楊帆，李彥勝，黃江中，宋國祥，馬麗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

水下摩擦疊焊作業(yè)過程仿真系統(tǒng)設計

楊帆，李彥勝，黃江中，宋國祥，馬麗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

為了縮短水下摩擦疊焊技術設備研制周期、節(jié)約試驗費用、降低裝置在海上試驗和實際應用中的風險，設計了水下摩擦疊焊作業(yè)仿真系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)總體設計方案，包含其主要工作內(nèi)容和軟硬件體系結構。開發(fā)了滿足功能要求的仿真軟件，介紹了軟件的開發(fā)環(huán)境、功能和界面。通過一系列仿真實驗以及纜索的受力及姿態(tài)分析，證明了系統(tǒng)的可行性。

摩擦疊焊；體系結構；纜索姿態(tài)；仿真系統(tǒng)

為確保我國能源安全，國家啟動了“大型油氣田與煤層氣開發(fā)”科技重大專項。我國南海油氣資源豐富，其中約70%蘊藏于深水區(qū)。深水海洋工程技術面臨復雜的油氣藏特性以及惡劣的海洋環(huán)境條件，而我國深水勘探開發(fā)能力遠落后于國際先進水平，其原因除了技術與裝備不足外，科研成果的產(chǎn)業(yè)化能力是一個更加嚴重的制約因素，因此，必須大力加強深水海洋工程技術與裝備的產(chǎn)業(yè)化技術攻關。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，水下油氣開發(fā)工藝裝備已成為業(yè)界研究熱點，市場需求也增長迅速［1］。在這樣的背景下，國家大力投資于包括水下摩擦疊焊在內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝作業(yè)裝備，對于推動深水油氣開發(fā)裝備的產(chǎn)業(yè)化有著重要的意義［2］。

為了研制水下摩擦疊焊技術設備，在研究過程中利用仿真和水池試驗來驗證整個裝置的可行性和可靠性，可以大大縮短海上試驗的周期從而節(jié)約試驗費用，同時也降低了裝置在海上試驗和實際應用中的風險［3］。在仿真試驗中模擬吊裝及作業(yè)的全過程，觀察分析裝置可能遇到和發(fā)生的各種情況，可以減少研發(fā)初期由于設計缺陷造成的設備損壞，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計、技術和工藝上存在問題，避免不必要的損失，優(yōu)化完善系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)［4］。同時，一套完善的仿真系統(tǒng)可以起到對作業(yè)過程中的操作人員進行培訓和模擬訓練的作用，使吊裝作業(yè)人員和潛水員熟悉作業(yè)過程。因此，在水下摩擦疊焊技術研究過程中，建立合理的水動力模型并通過仿真手段進行初步的研究開發(fā)顯得尤為重要。

1 仿真系統(tǒng)總體方案

1.1 仿真系統(tǒng)開發(fā)的總體技術路線

水下摩擦疊焊作業(yè)的配套技術研究，包括環(huán)向運動導軌的扶持、與管道待修區(qū)域的接近、在海底管道校準框架上面的準確就位等技術問題，以及管道摩擦疊焊維修宏觀場景監(jiān)視技術等。摩擦主軸頭與管道待修區(qū)域的合理初始相對位置，是高質(zhì)量完成摩擦過程的基礎條件，要求摩擦疊焊裝置輔助夾鉗就位精度必須滿足焊接要求［5］。水下摩擦疊焊裝置的水動力性能是保證就位精度、仿真過程準確程度和模擬訓練效果的關鍵。因此實施過程中需要首先利用數(shù)值計算初步確定摩擦疊焊裝置的水動力系數(shù)，再通過模型試驗修正、補充和驗證水動力系數(shù)。在此基礎上進行水下焊接作業(yè)過程、摩擦疊焊修復過程的仿真和視景顯示，風、浪、流海洋環(huán)境作用下作業(yè)裝置系統(tǒng)的作業(yè)過程模擬仿真，同時完成水下摩擦疊焊監(jiān)視系統(tǒng)。建立逼真的水面及水下視景和良好的人機交互環(huán)境，完成對吊裝操作人員和潛水員的模擬訓練。最后利用水池試驗來驗證無流和有流情況下吊裝和焊接作業(yè)過程的可行性，根據(jù)實驗結果對系統(tǒng)進一步改進以保證海上實驗的順利實施，上述總體技術路線如圖1所示。

