海底鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾 欽，萬(wàn)步炎，何 軍，馮 帆

(湖南科技大學(xué) 先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心，湘潭 411201)

0 引言

海底鉆機(jī)是開(kāi)展深海地質(zhì)調(diào)查和資源勘探的關(guān)鍵技術(shù)裝備[1～3]。由于受能源和鉆機(jī)尺寸的限制，海底鉆機(jī)是由母船運(yùn)載到指定作業(yè)海域，然后由母船收放系統(tǒng)將其下放入海底，等作業(yè)完成或意外情況發(fā)生時(shí)，再由收放系統(tǒng)收回到母船上進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)[4,5]。對(duì)收放系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，包括風(fēng)浪和海流在內(nèi)的海況會(huì)給收放造成很多不利因素導(dǎo)致母船的橫搖、縱搖以及升沉都會(huì)給鉆機(jī)帶來(lái)碰撞和墜落的危險(xiǎn)，可靠地收放系統(tǒng)能極大提高深海鉆機(jī)的作業(yè)水平和安全性[6]。對(duì)海底鉆機(jī)母船收放機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠確保收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工作可靠性，為海底鉆機(jī)安全、高效的收放提供保障。

本文以海底鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到收放油缸驅(qū)動(dòng)力的載荷曲線，并以油缸最大驅(qū)動(dòng)力為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)收放機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)布置進(jìn)行優(yōu)化。

1 深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 收放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成圖

深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)安裝在母船船尾，其主要由導(dǎo)軌、鉆機(jī)翻轉(zhuǎn)托架以及對(duì)稱布置的收放液壓缸、固定支撐架組成。收放液壓缸缸筒和托架中部鉸接在固定支撐架上，液壓缸活塞桿與托架上端鉸接。深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在海底鉆機(jī)回收過(guò)程中，首先通過(guò)母船上的海洋絞車將海底鉆機(jī)提升到略高于托架下端位置，然后控制母船吊放架緩慢向內(nèi)側(cè)擺動(dòng)，使海底鉆機(jī)底部進(jìn)入到母船收放機(jī)構(gòu)的托架內(nèi)，并控制海底鉆機(jī)在托架內(nèi)托穩(wěn)。再通過(guò)液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)收放油缸帶動(dòng)鉆機(jī)托架翻轉(zhuǎn)回收，從而使海底鉆機(jī)與鉆機(jī)托架所構(gòu)成的整體從與母船甲板垂直的位置回收至水平位置，最后通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)將海底鉆機(jī)拉回母船甲板中。其下放過(guò)程是回收的逆過(guò)程，運(yùn)動(dòng)和受力過(guò)程相反。本文將只研究海底鉆機(jī)回收過(guò)程的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 四級(jí)海況下母船的運(yùn)動(dòng)分析

收放機(jī)構(gòu)要求滿足四級(jí)或四級(jí)以下海況能夠順利進(jìn)行鉆機(jī)的收放。當(dāng)收放機(jī)構(gòu)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行回收時(shí)，母船由于受到海浪的影響，將產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。如果將母船視作剛體，這種運(yùn)動(dòng)可以分解為橫搖、縱搖、首搖三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和橫蕩、縱蕩、垂蕩三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)[7]。本文所述的海底鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)要求最高在四級(jí)海況下對(duì)鉆機(jī)的順利收放。為了研究母船與收放機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的系統(tǒng)的特征，本文采用基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征的簡(jiǎn)化模型，即在考慮母船受到海浪的擾動(dòng)時(shí)，主要研究母船在垂直方向上振蕩，即垂蕩（升沉）運(yùn)動(dòng)，其他方向的振蕩給予忽略。根據(jù)船舶耐波性理論[8,9]，可將母船受到海浪影響產(chǎn)生的升沉運(yùn)動(dòng)近似看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，已知海浪的周期為T，則母船垂蕩（升沉）的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中：H(t)為母船垂蕩（升沉）方向的位移；Ha為母船垂蕩（升沉）的幅值，主要與海底鉆機(jī)母船的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)以及海浪的周期和波長(zhǎng)相關(guān)。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]對(duì)采礦用母船的研究，可以得出蒲福風(fēng)級(jí)5、6級(jí)時(shí)母船的升沉幅值，如表1所示。

