深海海底钻机收放系统动力学随机数值仿真方法研究

提出了一种随机不规则波浪激励下的收放系统动力学随机数值仿真方法。该方法以随机不规则波浪为输入,应用雨流计数法分析收放系统动态特性响应随机分布特征,获取不同水深和海况条件下收放系统动态响应统计规律。以深海海底钻机收放系统为例,对随机不规则波浪激励引起的母船摇荡-脐带缆-深海海底钻机摇荡进行分析,建立了计入海水阻尼的深海海底钻机收放系统动力学模型。然后,以随机不规则波浪的有义波高为特征值,产生随机不规则波浪激励,应用收放系统动力学模型分析计算系统动态随机响应,应用雨流计数法分析收放系统动态响应特性随机分布特征,并对不同水深和海况条件下的钻机摆动状况、升沉运动以及脐带缆张力等动态特性进行随机数值仿真分析与讨论。所提出的方法为随机不规则波浪激励下,海洋装备收放系统动态特性分析提供了新途径。     

海底钻机母船收放机构动力学建模与分析

为确保海底钻机母船收放机构工作的可靠性,对母船收放机构的动力学特性进行了分析。首先,构建由收放油缸驱动的海底钻机母船收放机构的动力学模型;其次,建立了母船受到海浪扰动的运动方程,同时分析了由于收放油缸密封圈变形所引起的摩擦阻力对母船收放机构的影响;最后,采用Simulink建立了海底钻机母船收放机构的仿真模型,并应用该模型模拟四级海况下,当收放油缸匀速收回时,不同浪高对母船收放机构动力学性能的影响。仿真结果表明:液压系统压力、油缸驱动力、油缸总摩擦阻力以及各铰点的受力都随着收放油缸的逐渐收回而呈现周期性地减小。当浪高越高时,以上各参数的变化也越大,且在相同周期内各参数的变化幅值也越大。分析结果为海底钻机母船收放机构运动参数的确定提供了指导,同时也为以后研究波浪补偿、海底钻机母船收放机构自动控制提供了理论基础。     

工程船绞缆机被动式收放缆控制装置设计

以被动式收放缆装置为研究对象,针对传统液压绞缆机是恒速(卷筒)控制和恒张力(缆绳)控制,无法实现对卷筒转速非线性变速和缆绳自动匀速收放的被动式收放缆要求,设计了被动式收放缆控制装置,通过控制箱体来控制转动轴使得万向轮一能够按照预设的速度进行匀速运动并带动缆绳收放,使得缆绳能够实现自动匀速收放的被动式收放缆要求。     

收放式光电复合缆集成检测装置创新设计

光电复合缆是将光单元复合于低压电力电缆内，同时具有电力传输和光通信传输能力，收放式光电复合缆能在一定的工作负载下进行拖曳、系留及野外应急等收放操作。为了保障收放式光电复合缆工作准确和安全可靠，往往需要测量线缆张力、位移及速度等过程参数。基于TRIZ理论，进行了一种收放式光电复合缆多功能集成检测装置的创新设计，它是在三滑轮式张力传感器上集成了霍尔式增量型旋转编码器，可同时实现光电复合缆收放张力、位移及速度等的自动在线测量和监测。     

深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析与试验

深海海底钻机收放装置是实现深海海底钻机安全可靠、准确稳定下放和回收的关键技术装备。开展随机不规则波浪激励下的深海海底钻机收放装置关键零部件可靠性分析,是设计安全可靠的深海海底钻机收放装置的基础。提出一种随机不规则波浪激励下收放装置关键零部件可靠性分析方法,并对不同变异系数下的收放装置关键零部件的可靠度进行分析计算,结果表明:在随机不规则波浪激励下,收放装置的收放液压缸活塞杆所受的拉力将产生随机不规则的动态响应,并且收放液压缸活塞杆所受拉力的均值随着钻机托架翻转角的增大而减小;当收放液压缸活塞杆材料的变异系数从0.1提高至0.3时,对应的收放液压缸活塞杆的可靠度为0.999 126,此时收放液压缸活塞杆仍具有非常高的可靠度;进一步对比理论分析与深海海底钻机收放装置工程样机海上试验结果可知,两种结果基本一致,从而验证了理论研究模型和随机数值分析方法的正确性,研究结果为深海海底钻机收放装置的设计提供技术支撑。     

基于集中质量法的采矿车脐带缆布放回收中顶端张力特性研究

深海集矿系统中的脐带缆具有复杂的外部激励以及边界条件,深海采矿车的布放回收的安全性与脐带缆的顶端轴向张力响应息息相关,以及脐带缆的力学特性事关深海集矿系统的结构安全以及在位作业的可靠性。准确预报脐带缆的顶端轴向张力响应对深海集矿系统具有重要意义。运用三维势流理论对水面支持船和水下重载装备进行分析,获取与布放回收过程相关的参数;运用集中质量法对脐带缆进行简化建模,选择合适的单元长度,输入相关参数。将三者的相关参数输入仿真软件进行模拟仿真。首先,研究布放回收深度与张力的关系,确定布放回收深度的关注点为最大深度。其次,研究在不同组合的海况环境下脐带缆的顶端轴向张力响应。分析结果表明：在采矿车深海布放回收中;随着有义波高的增加,脐带缆张力也会增加,当波高超过某个值时,增加速度也会发生变化;随着谱峰周期的增加,脐带缆张力先增后减;180°浪向角的脐带缆张力小于相同环境条件下其他角度的脐带缆张力。因此,选择合适的作业工况对降低脐带缆张力,加强安全性能有很大帮助。     

