软管铺设系统结构设计与动力学仿真

摘要

随着世界陆上石油资源的日渐枯竭，深海油气开采已成为全球能源战略的重点，中国也已经开始重视并加强对海洋石油开采技术的研究。海底输油管道的铺设是深海石油资源开发的基础，软管铺设系统是用于海底输油软管铺设的专用设备，目前该项技术被少数国外公司所垄断。
　　本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司的科研项目“软管铺设系统关键技术研究及原理样机研制”。本论文的主要任务是通过对国外相关技术的深入分析与研究，完成软管铺设系统的总体结构设计。目的在于设计并研制出具有自主知识产权的、用于深水软管铺设的专用设备。
　　论文介绍了管道铺设技术领域的国内外研究现状，通过对国内外参考文献的阅读与吸收，阐述了典型铺管方法的特点及应用范围，针对软管铺设系统的基本工作原理进行了研究，依据系统的设计要求，工作环境及管道参数，对软管铺设系统各部分结构的作业过程进行了研究和论证，在此基础上提出系统的总体设计方案。
　　在对软管铺设系统总体结构方案进行深入研究的基础上，对系统进行结构设计。论文重点对系统的曲率调整轮、悬挂夹具、校直器以及铺设塔架等关键部分机械结构进行了详细设计计算及理论校核。运用Pro/E软件建立软管铺设系统的三维结构模型并完成系统结构运动干涉检查以验证结构设计的合理性。
　　结合软管铺设系统的三维实体模型，利用有限元分析软件对系统的重要组成部分校直器、铺设塔架及悬挂夹具进行强度和刚度校核，通过有限元分析保证软管铺设系统的结构在强度与刚度上满足设计和使用要求。
　　利用设计的软管铺设系统进行铺设作业必须保证管道的受力情况在允许范围之内，在此前提下对铺设过程中的海底软管力学特性进行分析，建立管道的数学模型并利用MATLAB软件对软管的受力情况进行计算及仿真，验证管道在铺设过程中的安全性。
　　论文最后针对软管铺设系统正常工作状态与恶劣环境下的工作状态进行了动力学仿真，得到两种工况下的仿真数据并进行比较分析，以验证软管铺设系统的运动特性满足不同工况下的工作要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题的来源、目的及意义

1．3 软管铺设系统国内外发展概况

1．3．1 国外软管铺设系统的发展现状

1．3．2 国内软管铺设系统的发展概况

1．4 海底管道铺设方法综述

1．4．1 “S”型铺管法

1．4．2 “J”型铺管法

1．4．3 卷筒式铺管法

1．4．4 软管铺设法

1．4．5 铺管方法比较

1．5 论文主要研究内容

第2章 软管铺设系统工作原理及总体方案组成

2．1 引言

2．2 软管铺设系统设计条件

2．2．1 系统设计要求

2．2．2 系统工作环境

2．2．3 软管性能参数

2．3 软管铺设系统总体方案研究

2．3．1 软管铺设系统工作原理

2．3．2 铺管过程管道受力研究

2．3．2 软管铺设系统结构方案研究

2．4 本章小结

第3章 软管铺设系统关键结构设计

3．1 引言

3．2 软管铺设系统曲率调整轮结构设计

3．2．1 曲率调整轮直径的确定

3．2．2 曲率调整轮结构设计

3．3 软管铺设系统悬挂夹具结构设计

3．3．1 悬挂夹具结构设计

3．3．2 悬挂夹具受力分析

3．4 软管铺设系统校直器结构设计

3．4．1 履带总成结构设计

3．4．2 V形板结构设计

3．5 软管铺设系统铺设塔架结构设计

3．5．1 铺设塔架结构设计

3．5．2 铺设塔架受力分析

3．6 本章小结

第4章 软管铺设系统关键部件结构校核

4．1 引言

4．2 结构静力学分析概述

4．3 软管铺设系统关键零部件强度校核

4．3．1 校直器系统主要零部件的有限元分析

4．3．2 铺设塔架的有限元分析

4．3．3 悬挂夹具系统关键结构的有限元分析

4．4 海底管道受力研究

4．4．1 软管数学模型的建立

4．4．2 软管刚度矩阵的建立

4．4．3 海底管道边界条件确定

4．4．4 海底管道受力分析

4．5 本章小结

第5章 系统铺设塔架动力学仿真

5．1 引言

5．2 系统动力学方程

5．2．1 系统动力学方程的建立

5．2．2 系统动力学方程求解

5．3 铺设塔架工作状态动力学仿真分析

5．3．1 正常环境下铺设塔架动力学仿真

5．3．2 海洋环境下铺设塔架动力学仿真

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