表1 母船升沉幅值(蒲福風(fēng)級(jí)5、6級(jí)情況)

參考式（1）和表1可推算出波長(zhǎng)取2.5m，周期6s的四級(jí)海況（蒲福風(fēng)級(jí)5級(jí)）下，母船的升沉位移方程為：

相應(yīng)的升沉運(yùn)動(dòng)速度方程和加速度方程為：

其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線如圖3所示。

圖2 母船升沉運(yùn)動(dòng)曲線

3 收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化

3.1 ADAMS仿真模型的建立

考慮到收放機(jī)構(gòu)由多個(gè)部件構(gòu)成，且鉆機(jī)托架和固定支撐架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而ADAMS軟件的三維建模能力不足，我們采用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并將建好的三維模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在建模中省略對(duì)仿真分析沒(méi)有影響的導(dǎo)軌，采用由下至頂?shù)慕７椒ǎ⑹辗艡C(jī)構(gòu)各構(gòu)件的實(shí)體模型，并對(duì)各零部件進(jìn)行裝配完成收放機(jī)構(gòu)的整體建模。三維實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 收放機(jī)構(gòu)三維模型

收放機(jī)構(gòu)中鉆機(jī)托架連同鉆機(jī)自重為13.2t，優(yōu)化前提是假設(shè)收放機(jī)構(gòu)在海底鉆機(jī)回收工作中的質(zhì)量不變。收放機(jī)構(gòu)為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，仿真中以其中一側(cè)為對(duì)象進(jìn)行分析。

圖4 收放機(jī)構(gòu)ADAMS仿真模型

以鉆機(jī)托架下鉸點(diǎn)和固定支撐架的鉸接處O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。OA表示固定支撐架，AB為收放液壓缸，在O、A、B三點(diǎn)為鉸接點(diǎn)，添加旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接。收放液壓缸AB由兩個(gè)連桿組成，為滑動(dòng)副聯(lián)接，并添加平移驅(qū)動(dòng)作為收放機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)為了模擬在四級(jí)海況下母船的運(yùn)動(dòng)情況，在母船甲板下面添加一個(gè)可作上下運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，并添加一個(gè)平移驅(qū)動(dòng)模擬四級(jí)海況下海浪對(duì)母船產(chǎn)生的升沉運(yùn)動(dòng)。建立好的ADAMS仿真模型如圖4所示。設(shè)計(jì)目的是優(yōu)化A、B兩點(diǎn)的位置，使收放液壓缸最大驅(qū)動(dòng)力最小。

3.2 收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，收放機(jī)構(gòu)整個(gè)鉆機(jī)回收時(shí)間要求控制在30s～40s，鉆機(jī)與托架整體回收至水平面時(shí)液壓缸驅(qū)動(dòng)停止。收放液壓缸行程為活塞桿的長(zhǎng)度，由于收放液壓系統(tǒng)采用恒流量泵供油，因此收放液壓缸活塞桿將做勻速運(yùn)動(dòng)，我們將液壓缸驅(qū)動(dòng)速度設(shè)置為0.03m/s，在O點(diǎn)建立角度傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)仿真停止，即鉆機(jī)和托架整體翻轉(zhuǎn)90°至甲板水平面時(shí)液壓缸驅(qū)動(dòng)停止。設(shè)置仿真時(shí)間為40s，步長(zhǎng)800步，運(yùn)行仿真后得到收放液壓缸驅(qū)動(dòng)力的變化情況曲線，如圖5所示。

圖5 液壓缸驅(qū)動(dòng)力變化情況

3.3 收放機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）確定目標(biāo)函數(shù)

由圖5液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線可以看出，在回收過(guò)程中最大受力出現(xiàn)在回收動(dòng)作開(kāi)始階段，為156.92kN，最小受力在回收動(dòng)作結(jié)束時(shí)段，為74.96kN。整個(gè)過(guò)程受力幅值變化較大，因此選取收放液壓缸驅(qū)動(dòng)力為優(yōu)化對(duì)象，在滿足收放機(jī)構(gòu)對(duì)鉆機(jī)正常收放工況要求的前提下，希望液壓缸驅(qū)動(dòng)力的最大值越小越好，所以確定液壓缸驅(qū)動(dòng)力最大值作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。