60 m海底钻机移摆管系统性能分析

海底钻机是一种钻探系统完全工作于海底的钻探设备,与搭载船只需要一条具有承载能力的脐带缆即可实现远程的能量供应和通讯控制。受脐带缆承载能力的限制,有限空间、重量内存储更多钻管及可靠、快速的接卸是大钻深海底钻机设计的难点。以60 m海底钻机移摆管系统为研究对象,介绍了移摆管系统的构成、技术指标和特点,对移摆管系统中机械手回转机构进行了受力分析,推导出了海水阻力矩的方程。利用AMESim建立了机械手回转控制系统仿真模型,分析了输入的线性控制信号的斜率、海水阻力矩等因素对机械手回转机构控制性能的影响。仿真结果表明：海水阻力矩对械手回转机构动作的瞬间影响较大,输入的线性控制信号的斜率较大时,会引起机械手回转角度振荡。通过对60 m海底钻机移摆管系统开展室内及海上试验,验证了该系统能够满足60 m海底钻机钻杆接卸及存储的要求。     

海底钻机收放机构动力学仿真与优化设计

为确保海底钻机收放机构工作的可靠性,对收放机构进行动力学仿真和优化设计。首先,介绍了钻机收放机构的组成和工作原理,分析了四级海况中母船的运动情况;其次,建立了钻机收放机构的三维模型并导入ADAMS软件进行动力学仿真分析,得到了收放机构液压缸在四级海况下的受力曲线;最后,以收放过程中液压缸最大受力值最小为优化目标,对收放机构各铰接点布置进行了优化设计,并将优化后得到的结果代入模型重新进行动力学仿真分析。结果表明,优化后收放液压缸的最大受力显著降低,且整个钻机回收过程中液压缸受力变化幅值较小,满足收放机构设计和工作要求。通过对优化后模型的动力学仿真,得到优化后收放机构关键部件的运动规律和各铰接点的受力变化情况,为后续收放机构运行平稳性分析及关键构件有限元分析提供参数指导。     

高海况下收放装置动力学及控制策略

为了减小水下装置摆动和降低钢丝绳张力波动,以回收卷筒和防摇卷筒为执行机构,提出水下装置单边消摆和钢丝绳张力控制策略。将钢丝绳离散为有限梁单元,利用相对节点位移法建立钢丝绳动力学模型,并引入钢丝绳与卷筒的卷绕接触力模型。以自主开发的收放装置为研究对象,采用虚拟样机技术和控制技术相结合的方法,开展收放装置回收水下装置作业过程的运动学、动力学和控制策略研究。在RecurDyn环境中建立收放装置动力学仿真模型,在RecurDyn/Colink模块中设计单边消摆和张力控制算法,建立收放装置机械与控制联合仿真模型,并进行动力学及联合仿真研究,为提高水下装置回收稳定性和安全性、降低动态载荷、优化整体结构、指导收放装置及水下装置的方案设计等提供了理论依据和数据参考。     

轧制力动态特性影响下的轧机辊系振动行为研究

考虑受辊系振动影响时轧制力的动态特性,建立了板带轧机辊系非线性振动模型。采用平均法求解得到振动系统的幅频响应,分析不同轧制速度和外激励幅值对幅频特性的影响规律。运用奇异性理论分析振动系统静态分岔行为,得到系统分岔的转迁集以及出现不同振动形态的临界条件。以轧制速度为分岔参数,研究轧机辊系振动系统动态分岔特性。结果表明：轧机辊系振动行为对轧制速度变化十分敏感,振动幅值随着外激励幅值和轧制速度增大而增大,系统不稳定频率范围随着轧制速度提高而减小,随外激励幅值增大而增大;系统随轧制速度变化出现阵发性混沌运动,结合最大Lyapunov指数曲线得到稳定轧制时的速度范围。研究结果为抑制轧机振动和保障轧机稳定运行提供了理论参考。     

深海矿产资源岩芯探测取样技术与装备发展历程与趋势

海底岩芯取样钻机是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必备的关键技术装备。首先对世界深海岩芯探测取样技术与装备的发展历程进行了梳理,重点介绍了目前世界上几种典型的海底岩芯取样钻机性能、结构和技术特点;然后,分别对海底岩芯取样钻机中的稳定支撑及调平技术、取芯技术、钻杆钻具接卸存储技术、液压系统与压力平衡技术、光纤动力复合电缆供电与通讯技术、下放与回收技术等关键技术进行了分析;最后,分析和预测了深海矿产资源岩芯探测取样技术与装备的发展趋势--将朝着大型化、多用途化、智能化、专业化和便利化以及高保真取样方向发展。     

