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1、柔性软管水平铺设系统原理样机研究,姓 名： 导 师：张忠林 副教授 专 业：机械电子工程,哈尔滨工程大学硕士开题答辩,2013年1月14日,2,1,开题结构框架,2,3,4,5,软管铺设系统总体方案研究,软管铺设系统关键结构设计,软管铺设系统关键结构校核,软管铺设系统动力学仿真,绪论,3,课题来源、目的及意义,课题来源,研究目的,研究意义,本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司的科研项目“深水软管铺设系统关键技术研究及原理样机研制”,课题的主要研究目标是：通过对国外深水软管铺管设备的解读与分析，掌握其工作原理，研制出满足国内作业需求的深水软管铺设系统，促进我国深海油气资源勘探与开发的进程，最
2、大限度降低海上铺管操作的成本,填补国内深水柔性管道铺设技术的空白 降低管道铺设的施工费用和安装成本，同时可拥有自主知识产权 培训国内操作人员，自主控制施工时间，缩短施工周期，提高管道铺设效率,4,软管铺设系统发展现状,国外：一些发达国家涉足海洋石油开发的时间比较早，在海洋管道铺设系统领域的技术比较领先，且不断向深海发展，对于软管铺设系统的研究比较成熟的公司主要是荷兰的HUISMAN公司,国内：与国际上的发达国家相比，我国海洋石油开采行业起步较晚，各种海洋油气开采、管道运输及维修设备研制水平都比较落后，尤其在深水软管铺设技术方面几乎还是空白的，还需要进行深入研究，努力缩小与国外的差距。,5,深水
3、软管铺设系统主要应用于深水区柔性管道的铺设作业，它与铺管船上的深水软管滚筒驱动装置结合，完成软管在海上的铺设作业。 完成软管的铺设需要曲率调整轮、校直器、张紧器、悬挂夹具、角度调整液压缸等各部分系统的紧密配合。,软管铺设系统总体方案研究,能够在600m水深的海域内进行软管铺设作业 软管铺设系统的铺管能力为75t 铺设软管的直径范围在4“-12“,系统主要设计要求如下：,6,软管铺设系统总体方案研究,初始状态,正常铺管状态,结束状态,7,软管铺设系统总体方案研究,校直器方案选择,悬挂夹具方案选择,8,软管铺设系统曲率调整轮结构设计,软管铺设系统关键结构设计,1、调整轮直径的确定,通常情况下，管道
4、的弯曲半径不得小于1.1倍的最小弯曲半径 查表2.1，得到COFLEXIP公司生产的12“柔性管道允许的最小弯曲半径是2.4m,取曲率调整轮直径为D5.5m,为管道允许的最小弯曲半径,9,软管铺设系统关键结构设计,1轴承端盖；2螺栓；3轴承座；4轴套； 5轮毂；6轮轴；7辐条；8轴承,软管铺设系统曲率调整轮结构设计,2、调整轮的安装,曲率调整轮转轴安装结构示意图,10,软管铺设系统关键结构设计,软管铺设系统悬挂夹具结构设计,悬挂夹具是铺管系统中的关键结构之一，本文中悬挂夹具采用液压缸和楔形增力机构来夹持软管，这种结构的优点是夹持管道时可以利用楔形面将液压缸的驱动力放大，达到增加夹紧力的目的。,
5、楔形滑块组件,悬挂夹具总体结构图,11,软管铺设系统关键结构设计,悬挂夹具受力分析,悬挂夹具转动臂闭合 液压缸驱动楔形滑块预夹紧管道,软管铺设系统悬挂夹具结构设计,A楔形滑块 B基座 C管道,夹具紧靠预夹紧后，基座B固定，A与C无相对运动，可看做一个整体,12,软管铺设系统关键结构设计,按照铺设深度600m,对悬挂夹具进行受力分析，忽略海水的浮力，管道在重量如下式所示,软管铺设系统悬挂夹具结构设计,结构受力图简化为力的多边形图,考虑海上风浪载荷等情况,13,软管铺设系统关键结构设计,要保证夹具正常工作，实现夹持管道的功能，楔块与管道之间的摩擦力 必须要大于管道在海水中的重量，即要满足下式：,由
