不同收放速度對海上鉆機收放系統(tǒng)影響分析

金永平1萬步炎2劉德順1,2彭佑多2

1.中南大學，長沙，4100832.湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)湖南省工程實驗室，湘潭，411201

摘要：以深海鉆機收放系統(tǒng)為研究對象，通過建立計入海水阻力的收放系統(tǒng)動力學模型，研究了不同收放速度對收放系統(tǒng)特性的影響。研究結(jié)果表明：受海水阻力的影響，鉆機在入水前后，擺動角度和臍帶纜張力均存在較大差異，海水阻力對兩者具有顯著的抑制效果。同時，隨著下放速度的增大，鉆機的擺動幅值和臍帶纜張力的變化幅值將不斷減??；隨著回收速度的增大，鉆機的擺動幅值將不斷減小，臍帶纜張力的最大值將不斷增大。

關(guān)鍵詞：海上鉆機；收放系統(tǒng)；動力學模型；特性分析

中圖分類號：TH113.2

收稿日期：2014-12-29

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA091301)；湖南省科技重大專項資助項目(2014FJ1004)；湖南省自然科學省市聯(lián)合基金資助項目(2015JJ5029)

作者簡介：金永平，男，1984年生。中南大學機電工程學院博士研究生。主要研究方向為海洋資源開發(fā)技術(shù)與裝備、機械系統(tǒng)動力學。發(fā)表論文10余篇。萬步炎，男，1964年生。湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)湖南省工程實驗室教授、博士研究生導(dǎo)師。劉德順，男，1962年生。中南大學機電工程學院教授、博士研究生導(dǎo)師，湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)湖南省工程實驗室教授、博士研究生導(dǎo)師。彭佑多，男，1965年生。湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)湖南省工程實驗室教授、博士研究生導(dǎo)師。

Analyses of Launch & Recovery System of Seafloor Drill under Different

Launching and Recovering Velocities

Jin Yongping1Wan Buyan2Liu Deshun1,2Peng Youduo2

1.Central South University，Changsha，410083

2.Hunan Province Engineering Laboratory of Marine Mineral Resources Exploration Equipment

and Technology，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan，411201

Abstract：A launch & recovery system of a seafloor drill was chosen as the study object, and the dynamics model was established herein,that considered the influences of the seawater resistance for launch & recovery system of seafloor drill. The dynamic characteristic of launch & recovery system of seafloor drill was analyzed under different launching and recovering velocities. The research results show that there are significant differences in the pendulum angles of the seafloor drill and the tension of the umbilical cable for different stages. The seawater resistance has obvious inhibition effects on reducing the erratic fluctuation of the pendulum angles of the seafloor drill and the tension of the umbilical cable. At the same time, the pendulum angles of the seafloor drill and the tension of the umbilical cable are decreased along with the increase of the launching velocity. As the increasing of recovering velocity, the pendulum angles of the seafloor drill will decrease, while the maximum value of the tension of the umbilical cable will increase.

Key words: seafloor drill; launch & recovery system; dynamics model; characteristic analysis

0引言

深海鉆機是開展海洋地質(zhì)及環(huán)境科學研究、進行海洋資源勘探和海底工程地質(zhì)勘察所必備的關(guān)鍵技術(shù)裝備[1-3]。受波浪、海風和海流的影響，母船將發(fā)生復(fù)雜的搖蕩運動。母船的搖蕩通過臍帶纜傳遞到深海鉆機上，引起深海鉆機的搖蕩。這將導(dǎo)致深海鉆機在入水前可能與母船后甲板發(fā)生碰撞，剛?cè)胨笈c母船尾部發(fā)生碰撞，在著底前偏離預(yù)先指定的著底位置。同時，受深海鉆機搖蕩的影響，臍帶纜將產(chǎn)生緊張和松弛的交替變化，從而引起臍帶纜張力的大幅度振動，使得臍帶纜因受頻繁的沖擊變載荷而失效斷裂[4-5]。

現(xiàn)有的海上收放系統(tǒng)研究大多采用規(guī)則波作為外部激勵，且所述的收放作業(yè)主要集中在海面以上，如Schellin等[6]建立了包含船體縱蕩、垂蕩和縱搖的浮式吊桿起重機的三維模型，采用周期性的簡諧波作為外部激勵對該模型進行了分析，研究表明，吊物的擺動對船體的運動影響較小。Chin等[7]通過建立船用起重機收放系統(tǒng)的三維非線性模型，來研究作用在起重臂端的直接激勵和參數(shù)外部激勵對起重機動態(tài)特性的影響。Masoud等[8]、Hanspeter[9]建立了船用起重機收放系統(tǒng)動力學模型，研究了激勵頻率、吊索長度等對吊物動態(tài)響應(yīng)的影響以及防擺控制策略。王學林等[10]建立了錨泊起重船的動力學模型，分析了起重船在規(guī)則波浪激勵下吊重的擺動特征，結(jié)果表明，當外部波浪頻率趨近于吊重特征頻率時，吊重會發(fā)生大的晃動。上述文獻所述的收放作業(yè)主要集中在海面以上，沒有涉及海水阻力對收放系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，同時，采用規(guī)則波作為外部激勵會使整個仿真分析結(jié)果與實際的海上收放作業(yè)存在較大差異，而對于不同收放速度對收放系統(tǒng)動態(tài)特性的影響的研究更鮮見文獻報道。由于本文所述的深海鉆機需下放至深海海底進行勘探作業(yè)，同時也為了更加貼切實際的海上作業(yè)環(huán)境，本文在建立深海鉆機收放系統(tǒng)動力學模型時，采用不規(guī)則波浪作為外部激勵，同時考慮海水阻力對整個收放系統(tǒng)的影響，這就使得所建立的深海鉆機收放系統(tǒng)動力學模型與實際的深海鉆機收放系統(tǒng)更加吻合，分析結(jié)果更有意義。