圖1 水下摩擦疊焊作業(yè)仿真與監(jiān)控技術路線示意圖

1.2 仿真系統(tǒng)開發(fā)工作

為了實現(xiàn)深水摩擦疊焊系統(tǒng)作業(yè)過程的仿真和模擬訓練需要開展如下的工作：

1）利用基于CFD的理論計算及水池實驗等手段，確定水下摩擦疊焊系統(tǒng)中的工作支持母船、焊接設備及臍帶纜／吊裝纜的水動力參數(shù)，并在此基礎上建立海洋環(huán)境下各子系統(tǒng)合理的動力學、運動學模型，同時對臍帶纜、吊裝纜與連接設備的作用力干擾進行建模。

2）以建立的系統(tǒng)動力學、運動學模型為基礎，完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置和水下焊接對象（油管）布放過程的仿真試驗，對設備實際作業(yè)效果進行模擬。

3）完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置系統(tǒng)作業(yè)過程的視景仿真，對臍帶纜／吊裝纜、摩擦疊焊作業(yè)裝置受力以及分系統(tǒng)之間的相互作用力進行實時計算，從而完成運動狀態(tài)的解算，完成整個焊接作業(yè)過程的仿真模擬。

4）完成風、浪、流海洋環(huán)境作用下作業(yè)母船作業(yè)狀態(tài)的動態(tài)仿真，完成船—纜—作業(yè)裝置系統(tǒng)的作業(yè)過程動態(tài)顯示。

5）開展分布式仿真系統(tǒng)體系結構研究，建立深水摩擦疊焊系統(tǒng)的完整仿真環(huán)境，將前述工作納入統(tǒng)一的仿真框架之內(nèi)，完成仿真系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)、信息的高效傳輸和模擬真實海洋環(huán)境下的視景仿真。

2 仿真系統(tǒng)體系結構

2.1仿真系統(tǒng)硬件體系結構

仿真系統(tǒng)由三通道投影視景顯示系統(tǒng)、水動力計算模塊和實時操控模塊組成。其中三通道投影視景顯示系統(tǒng)是通過3臺投影機形成母船及焊接裝置視景效果的正投無縫拼接。仿真系統(tǒng)的硬件體系結構如圖2所示，主要包含以下設備。

投影幕：根據(jù)空間情況采用一個無縫的寬幅平面高對比度硬質(zhì)正投金屬屏幕，弧長8.5m，高2.8m。

投影機：采用松下PT-FD605 6500流明，雙燈源光學系統(tǒng)，DLP投影機。該機器應用于融合系統(tǒng)中最大優(yōu)點是：高亮度、高畫質(zhì)、高穩(wěn)定性、色彩匹配自動調(diào)節(jié)、液體冷卻系統(tǒng)、自動清潔過濾器等。

USTECH邊緣融合機：對輸入到投影機的圖像進行邊緣融合、幾何校正、畫面分布勢／布局、畫面組合、圖文顯示等。

圖形工作站：采用3臺HP Z800圖形工作站，負責完成仿真計算和仿真圖形生成。

圖2 三通道投影視景顯示系統(tǒng)