2）定義設(shè)計(jì)變量

利用ADAMS軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，將收放機(jī)構(gòu)各構(gòu)件位置參數(shù)設(shè)置為變量，在優(yōu)化過(guò)程中只需改變參數(shù)變量值，其構(gòu)件模型就會(huì)跟著變動(dòng)[10,11]。

由圖4可知，O點(diǎn)為原點(diǎn)位置，A和B兩鉸接點(diǎn)的位置為關(guān)鍵點(diǎn)，將這兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)值進(jìn)行參數(shù)化處理，并定義成設(shè)計(jì)變量DV_AX、DV_AY、DV_BX、DV_BY，并在滿足液壓缸制作參數(shù)、母船甲板空間限制和收放機(jī)構(gòu)各部件不產(chǎn)生干涉的前提下，合理約束設(shè)計(jì)變量的變化范圍如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量取值變化范圍

3）設(shè)定約束條件

對(duì)收放機(jī)構(gòu)關(guān)鍵鉸點(diǎn)位置進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化時(shí)，需要考慮多方面的約束。針對(duì)收放機(jī)構(gòu)的工作情況，主要從以下四個(gè)方面進(jìn)行約束：

1）邊界條件約束 考慮到收放機(jī)構(gòu)總體尺寸和母船甲板尾部的空間布局，對(duì)設(shè)計(jì)變量的上下限進(jìn)行了設(shè)定；

2）收放液壓缸行程的約束 鉆機(jī)回收時(shí)間為30～40s，在液壓缸活塞桿驅(qū)動(dòng)速度v一定的情況下，液壓缸行程L應(yīng)滿足：

3）鉆機(jī)收放角度約束 當(dāng)鉆機(jī)隨托架向母船內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，收放液壓缸停止驅(qū)動(dòng)，因此建立一個(gè)傳感器，當(dāng)鉆機(jī)托架繞點(diǎn)O逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)角度等于或超過(guò)90°時(shí)，系統(tǒng)終止仿真。

4）優(yōu)化結(jié)果分析

設(shè)置好優(yōu)化計(jì)算的設(shè)計(jì)變量、研究目標(biāo)和約束函數(shù)后，對(duì)收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化結(jié)束后，從ADAMS軟件的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果信息輸出窗口中獲得A、B兩鉸接點(diǎn)位置的優(yōu)化結(jié)果，如表3所示。

表3 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

從表中可以看出優(yōu)化前后鉸接點(diǎn)坐標(biāo)值的變化情況，并將優(yōu)化后的坐標(biāo)值輸入到模型對(duì)應(yīng)鉸接點(diǎn)的位置參數(shù)上，得到優(yōu)化后的模型。對(duì)收放機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到優(yōu)化前、后收放液壓缸的受力情況對(duì)比圖，如圖6所示。

由圖6可知，在四級(jí)海況條件下，優(yōu)化后收放機(jī)構(gòu)在鉆機(jī)回收過(guò)程中液壓缸最大載荷為116.89kN，較優(yōu)化前的156.92kN降低了25.5%，且優(yōu)化后液壓缸的整個(gè)受力情況更加平穩(wěn)，最大受力不再出現(xiàn)在收放動(dòng)作開(kāi)始階段，有效的保護(hù)了液壓缸使用壽命。優(yōu)化后的仿真時(shí)間為32.95s較之前的32.37s增加了0.58s，即液壓缸行程增加了17.4mm，符合設(shè)計(jì)尺寸和工況要求。

圖6 優(yōu)化前后液壓缸驅(qū)動(dòng)力對(duì)比

3.4 收放機(jī)構(gòu)優(yōu)化后仿真分析

在ADAMS軟件中，對(duì)優(yōu)化后的收放機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)測(cè)量及后處理得到各鉸接點(diǎn)在回收工況中的受力曲線和各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，為后續(xù)收放機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的有限元分析和構(gòu)件穩(wěn)定性評(píng)估提供參數(shù)依據(jù)。