6、以上分析可知，所设计的悬挂夹具可以实现对管道的安全夹持。,根据力多边形，对悬挂夹具的夹持能力进行校核,软管铺设系统悬挂夹具结构设计,14,软管铺设系统关键结构设计,软管铺设系统校直器结构设计,管道经过曲率调整轮后，会发生弯曲变形，从而使管道中产生弯曲应力，这些应力若一直存留在管道中，加之后续铺管过程中张紧器以及悬挂夹具对管道的作用力，会对管道造成很大的破坏。所以要在管道进入张紧器系统之前，将管道中存留的弯曲应力减至最小，这就需要通过校直器系统，对管道进行校直,1液压缸； 2活动履带总成； 3连接臂； 4滚轮装置； 5固定支架；6固定履带总成,15,软管铺设系统关键结构设计,履带总成总体结构设计
7、,1链轮轴；2固定轴承支架； 3支撑轮；4张紧装置； 5链轮；6V形板；7链条；8机架,校直器履带总成的转动主要是通过链传动完成的。如左图所示：V形履带板依附于链条之上，跟随链条转动，支撑轮3用螺栓固定在机架8上面 , 支撑轮的作用是支撑链条并将校直力通过链条均匀分布到V形板上,软管铺设系统校直器结构设计,16,软管铺设系统关键结构设计,在本论文中，履带张紧装置结构如下图所示，在螺栓的端部安装球铰耳环，用来支撑链轮轴，通过转动张紧螺母可以使螺栓向外伸长，从而带动链轮轴向外扩张，达到张紧链条的目的，结构简单，易于实现。,1螺栓；2防松螺母；3机架；4张紧螺母；5球铰耳环；6链轮轴,张紧装置结构设
8、计,软管铺设系统校直器结构设计,17,软管铺设系统关键结构设计,校直器V形板结构设计,V形板结构与力学模型如下图所示。V形板两端受到支撑轮向下的压力F，V形板V形斜面与管道的接触点处受到管道反作用力N。反作用力N可分解为水平方向力H和垂直方向力V,软管铺设系统校直器结构设计,18,从图中可得到角度 与 的关系如下：,由上式可知，在压力F一定的条件下，要增大反作用力N的值，只能减小角度,软管铺设系统关键结构设计,V形板的总长L与其余各部分尺寸之间的关系为：,由力的平衡条件可知：,校直器V形板结构设计,软管铺设系统校直器结构设计,19,软管铺设系统关键结构设计,软管铺设系统铺设塔架结构设计,1吊孔
9、 2塔架钢结构 3液压缸连接孔 4吊耳 5固定铰轴孔,铺设塔架是安装铺设系统中其它铺管装置的基础。其结构及尺寸主要是由安装在其上的铺管装置及安装位置来确定。,铺设塔架的截面型式及尺寸,20,铺设塔架自身的重力，,铺设塔架上行梯、护栏等的重力；,张紧器的重力，,校直器重力，,曲率调整轮重力，,软管铺设系统关键结构设计,铺设塔架受力分析,软管铺设系统铺设塔架结构设计,铺设塔架受力状态图,21,软管铺设系统关键结构设计,简化后的铺设塔架受力图。为了便于对铺设塔架的受力情况进行计算，将图 中的重力分解为垂直于铺设塔架和沿着铺设塔架的两个方向上的力,利用力的平移定理，将所有的力平移到一点，并使所有的力对
10、该点的力矩为零，该点就是整个机构的等效重心 ，即图中的B点，也是角度调整液压缸的铰接点。 计算得：X5.5m,铺设塔架受力分析,软管铺设系统铺设塔架结构设计,22,软管铺设系统关键结构设计,铺设塔架上所受到的是大剪力为：,铺设塔架上所受到的是大弯矩为：,最大值发生在B截面处 经过计算校核，此工作状态的铺设 塔架强度符合要求。,铺设塔架受力分析,软管铺设系统铺设塔架结构设计,23,软管铺设系统关键结构校核,校直器V形板有限元分析,V形板网格划分,V形板约束及载荷施加,V形板应力云图,V形板变形云图,最大应力192.675MP 最大变形1.993mm V形板的强度要求,24,软管铺设系统关键结构校
11、核,校直器连接臂有限元分析,约束及载荷施加,应力云图,变形云图,网格划分,连接臂结构满足强度要求,DMX=0.025mm SMX=22.945MP,25,软管铺设系统关键结构校核,铺设塔架有限元分析 初始状态,初始状态下，铺设塔架最大变形量为5.913mm，最大应力为97.661MP，强度满足要求,26,软管铺设系统关键结构校核,铺设塔架有限元分析 工作状态,载荷及约束施加,网格划分,变形云图,应力云图,工作状态下，铺设塔架最大变形量为0.066mm，最大应力为2.779MP，强度满足要求,27,软管铺设系统关键结构校核,悬挂夹具系统关键结构有限元分析,1悬挂夹具；2护栏； 3可移动底板；4液