2.2 仿真系統(tǒng)軟件體系結構

仿真系統(tǒng)需要完成母船的水動力計算、纜索的水動力計算、焊接裝置的水動力計算和仿真海洋環(huán)境及視景的生成。仿真軟件系統(tǒng)的體系結構如圖3所示，系統(tǒng)的主要功能模塊有母船仿真、纜索仿真、焊接裝置仿真、視景仿真、海洋環(huán)境仿真等。這些仿真模塊在運行過程中由平臺信息管理中間件協(xié)調(diào)管理。信息管理中間件為這些模塊提供仿真管理服務、信息管理服務和仿真運行服務。由中間件統(tǒng)一接受仿真控制指令和任務計劃，根據(jù)信息管理服務提供的信息傳遞序列發(fā)送給各仿真模塊，各仿真模塊在仿真運行服務的協(xié)調(diào)和調(diào)用下實現(xiàn)一次仿真任務，計算結果由信息管理服務根據(jù)需要保存到數(shù)據(jù)庫中作為歷史數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)初始化階段由仿真管理服務根據(jù)仿真實體數(shù)據(jù)庫中的初始化信息對各仿真模塊進行初始化。

圖3 仿真系統(tǒng)軟件體系結構

3 水下摩擦疊焊仿真實驗

在Windows XP操作系統(tǒng)上，在VC6.0開發(fā)平臺上，利用Multigen Vega 3.7作為仿真視景構建工具，Multigen Creator 2.6作為仿真視景模型的建模工具，開發(fā)了水下摩擦疊焊仿真軟件，進行仿真試驗和操作模擬訓練。

在仿真軟件中可以設置流速和流向，有義浪高和波浪方向等作業(yè)環(huán)境，能夠觀察裝置吊裝和就位過程中裝置的姿態(tài)，軟件的人機交互界面如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)人機交互界面

另外，軟件還能夠?qū)崟r記錄下摩擦疊焊裝置和纜索的各個時鐘節(jié)拍的位姿。據(jù)此可以再現(xiàn)出纜索形態(tài)的數(shù)據(jù)。設定纜索計算模型為鋼架結構，長度L隨下潛時間變化而變化，要求最終下潛60 m（水上10 m，水下50 m，設計半徑為50 mm，材料系數(shù)采用Q235鋼，底部作用集中載荷發(fā)生變化，重量從1.5 t增至2.5 t，每隔0.2 t增長計算一次，共6組數(shù)據(jù)。水上部分不受側(cè)向力，水下部分側(cè)向有水流壓力，壓力值與鉛垂重量相關，變化范圍為0.05 N／mm（50 N／m）變化至0.1 N／mm（100 N／m），每組數(shù)據(jù)增長步長為0.01 N／mm。其橫截面半徑由0.01 m增長至0.06 m，增長步長為0.01 m。

第1組：鉛垂重量2.1 t，橫截面半徑0.04 m，水流速度0.08 N／mm，計算結果如圖5所示。

圖5 第1組纜索姿態(tài)數(shù)據(jù)

第2組：鉛垂重量2.3 t，橫截面半徑0.05 m，水流速度0.09 N／mm，計算結果如圖6所示。

圖6 第2組纜索姿態(tài)數(shù)據(jù)

第3組：鉛垂重量2.5 t，橫截面半徑0.06 m，水流速度0.1 N／mm，計算結果如圖7所示。

圖7 第3組纜索姿態(tài)數(shù)據(jù)

通過對各工況下的實驗結果的分析，鉛垂質(zhì)量在2.3～2.5 t和繩子半徑在0.05～0.06 m時，重錘著地點偏差不會很大，能夠滿足焊接要求。

4 結束語

水下摩擦疊焊作業(yè)仿真系統(tǒng)是水下摩擦疊焊技術設備研究過程的主要組成部分。本文提出了這個專用仿真系統(tǒng)的開發(fā)方案和軟硬件體系結構。以建立的系統(tǒng)動力學、運動學模型為基礎，完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置布放過程的仿真試驗，對設備實際作業(yè)效果進行模擬。完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置系統(tǒng)作業(yè)過程的視景仿真，對臍帶纜／吊裝纜、摩擦疊焊作業(yè)裝置受力以及分系統(tǒng)之間的相互作用力進行實時計算從而完成運動狀態(tài)的解算，完成整個焊接作業(yè)過程的仿真模擬。完成風、浪、流海洋環(huán)境作用下作業(yè)母船作業(yè)狀態(tài)的動態(tài)仿真，完成船—纜—作業(yè)裝置系統(tǒng)的作業(yè)過程動態(tài)顯示。

［1］VEERS J，BERTRAM V.Development of the USV multi-mission surface vehicle III［C］//5th International Confer-ence on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries.Beijing，China，2006：1451-1459.

