海底管道回填犁動力學分析及試驗研究.pdf

1、海底管道回填犁是用于掩埋海底石油管道的專用水下機械設(shè)備，主要作用是對布放在海底溝槽里的石油管道進行掩埋，達到保護管道的目的。本文將海底管道回填犁作為主要對象來研究，同時考慮拖纜對回填犁拖曳運動過程的影響，建立完整的回填犁拖曳過程的數(shù)學模型，并對回填犁拖曳系統(tǒng)數(shù)學模型進行數(shù)值計算并得出相關(guān)結(jié)論。
　　提出了回填犁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過對回填原理的分析，明確了回填犁拖曳回填過程。分析了拖纜、回填犁和慣性三者坐標系之間的關(guān)系，為參數(shù)在不同坐

2、標系的傳遞建立轉(zhuǎn)換方程。建立了回填犁與拖纜運動的數(shù)學模型及其邊界條件。在該數(shù)學模型中，拖纜的運動等式是基于 Ablow and Schechter拖纜運動數(shù)學模型，回填犁的運動則是基于Abkowitz的拖體運動數(shù)學模型，并在纜繩和回填犁的連接點處建立參數(shù)傳遞方程，由此回填犁拖曳系統(tǒng)的方程組封閉可解。拖曳系統(tǒng)運動方程主要是描述拖纜和回填犁受力與運動之間的等式，是求解回填犁拖曳力及其他參數(shù)的方程主體。邊界條件主要是對不同坐標系方程的參數(shù)進行

3、的關(guān)聯(lián)，將拖纜最上端（與拖船的鉸接點）定義為一個參數(shù)邊界，將拖纜下端（即與回填犁的鉸接點）為一個參數(shù)轉(zhuǎn)換邊界，將回填犁回填狀態(tài)定義為末端參數(shù)邊界。邊界除了傳遞參數(shù)，還使待方程方程組進一步簡化。分析了回填犁在回填作業(yè)過程中受到的力和力矩，給出了回填犁所受到力及力矩的可求解的計算公式。由于回填犁的結(jié)構(gòu)外形復雜，沒有回填犁相對應的流體沖擊阻力的經(jīng)驗計算公式，所以針對回填犁的模型特點，利用CFD軟件求解流場得到回填犁受到的流體沖擊阻力。

4、　　拖纜和回填犁的控制方程是含有六個未知數(shù)的非線性偏微分方程組，由于是通式形式，直接計算求解非常困難。在列出拖曳系統(tǒng)控制方程組的基礎(chǔ)上，需要先對非線性偏微分方程組進行離散化處理，將非線性偏微分方程組轉(zhuǎn)換為非線性差分方程組的形式；其次對差分方程組進行線性化；再次將線性化后的差分方程組轉(zhuǎn)化為可以用于麥考馬克方法計算的時間推進的形式；最后用麥考馬克方法計算出方程的值。將拖纜、回填犁的化簡求解后的方程組進行聯(lián)立并編輯為MATLAB語言，利用MA

5、TLAB軟件對計算方程進行解算，并達到分析和出圖像的目的。討論了拖曳初始值一定時，回填犁拖曳系統(tǒng)各個參數(shù)隨時間的收斂情況；討論了不同拖曳初始值時，回填犁拖曳系統(tǒng)各個參數(shù)隨時間的變化及收斂情況；討論了回填犁重量對運動仿真參數(shù)的影響；討論了在仿真過程中為了保證回填過程中回填犁的機體穩(wěn)定而對回填犁抬升角的調(diào)節(jié)過程。最后將試驗得出的結(jié)果與拖曳系統(tǒng)得出的結(jié)果進行對比，進而驗證數(shù)學建模與仿真的正確性。
　　研制了回填犁試驗樣機，對回填犁進行陸