海底犁式挖溝機(jī)動(dòng)力學(xué)分析與犁體曲面優(yōu)化.pdf

1、海底管道作為海上石油平臺(tái)和泊油船與陸地油氣庫(kù)之間的連接通道，其安全性倍受各國(guó)關(guān)注。為了防止海洋自然因素、船舶錨具及漁船拖網(wǎng)等對(duì)海底管道造成的巨大危害，需要對(duì)海底管道進(jìn)行防護(hù)及固定，通常采用挖溝埋設(shè)的方法。海底犁式挖溝機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于海底管道挖溝埋設(shè)領(lǐng)域的作業(yè)裝備。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海底犁式挖溝機(jī)，對(duì)于我國(guó)海底管道挖溝埋設(shè)技術(shù)水平的提升具有重要的意義。本文著重研究海底犁式挖溝機(jī)犁體曲面的建模方法、犁體裂解海底土壤受力分析方法、犁體曲

2、面優(yōu)化方法以及挖溝機(jī)牽引力的計(jì)算與仿真方法，并針對(duì)海底挖溝作業(yè)系統(tǒng)，分析工程船和拖纜對(duì)挖溝機(jī)牽引路徑和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的控制。
　　本文首先研究了犁體曲面的建模方法。采用水平直元線法建立犁體主切削面和翻拋曲面的數(shù)學(xué)解析方程及三維模型，對(duì)海底犁式挖溝機(jī)犁體曲面裂解翻拋海底土壤的過程進(jìn)行了分析。根據(jù)工作面上土壤微元的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，建立了犁體曲面的土跡線方程和犁體裂解土壤的動(dòng)力學(xué)方程，得到了犁體牽引力的理論計(jì)算方法。分別對(duì)翻拋曲面曲率對(duì)土壤沿犁體曲

3、面翻拋的法向力及切向力的影響和摩擦系數(shù)、土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)主切削面受力的影響進(jìn)行了討論。
　　采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)犁體曲面進(jìn)行了優(yōu)化研究。針對(duì)一定的土壤工作環(huán)境，以犁體曲面的最小受力及最小工作面積作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了犁體主切削面的設(shè)計(jì)參數(shù)（入土角和面角）及翻拋曲面的設(shè)計(jì)參數(shù)（元線角差值、導(dǎo)曲線安裝角、切線夾角、開度）。根據(jù) PARETO解集選擇符合設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化結(jié)果，采用高斯曲率的標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)優(yōu)化后的翻拋曲面的光順性，可實(shí)現(xiàn)減少

4、牽引消耗及節(jié)約加工材料的目的。
　　對(duì)海底犁式挖溝機(jī)的犁體裂解土壤過程及挖溝機(jī)牽引力計(jì)算方法進(jìn)行了研究?；诰€性 DRUCKER-PRAGER塑性屈服準(zhǔn)則的土壤彈塑性本構(gòu)方程，結(jié)合一階線性水波確定的海底土壤動(dòng)壓力方程，建立了海底土壤、海流、犁體相互作用的動(dòng)力學(xué)方程及仿真模型。為了保證計(jì)算的收斂性，采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法和歐拉-拉格朗日耦合法求解該仿真模型?；谕跍蠙C(jī)動(dòng)力學(xué)方程，利用犁體牽引力的仿真結(jié)果，計(jì)算了挖溝機(jī)牽引力及行走機(jī)

5、構(gòu)的支撐力。對(duì)比挖溝機(jī)牽引力的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法計(jì)算挖溝機(jī)牽引力的可行性，并討論了人工粘度對(duì)仿真結(jié)果的影響。基于犁體牽引力的仿真結(jié)果，分析了犁體安裝位置對(duì)溝型的影響。結(jié)合海底環(huán)境情況，討論了海流、海底土壤物理力學(xué)參數(shù)（土壤彈性模量、不排水剪切強(qiáng)度、摩擦角）、海底復(fù)雜地貌（余弦波及側(cè)斜海底地貌）、海底沖擊載荷對(duì)犁體牽引力、行走機(jī)構(gòu)支撐力和挖溝機(jī)牽引力的影響。
　　研究了海底犁式挖溝機(jī)海底作業(yè)路徑控制方法。基于質(zhì)

6、量-彈簧-阻尼機(jī)械系統(tǒng)的建模方法，建立了三自由度工程船、拖纜、犁式挖溝機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。采用三次樣條插值方法擬合挖溝機(jī)運(yùn)行的工作路徑，得到了挖溝機(jī)所需的位移、速度、加速度以及工程船的參考路徑。為確保挖溝機(jī)沿著海底管道進(jìn)行挖溝作業(yè)，采用滑?？刂品椒ê蚉ID控制方法對(duì)工程船的舵角和路徑進(jìn)行了控制。根據(jù)拖纜在挖溝作業(yè)中的彈性力學(xué)特性，確定了挖溝機(jī)在工程船驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)輸出響應(yīng)、拖纜單元的伸長(zhǎng)量和受力情況。
　　設(shè)計(jì)并制造了海底犁式挖溝機(jī)的試