［2］PARFOMAK P，F(xiàn)RITTELLI J.Maritime security：potential terrosist attacks and protection priorities［R］.CRS Report for Congress.Washington DC，USA，2007：126-135.

［3］陳曉波，熊光楞，柴旭東.基于分布式仿真模型對象的分布式協(xié)同建模技術研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2002，14（5）：576-580.

［4］鄧睿，趙雯，王維平.基于分布式異構仿真的協(xié)同建?？蚣苎芯浚跩］.計算機仿真，2005，22（9）：76-79.

［5］吳秀恒，劉祖源，施生達，等.船舶操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005：121-130.

［6］賈欣樂，張顯庫.船舶運動智能控制與魯棒控制［M］.大連：大連海事大學出版社，2002：154-165.

［7］KENYON H S.Robo boats on the horizon：smart unmanned craftmay replacewar-fighters for both dangerous and routine operations［J］.Signal Magazine，2009（9）：256-261.

［8］USDepartment of the Navy.The navy unmanned surface ve-hicle（USV）master plan［EB／OL］.［2013-10-11］.ht-tp：//www.doc88.com／p-9942007490900.html.

［9］王卓，馮曉寧.水面無人艇協(xié)同仿真平臺設計方法研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2012，33（3）：275-282.

［10］王卓，馮曉寧.智能水下機器人協(xié)同仿真框架研究［J］.上海交通大學學報，2012，46（4）：613-619.

［11］HUSTON R L，KAMMEN JW.A representation of fluid forces in finite segment cable models［J］.Computers and Structures，1981，14（3／4）：281-287.

［12］BARAFF D，WITKIN A.Large steps in cloth simulation［C］//SIGGRAPH98.Orlando，USA，1998：19-24.

［13］ABLOW C M，SCHECHTER S.Numerical simulation of undersea cable dynamics［J］.Ocean Engineering，1983，10（6）：443-457.

［14］SUN Yang，LEONARD JW.Dynamics of ocean cables with local low-tension regions［J］.Ocean Engineering，1998，25（6）：443-463.

［15］MILINAZZO F，M＇LATCHMAN S A.An efficient algo-rithm for simulating：the dynamics for towed cale systems［J］.Ocean Engineering，1987，14（6）：513-526.

［16］向溢，譚家華.碼頭系泊纜繩張力的蒙特卡洛算法［J］.上海交通大學學報，2001，35（4）：548-551.

［17］靳明君，張志國.懸鏈線柔索索長的計算［J］.鐵道標準設計，2004（5）：9-11.

Design of underwater friction stitch welding process simulation system

YANG Fan，LIYansheng，HUANG Jiangzhong，SONG Guoxiang，MA Li
Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

An underwater friction stitch welding operation simulation system is designed to shorten the development cycle and save test cost in the research process of the underwater friction stitch welding technology and equipment.The simulation system also can reduce the risk of device in the sea test and practical application.This paper pres-ents the whole design scheme of the simulation system，themain content of the developmentwork，and the software and hardware architecture.The simulation softwaremeeting the functional requirements is developed.The develop-ment environment，functions of the software and human-computer interface are proposed in this paper.The feasibili-ty of the system is proved by a series of simulation experiments and the analysis of the cable force and attitude.

friction stitch welding；software architecture；cable attitude；simulation system

TP23

：A

：1009-671X（2015）01-053-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201312017

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150112.1530.007.htm l

2013-12-31.

日期：2015-01-12.

國家自然科學基金資助項目（61100006，51209050）.

楊帆（1982-），男，工程師.

楊帆，E-mail：yangfan1＠m(xù)ail.cooec.com.cn.