1）收放機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)受力分析

圖7所示為各鉸接點(diǎn)受力情況與鉆機(jī)回收角度的關(guān)系曲線。由圖可知，在四級(jí)海況下三個(gè)鉸接點(diǎn)的受力情況出現(xiàn)周期性的變化，且整個(gè)回收過(guò)程受力較平穩(wěn)，變化幅值較低。當(dāng)鉆機(jī)回收至21.1°時(shí)鉸接點(diǎn)O的受力最大為144.738kN，當(dāng)收放至74.7°時(shí)受力最小為126.459kN，變化幅值為18.279kN。鉸接點(diǎn)A和B的受力情況基本相同，主要受液壓缸載荷的影響，最大受力為鉆機(jī)回收至5°時(shí)的117.02kN，最小受力為鉆機(jī)回收至74.8°時(shí)的101.1kN，變化幅值為26.3kN。

圖7 鉸接點(diǎn)載荷曲線

2）收放機(jī)構(gòu)各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

當(dāng)收放液壓缸驅(qū)動(dòng)速度為0.03m/s時(shí)，整個(gè)鉆機(jī)回收工況為32.95s，對(duì)應(yīng)的液壓缸與固定支撐架之間的夾角、鉆機(jī)托架與甲板垂直方向夾角的變化規(guī)律曲線如圖8～圖10所示。

由圖8可知：在鉆機(jī)回收工況中，收放液壓缸與固定支撐架的夾角從12.67°開(kāi)始變化，收放至16s時(shí)達(dá)到最大角度值16.29°，回收結(jié)束時(shí)為9.32°；鉆機(jī)托架在回收過(guò)程中帶動(dòng)鉆機(jī)逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)90°后，收放動(dòng)作結(jié)束，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為32.95s。

圖8 角度變化曲線

圖9 角速度變化曲線

圖10 角加速度變化曲線

圖9所示為海底鉆機(jī)回收過(guò)程中液壓缸與固定支撐架夾角和鉆機(jī)托架旋轉(zhuǎn)角角速度變化情況。由圖可知，在回收過(guò)程中收放液壓缸的角加速度幅值不斷減小，從回收動(dòng)作開(kāi)始時(shí)的0.49°/s減小到回收動(dòng)作完成時(shí)的-1.23°/s。鉆機(jī)托架旋轉(zhuǎn)角的角速度先由3.12°/s減小到回收時(shí)間16.2s時(shí)的最小值2.44°/s，仿真結(jié)束時(shí)增加到4.22°/s。

圖10為海底鉆機(jī)回收過(guò)程中液壓缸與固定支撐架夾角和鉆機(jī)托架旋轉(zhuǎn)角角加速度變化情況。在回收過(guò)程中液壓缸與固定支撐架的夾角角加速度在0～27s階段一直處于初始階段值-0.4°/s2左右，27s開(kāi)始減小至仿真結(jié)束時(shí)為-0.27°/s2。鉆機(jī)托架旋轉(zhuǎn)角加速度在整個(gè)回收過(guò)程中一直增加，開(kāi)始時(shí)為-0.114°/s2，結(jié)束時(shí)為0.564°/s2。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了海底鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到收放機(jī)構(gòu)液壓缸在母船受到四級(jí)海況擾動(dòng)影響下的受力載荷曲線。從液壓缸載荷曲線得知收放機(jī)構(gòu)在鉆機(jī)回收工況中受力較大，且受力變化幅值較大。以收放液壓缸最大受力為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)收放機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，收放液壓缸的最大受力顯著降低，且最大受力不再出現(xiàn)在回收動(dòng)作開(kāi)始階段，整個(gè)回收工況液壓缸受力變化幅值較小。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后收放機(jī)構(gòu)模型的仿真分析，得到收放機(jī)構(gòu)優(yōu)化后主要部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各鉸接點(diǎn)的載荷曲線，為海底鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確立和關(guān)鍵部件的有限元分析提供參考指導(dǎo)。

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