海浪擾動下深海鉆機收放機構(gòu)動力學(xué)仿真分析

引言

深海鉆機經(jīng)母船運輸?shù)街付ㄗ鳂I(yè)海域后,用收放機構(gòu)將其下放至海底鉆探位置,待作業(yè)完成或出現(xiàn)意外時由收放機構(gòu)回收至母船甲板。鉆機收放過程中,收放機構(gòu)需要承受海浪、海風(fēng)等擾動帶來的搖蕩影響,以保證鉆機收放過程中不會發(fā)生偏移、與母船相撞、跌落海底等危害。因此研究海浪擾動下深海鉆機收放機構(gòu)的運動和受力情況,能夠確保在設(shè)計鉆機和鉆機收放過程中的可靠性。

1收放機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與收放工作過程

深海鉆機收放機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由支撐底座、鉆機托架和液壓缸三大件構(gòu)成,支撐底座安裝在母船船尾甲板上,托架與支撐底座較接,液壓缸的活塞桿和缸筒分別與托架和支撐底座較接。

圖1深海鉆機收放機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

深海鉆機收放機構(gòu)執(zhí)行鉆機回收時,通過安裝在鉆機母船甲板尾部的海洋絞車將深海鉆機從海底吊裝至水面并高于收放機構(gòu)托架的下端部:然后通過控制母船A型架緩慢向母船甲板中心轉(zhuǎn)動,讓鉆機對接托架并與托架相契合:再通絡(luò)過液壓缸使得鉆機與托架整體翻轉(zhuǎn)90°至水平位置:最后通過海洋絞車將鉆機牽引至甲板中央。

2海浪擾動下深海鉆機收放機構(gòu)動力學(xué)分析

深海鉆機在海上作業(yè)時,最高工作海況為四級,該海況下母船受到海浪升沉振幅影響最大,四級海況的海浪波高1.25~2.5m、周期為2.8~10.6s。鉆機收放機構(gòu)在靜水中受力最大的時刻為鉆機回收動作開始時,此工況下海浪擾動所引起的母船升沉運動對收放機構(gòu)產(chǎn)生的影響最大。為了分析其受力情況影響,利用ADAMS建立深海鉆機收放機構(gòu)虛擬樣機,在不同波高、不同波浪周期等條件下對其進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。

2.1海浪波高的影響

取海浪平均周期的平均值5.4s,分別建立波高為1.25m、

1.5m、2.0m、2.5m以及在平靜水面條件下的模型。根據(jù)船舶耐波性原理及四級海況波高、周期條件,在平均波高為5.4s時,其對應(yīng)的母船升沉加速度按照公式as=cos(t)計算。

對虛擬樣機仿真,得到如圖2所示的液壓缸及較接點在鉆機回收過程中的受力情況。

由圖2可知,液壓缸與支撐底座較接處遇到海浪沖擊時,液壓缸和各較接點的受力變化隨鉆機的回收呈周期性減小。當(dāng)波高由1.25m上升到2.5m時,液壓缸受力由146~159.97kN變?yōu)?40.48~165.64kN,幅值增加了11.19kN:在靜水中回收時,受力范圍為151.52~154.31kN,幅值只有2.79kN。托架與支撐底座較接點在同周期內(nèi)受力范圍由170.91~184.49kN變?yōu)?64.46~191.03kN,幅值增加12.99kN,而在靜水面該點的受力范圍為177.41~177.96kN,幅值僅為0.55kN。與靜水面收放受力情況對比,當(dāng)波高為2.5m時液壓缸受力增加了13.07kN,幅值增加了26.02kN。

2.2海浪周期的影響

取海浪波高平均值為2.0m,建立周期2.8s、4.0s、5.4s、8.0s、10.6s以及靜水面下的ADAMS模型,并按公式az=cos(t)計算升沉加速度。仿真后得到圖3所示的受力變化曲線。

由圖3可知,周期從2.8s增加到10.6s時,液壓缸最大受力由188.11kN減小到156.73kN,幅值由68.33kN減小到10.69kN,而靜水面最大的受力僅為154.37kN:鉆機托架與底座連接點的最大受力由216.48kN減小到180.67kN,幅值由52.69kN降低到6.17kN。

2.3圖最海浪擾動下關(guān)鍵零部件受力分析

由前面分析得知,當(dāng)海浪的周期最短、波高最高時,對液壓缸和較接點的沖擊最大。將周期取最小2.8s,波高取最高2.5m,母船升沉加速度取值az=2.6728cos(2.244t),回收時間t=36s,建立虛擬樣機并仿真,得到圖4所示最強海浪擾動下收放機構(gòu)液壓缸及各較接點的受力變化曲線。

由圖4可知,該條件下液壓缸和各較接點的受力都偏大,最大值為鉆機與托架整體從垂直于母船甲板平面開始回收時,液壓缸和托架與底座較接位置的最大受力分別為196.46kN和226.56kN。

3結(jié)語

本文以深海鉆機收放機構(gòu)為分析對象,建立了不同海浪波高、不同周期等海浪擾動條件下收放機構(gòu)的動力學(xué)模型,并對模型進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明:海浪擾動的波高越高、周期越短,收放機構(gòu)液壓缸和較接點受到的沖擊越大、沖擊次數(shù)越多,得到了最強海浪擾動條件下收放機構(gòu)液壓缸和較接點的最大受力位置和受力值。該分析結(jié)果為收放機構(gòu)后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。