新型系留气球缆绳收放系统设计

在介绍系留气球缆绳收放系统功能的基础上,对缆绳收放系统的主牵引系统和张力检测与排线系统进行了设计。系统采用RS485总线实现上位机、PLC、变频器及步进电机控制器之间的通信,简化了系统结构,提高了系统可靠性。试验结果表明,所设计的系统运行平稳、性能良好,完全满足设计要求。     

潜艇发射系统气动参数计算及能量控制分析

鱼雷气动发射时,由于空气以很高的速度流入发射管,强烈搅动发射管的海水,导致气和水之间会存在强烈的热交换,不同于常见能量储备计算的方法。重点研究气动不平衡式鱼雷发射装置的能量储备设计,以便合理的确定发射气瓶容积和气瓶充气压力的设计参数。     

水下可移动多弹气动发射系统设计与仿真分析

针对水下可移动多弹气动发射的研究需求,对水下可移动多弹气动发射系统进行了整体设计,重点研究了弹丸的气动发射技术,建立了水下可移动多弹气动发射结构模型。通过对发射单元的有限元分析,发现发射筒与分割气室上下接触面的应变和变形量最大,但最大应变和变形量数值较小,3个发射筒往中心微偏,对发射过程没有影响。最后进行了试验研究,通过分析图片中弹丸的移动距离,绘制了水下弹丸发射的位移-时间曲线和速度-时间曲线,验证了多弹发射系统设计的可行性及可靠性,对水下发射过程中的空化现象、多弹干扰技术、水下弹道控制以及流场显示等方面的研究有重要的意义。     

系留式水中漂浮物自动收放装置的设计与运用

介绍了一种系留式水中漂浮物自动收放装置的设计及制造方法,该装置利用平面渦卷弹簧可以存储和释放一定转矩能量的特性,通过合理布局可完成系留式水中漂浮物在一定范围内自动收放。该装置的主要特点是：漂浮在水中的漂浮物所受到的水阻力发生变化时,系留锚链上所受到的拉力也将随之发生改变,当所受拉力大于一定值时收放装置开始放出锚链,小于某值时收放装置自动收回系留锚链。     

水平陀螺结构独轮自平衡机器人研究

提出了一种新型独轮机器人。该独轮自平衡机器人具有单一水平陀螺结构,首先利用陀螺的定轴性和稳定性使一个二维倒立不稳定系统变为一个二维准稳定系统,然后根据进动原理,采用旋转配重法对系统进行失衡修正,使系统具有很强的抗扰动能力。重点研究了该独轮机器人姿态的失衡与恢复状态。实验模型机实现了独轮机器人的定点自稳定,姿态失衡恢复,以及行走、转向功能。     

Nonlinear dynamic response of cable-suspended systems under swinging and heaving motion

In order to enhance the fidelity, convenient and flexibility of swinging motion, the structure of incompletely restrained cablesuspended system controlled by two drums was proposed, and the dynamic response of the system under swinging and heaving motion were investigated in this paper. The cables are spatially discretized using the assumed modes method and the system equations of motion are derived by Lagrange equations of the first kind. Based on geometric boundary conditions and linear complementary theory, the differential algebraic equations are transformed to a set of classical difference equations. Nonlinear dynamic behavior occurs under certain range of rotational velocity and frequency. The results show that asynchronous motion of suspension platform is easily caused imbalance for cable tension. Dynamic response of different swing frequencies were obtained via power frequency analysis, which could be used in the selection of the working frequency of the swing motion. The work will contribute to a better understanding of the swing frequency, cable tension and posture with dynamic characteristics of unilateral geometric and kinematic constraints in this system, and it is also useful to investigate the accuracy and reliability of instruments in future.     

等离子体钻机高压脉冲传输电缆的研制

设计了等离子钻机高压脉冲传输电缆的结构,讨论了高压绝缘层的设计及材料选择。在此基础上,开展了高压脉冲传输电缆的绝缘阻抗和波阻抗测试实验。实验测试结果表明,所研制的传输电缆具有较高的绝缘性能和较小的波阻抗,可基本满足等离子体钻机的需要。     

超高速滑动电接触CuCrZr合金轨道表面磨损机制及电接触性能

电磁轨道发射具有典型超高速滑动电接触特性（出口速度大于等于2 000 m/s）,电磁轨道表面会发生磨损。为研究轨道表面磨损状态与接触电阻之间关系,通过开展电磁轨道发射试验,研究发射后的CuCrZr轨道表面沉积层的形成与磨损机制,揭示枢轨间静态接触电阻的演变规律,总结沉积层的形成与接触电阻的关联关系。结果表明：沿着发射方向,轨道表面沉积层覆盖面积逐渐增大,沉积层的形成机制由摩擦材料转移变为电枢表面熔化飞溅,表面磨损特征由机械磨损向电气磨损转变;由于轨道不同位置沉积层形成原因不同,导致表面粗糙度分布不一致,枢轨间静态接触电阻随接触沉积层形貌特征改变呈现上升、下降及波动3个变化阶段;并且枢轨间静态接触电阻随着接触压力的增大而减小。研究成果对电磁轨道发射装备的研究及发射动力学研究具有理论价值。