海底60米多用途钻机收放机构设计研究

摘要

海底60米多用途钻机是具备海洋矿产资源勘探、海底工程地质调查以及海底多参量原位CPT探测等功能的新型海洋重型技术装备。收放机构作为海底60米多用途钻机的配套装备，在钻机的下放与回收作业中发挥重要的作用，安全可靠的收放机构能大大提高海底钻机作业的效率。我国到目前为止还没有为海底钻机研制过专门的收放机构，而传统的依靠 A形架和海洋绞车将海洋装备直接吊放的收放方式已经不能适应属于重型海底装备的海底60米多用途钻机。因此国家863计划项目“海底60米多用途钻机系统技术开发与应用研究”项目中明确规定了要研发与海底60米多用途钻机配套的收放机构的任务。本论文研究即依托此项目展开，设计研究海底60米多用途钻机的收放机构，使其实现海底60米多用途钻机在海洋作业时的安全、快速收放。
　　本文主要研究内容如下：
　　（1）综述国内外海底重型装备收放机构的研究现状，分析和总结当前研究存在的问题，并依此构建满足收放技术要求的海底钻机收放机构结构设计的整体方案。以收放机构整体方案为依托确立海底60米多用途钻机收放机构的组成部分，并根据钻机作业环境和要求确定收放机构对钻机进行收放的作业流程。
　　（2）分析钻机母船在海洋扰动下对收放机构产生的影响，并以此分析结果作为母船外部扰动条件，建立收放机构作业过程的数学模型，并进行数值仿真，得到收放机构运动和受力的理论值。然后根据分析得出的理论值对收放机构的收放液压缸、托架铰接处等主要受力零部件进行设计，得到收放机构的初步设计参数。
　　（3）利用三维建模软件 Solidworks对所设计的收放机构进行三维建模，并导入ADAMS软件中建立收放机构的虚拟样机模型。对收放机构虚拟样机进行仿真，得到收放液压缸、支撑底座铰接点等关键部件的运动规律和受力变化曲线，并与前面分析的理论值进行比较，验证收放机构模型是否正确，并对收放机构虚拟样机进行分析。在有限元分析软件ANSYS中对收放机构进行静力学分析，得到关键部件在钻机收放过程中的最大应力值，从而验证所设计的收放机构的刚度和强度能否满足实际要求。
　　（4）将收放机构组装完毕后，在实验室进行钻机收放的试验和主要受力点的应力应变测试实验，并将调试完毕的收放机构运至母船甲板上，对其进行钻机的收放试验。根据试验结果确认所设计收放机构能否按照要求完成海底60米钻机的收放，以及各构件在收放过程中测试点处受到的应力大小是否与有限元分析得到的结果相同。为收放机构在海底60米多用途钻机进行海试时的收放提供理论和实践指导。

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第一章 绪 论

1.1项目来源

1.2项目背景

1.3论文研究目的和意义

1.4国内外研究现状

1.5 国内外研究现状分析

1.6 论文研究的主要内容

1.5 本章小结

第二章 海底60米多用途钻机收放机构总体方案

2.1海底60米多用途钻机收放系统的组成

2.2海底60米多用途钻机收放机构的技术要求

2.3海底60米多用途钻机收放机构的整体结构设计方案

2.4 海底60米多用途钻机收放机构的收放作业过程

2.5海底60米多用途钻机收放机构的主要技术优点

2.6 本章小结

第三章 海底60米多用途钻机收放机构的设计

3.1海洋环境下母船的运动分析

3.2收放机构数学模型分析

3.3收放液压缸的设计

3.4 关键零部件的设计

3.5 本章小结

第四章 收放机构结构分析

4.1 收放机构虚拟样机分析

4.2 收放机构数学模型的验证

4.3 基于虚拟样机的收放机构动力学分析

4.4 收放机构结构有限元分析

4.5 本章小结

第五章 收放机构试验分析

5.1 实验室钻机收放试验

5.2 收放机构关键部位的静动态电测试验和分析

5.3 母船上的钻机收放试验

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 总体结论

6.2 未来展望

参考文献

致谢

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