海底管道回填犁動(dòng)力學(xué)分析及試驗(yàn)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(jī)械設(shè)備，主要作用是對(duì)布放在海底溝槽里的石油管道進(jìn)行掩埋，達(dá)到保護(hù)管道的目的。本文將海底管道回填犁作為主要對(duì)象來研究，同時(shí)考慮拖纜對(duì)回填犁拖曳運(yùn)動(dòng)過程的影響，建立完整的回填犁拖曳過程的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)回填犁拖曳系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并得出相關(guān)結(jié)論。
　　提出了回填犁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)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(biāo)系之間的關(guān)系，為參數(shù)在不同坐

2、標(biāo)系的傳遞建立轉(zhuǎn)換方程。建立了回填犁與拖纜運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型及其邊界條件。在該數(shù)學(xué)模型中，拖纜的運(yùn)動(dòng)等式是基于 Ablow and Schechter拖纜運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，回填犁的運(yùn)動(dòng)則是基于Abkowitz的拖體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并在纜繩和回填犁的連接點(diǎn)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(yùn)動(dòng)方程主要是描述拖纜和回填犁受力與運(yùn)動(dòng)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(duì)不同坐標(biāo)系方程的參數(shù)進(jìn)行

3、的關(guān)聯(lián)，將拖纜最上端（與拖船的鉸接點(diǎn)）定義為一個(gè)參數(shù)邊界，將拖纜下端（即與回填犁的鉸接點(diǎn)）為一個(gè)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(jìn)一步簡(jiǎn)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(jì)算公式。由于回填犁的結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，沒有回填犁相對(duì)應(yīng)的流體沖擊阻力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，所以針對(duì)回填犁的模型特點(diǎn)，利用CFD軟件求解流場(chǎng)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(gè)未知數(shù)的非線性偏微分方程組，由于是通式形式，直接計(jì)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(duì)非線性偏微分方程組進(jìn)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(duì)差分方程組進(jìn)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(jì)算的時(shí)間推進(jìn)的形式；最后用麥考馬克方法計(jì)算出方程的值。將拖纜、回填犁的化簡(jiǎn)求解后的方程組進(jìn)行聯(lián)立并編輯為MATLAB語言，利用MA

5、TLAB軟件對(duì)計(jì)算方程進(jìn)行解算，并達(dá)到分析和出圖像的目的。討論了拖曳初始值一定時(shí)，回填犁拖曳系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的收斂情況；討論了不同拖曳初始值時(shí)，回填犁拖曳系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化及收斂情況；討論了回填犁重量對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jī)體穩(wěn)定而對(duì)回填犁抬升角的調(diào)節(jié)過程。最后將試驗(yàn)得出的結(jié)果與拖曳系統(tǒng)得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)學(xué)建模與仿真的正確性。
　　研制了回填犁試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)回填犁進(jìn)行陸