得把公式（4-12）代入公式（4-3）中，得公式（4-14）可以進(jìn)一步整理為33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－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34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)模型以及剛度矩陣公式，采用MATLAB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)模型及剛度矩陣的計(jì)算程序進(jìn)行編寫(xiě)，根據(jù)編寫(xiě)的MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算程序，對(duì)管道的受力情況進(jìn)行計(jì)算海底管道受力研究－受力分析35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－受力分析36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)心處施加的重力作用，如圖中F1、F2、F3所示。對(duì)模型施加運(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)就可以轉(zhuǎn)化為鋪設(shè)塔架的轉(zhuǎn)動(dòng)37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)鋪管船運(yùn)動(dòng)示意圖船舶縱搖橫搖模擬平臺(tái)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。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與橫搖平臺(tái)，模擬海上作業(yè)環(huán)境。38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39軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真在惡劣海況下，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，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)于正常工作狀態(tài)下變小。仿真結(jié)果分析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)塔架基本保持垂直，鉸接處受到的力非常小。40軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真與正常工作狀態(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受海況的影響，產(chǎn)生了周期性的波動(dòng)，力的最大值較正常工作狀態(tài)有所增大。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)。仿真結(jié)果分析41軟管鋪設(shè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真惡劣海況下，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。重心在x軸與y軸方向的變化與正常工作狀態(tài)下近似值的注意的是重心位置在z軸方向的變化，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z軸2.3m處并保持不變，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2.3m，最大可能達(dá)到2.5m由此可以說(shuō)明角度調(diào)整液壓缸要由原來(lái)的受壓狀態(tài)改變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，以保證鋪設(shè)塔架不會(huì)產(chǎn)