海浪擾動下深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析

引言

深海鉆機(jī)經(jīng)母船運(yùn)輸?shù)街付ㄗ鳂I(yè)海域后,用收放機(jī)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(jī)構(gòu)回收至母船甲板。鉆機(jī)收放過程中,收放機(jī)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(jī)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(jī)收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和受力情況,能夠確保在設(shè)計鉆機(jī)和鉆機(jī)收放過程中的可靠性。

1收放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與收放工作過程

深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由支撐底座、鉆機(jī)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(jī)收放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)執(zhí)行鉆機(jī)回收時,通過安裝在鉆機(jī)母船甲板尾部的海洋絞車將深海鉆機(jī)從海底吊裝至水面并高于收放機(jī)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(jī)對接托架并與托架相契合:再通絡(luò)過液壓缸使得鉆機(jī)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(jī)牽引至甲板中央。

2海浪擾動下深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

深海鉆機(jī)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(jī)收放機(jī)構(gòu)在靜水中受力最大的時刻為鉆機(jī)回收動作開始時,此工況下海浪擾動所引起的母船升沉運(yùn)動對收放機(jī)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(jī)收放機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī),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(jī)仿真,得到如圖2所示的液壓缸及較接點(diǎn)在鉆機(jī)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(diǎn)的受力變化隨鉆機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)托架與底座連接點(diǎn)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(diǎn)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(jī)并仿真,得到圖4所示最強(qiáng)海浪擾動下收放機(jī)構(gòu)液壓缸及各較接點(diǎn)的受力變化曲線。

由圖4可知,該條件下液壓缸和各較接點(diǎn)的受力都偏大,最大值為鉆機(jī)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(jī)收放機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)液壓缸和較接點(diǎn)受到的沖擊越大、沖擊次數(shù)越多,得到了最強(qiáng)海浪擾動條件下收放機(jī)構(gòu)液壓缸和較接點(diǎn)的最大受力位置和受力值。該分析結(jié)果為收放機(jī)構(gòu)后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。