12、压缸；5固定底座,悬挂夹具系统主要包括悬挂夹具1，护栏2，可移动底板3，液压缸4以及固定底座5。其中，关键的部分是悬挂夹具1，以及支撑悬挂夹具的可移动底板3。其中可移动底板与固定底座之间通过液压缸驱动产生相对水平移动，目的使悬挂夹具夹持管道的中心与张紧器的中心对齐。,28,软管铺设系统关键结构校核,悬挂夹具的有限元分析,悬挂夹具网格划分,悬挂夹具载荷与约束施加,变形云图,应力云图,悬挂夹具最大变形量为0.505mm，最大应力为237.8MP，强度满足要求,29,软管铺设系统关键结构校核,可移动底板的有限元分析,网格划分,载荷与约束施加,底板变形云图,底板应力云图,可移动底板最大变形量为0.24
13、81mm，最大应力为10.038MP，强度满足要求,30,软管铺设系统关键结构校核,海底管道受力研究 数学模型,AB段为任意选取的管道微元的受力状况图，经过分析管道微元受到的各种力和弯矩，利用平衡理论对其列力学平衡方程：,31,软管铺设系统关键结构校核,由图中的定义可知，管道的倾角可表示如下：,由以上两式可得：,在管道微元的A点处，由平衡条件可得：,海底管道受力研究 管道数学模型,32,软管铺设系统关键结构校核,忽略管道轴向变形和剪切变形的影响，将管道看作细长结构件，在物理关系中只考虑管道的弯曲物理方程,对公式（4-3）中的,进行求导，并代入公式（4-1）中，可得：,把公式（4-5）、（4-6
14、）、（4-7）代入公式（4-9）中，可得,海底管道受力研究 管道数学模型,把公式（4-6）代入公式（4-8）中，对 进行求导,33,软管铺设系统关键结构校核,公式（4-15）为铺设中的海底软管受力数学模型。,海底管道受力研究 管道数学模型,对公式（4-11）中的 再次求导得,把公式（4-12）代入公式（4-3）中，得,公式（4-14）可以进一步整理为,34,软管铺设系统关键结构校核,海底管道受力研究 刚度矩阵,利用有限元法把管道受力的数学模型方程进行离散化,35,软管铺设系统关键结构校核,根据海底管道的受力数学模型以及刚度矩阵公式，采用MATLAB结构设计程序设计方法对海底管道数学模型及刚度矩
15、阵的计算程序进行编写，根据编写的MATLAB数学计算程序，对管道的受力情况进行计算,海底管道受力研究 受力分析,36,软管铺设系统关键结构校核,海底管道受力研究 受力分析,37,软管铺设系统动力学仿真,软管铺设系统仿真模型,将软管铺设系统中的校直器，曲率调整轮与张紧器简化为其质心处施加的重力作用，如图中F1、F2、F3所示。对模型施加运动副及约束，如右图所示。最终角度调整液压缸活塞杆的伸缩运动就可以转化为铺设塔架的转动,38,软管铺设系统动力学仿真,船舶纵摇横摇模拟平台,铺管船运动示意图,船舶纵摇横摇模拟平台,受到海上风浪扰动，铺管船会产生摇摆运动，其中主要包括：横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、升沉等。 其中对船舶正常运行影响最大的主要是横摇和纵摇。所以建立铺管船的纵摇与横摇平台，模拟海上作业环境。,39,软管铺设系统动力学仿真,铺设系统与模拟平台组合模型,铺设系统与模拟平台组合模型,40,软管铺设系统动力学仿真,在恶劣海况下，铰接处的受力情况产生了很大的变化，受力不再是单调递减的情形，而是出现周期性波动，波动平稳，无冲击而且所承受的力的最大值相对于正常工作状态下变小。,仿真结果分析,铰接处的受力逐渐变小的，力矩在整个过程中是由小变大。初始状态时，铰接处承受整个系统的重力，所以受力最大；
