S型初始铺管力学分析与视景仿真系统研制

摘要

铺管船是海洋能源开发中不可或缺的海洋工程装备，深水铺管作业工艺过程复杂、作业环境恶劣导致深水铺管作业风险较大，同时也对操作人员提出了更高的要求。因此，开展深水铺管仿真作业模拟系统的研究具有重要的实际工程价值。本文以深水铺管起重船“海洋石油201”实际海上作业工艺流程为基础，利用视景仿真技术构建了一套深水铺管作业培训系统，起到海上铺管作业人员培训、方案预演等作用，从而提高铺管作业效率和安全性。
　　对初始铺管作业过程中的管道与缆索进行分析。一直以来，对于S型铺管方式研究的重点在管道微分方程的建立以及求解方法的比较，大多数方法只适用于正常铺管与收、弃管，对初始铺管作业研究很少。本文针对S型铺管作业中的初始铺管作业进行力学分析，对于管道，用非线性弹性大挠度梁理论建立管道模型，并采用微分求积法求解；对于缆索，通过缆索单元受力分析，建立缆索模型，并用迭代法求解。针对管道与缆索微分方程边界条件难以确定导致方程无法求解的问题，提出一种基于微分求积法的迭代方法，完成边界条件的确立及微分方程求解。对于管道和缆索的动态分析，本文借鉴前人研究铺管作业时管道振动分析的基础上，对边界条件进行简化处理，完成了管道与缆索振动方程的求解。
　　分析了现有铺管仿真系统存在的问题，并提出解决方案。针对仿真系统开发中的关键技术进行研究，设计了仿真系统的整体架构及开发流程。完成了数学模型程序编写，解决了仿真系统海量数据传输、子模块运行时间等问题。使深水铺管仿真系统功能得到完善，软件系统与硬件架构得到了优化。
　　通过对铺管仿真系统的现场联调测试，铺管仿真系统运行稳定，视景画面显示流畅，整个铺管作业过程中未出现系统卡死等不良现象，验证了整体方案的可行性。针对具体仿真算例验证初始铺管数学模型的准确性，并以铺管仿真系统为基础，分析了海流载荷和船体激励条件下管道与缆索的响应。
　　综上所述，本文完成了初始铺管作业中管道及缆索的力学分析，并首次采用基于微分求积法的迭代方法完成了管道及缆索微分方程的求解，解决了初始铺管计算效率低的问题；对管道与缆索振动方程边界条件进行合理简化，解决了管道及缆索振动方程的求解问题；完成了铺管视景仿真系统的程序开发，解决了仿真子系统间的数据传输、视景模块画面显示卡顿等问题；通过具体案例完成对仿真系统的测试，仿真系统运行稳定，视景显示效果良好，对海上铺管作业具有重要参考价值。

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第1章 绪 论

1.1 论文的研究背景及研究意义

1.2 虚拟现实技术研究现状

1.3 深水S型铺设算法研究现状

1.4 论文研究主要内容

第2章 深水S型铺管仿真系统理论分析

2.1 现有仿真系统分析

2.2 S型铺管仿真系统功能需求分析

2.3 初始铺管作业计算理论

2.4 本章小结

第3章 S型初始铺管力学分析

3.1 铺管作业环境载荷分析

3.2 初始铺管数学模型

3.3 管道非线性微分方程的DQ解

3.4 初始铺管整体计算方法

3.5 本章小结

第4章 S型铺管仿真系统组成及系统开发方法研究

4.1 铺管仿真系统架构方案

4.2 铺管仿真系统开发工具及流程

4.3 铺管仿真系统开发方法研究

4.4 本章小结

第5章 S型铺管仿真系统测试及仿真实例验证

5.1 铺管仿真作业过程测试

5.2 仿真作业算例

5.3 仿真结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