1深海鉆機收放系統(tǒng)模型

1.1收放系統(tǒng)描述

深海鉆機收放系統(tǒng)主要由母船、海洋絞車、臍帶纜、收放架、深海鉆機等部分組成。本文在建立深海鉆機收放系統(tǒng)動力學模型過程中，作了如下假設(shè)：①忽略臍帶纜的質(zhì)量和彈性變形；②收放架看作剛體，不考慮其彈性變形。

深海鉆機收放系統(tǒng)如圖1所示，其中，坐標系O0x0y0z0為慣性坐標系，Oxyz為固定在母船上的隨船坐標系，坐標系OAxAyAzA固定在收放架底端兩平行旋轉(zhuǎn)軸的中點A處，且OAxAyA平面和OAxAzA平面分別與隨船坐標系Oxyz中的Oxy平面和Oxz平面重合，坐標系OBxByBzB固定在收放架滑輪吊點B上，該坐標系與慣性坐標系平行。設(shè)A點至隨船坐標系Oxyz原點的距離為LOA，收放架與x軸正方向的變幅角為α，收放架底端兩平行旋轉(zhuǎn)軸的中點位置A至滑輪吊點B的距離為LAB，滑輪吊點B至深海鉆機重心G的臍帶纜的長度為l。深海鉆機重心G相對于慣性坐標系Oxyz中Oyz平面和Oxz平面的擺動角分別為γ和δ。本文主要研究不規(guī)則波浪激勵對母船升沉運動、橫搖、縱搖的影響，并在該影響下研究不同收放速度對深海鉆機收放系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

圖1　深海鉆機收放系統(tǒng)示意圖

1.2波浪模型

波浪運動的波面方程可描述為

(1)

式中，ζi為波浪的波幅；εi為波浪的隨機相位角，在0～2π中隨機分布；ωi為波浪的圓頻率；ki為波數(shù)；χ為波浪的浪向角；n為基本波數(shù)。

波幅ζi由波能譜S(ω)表示為

(2)

則式(1)可變?yōu)?/p>

cos(kixcosχ-kiysinχ-ωit-εi)

(3)

本文采用的波能譜為P-M譜，其表達式為

(4)

式中，H1/3為波浪的有義波高。

1.3母船運動與外部載荷

根據(jù)文獻[11]可知，船舶在波浪中的升沉、橫搖和縱搖運動的微分方程可表示為

(5)

式中，mship、Δmzz分別為船舶質(zhì)量和船舶升沉運動附加質(zhì)量；Jφφ、ΔJφφ分別為橫搖慣性矩和橫搖附加慣性矩；Jθθ、ΔJθθ分別為縱搖慣性矩和縱搖附加慣性矩；A1z～A5z為船舶升沉運動流體動力系數(shù)；B1φ為橫搖阻尼力矩系數(shù)；B2φ、B3φ為橫搖恢復(fù)力矩系數(shù)；C1θ～C5θ為船舶縱搖流體動力系數(shù)；Fz、Mφ、Mθ分別為升沉運動波浪干擾力、橫搖和縱搖運動波浪干擾力矩。

式(5)中的各系數(shù)可根據(jù)文獻[12-13]的經(jīng)驗公式求得。

規(guī)則波可以近似看成微幅諧振波，表示為時間和頻率的正弦或余弦函數(shù)。在隨船坐標系下，在點(x，y，z)上的動壓力可表示為

Δp(x,y,z)=-ρge-kzζ(x,y,t)

(6)

式中，ρ為海水密度；g為重力加速度；k為系數(shù)。

根據(jù)Froude-Krylov假設(shè)，作用在母船上的波浪干擾力和干擾力矩分別為

(7)

式中，V′為母船水面下的體積。

將式(6)代入式(7)，并將母船簡化為箱型結(jié)構(gòu)，可得波浪干擾力和干擾力矩：

(8)

式中，L、B、T分別為母船的長度、寬度和吃水深度。

1.4深海鉆機收放系統(tǒng)動力學方程

固定在母船上的隨船坐標系Oxyz相對于慣性坐標系O0x0y0z0的變換矩陣為

T=T(x,y,z)R(x,φ)R(y,θ)=

(9)

則收放架滑輪吊點B的位置可表示為

(10)

深海鉆機重心G的位置可表示為

(11)

式中，z、φ、θ、γ、δ和l為時變參數(shù)。

假定收放架變幅角度α為定值，將式(11)對時間求導(dǎo)可得深海鉆機重心G在x、y、z三個方向上的速度：

(12)

則深海鉆機動能為

(13)

式中，m為海底鉆機的質(zhì)量。

深海鉆機勢能為

Ep=mg(z+LOAsinθ-LABcosαsinθ-

LABsinαcosθcosφ-lcosγcosδ)

(14)

根據(jù)拉格朗日方程可得收放系統(tǒng)的整體動力學方程式：

(15)

(16)

(17)

深海鉆機收放系統(tǒng)所受的廣義力主要為海水阻力，其表達式為

(18)

式中，Cx、Cy、Cz分別為深海鉆機在x、y、z三個方向上運動的阻力系數(shù)；Sx、Sy、Sz分別為深海鉆機在x、y、z三個方向上阻力面的面積；d為臍帶纜的直徑；Ct、Cn分別為臍帶纜的切向阻力系數(shù)和法向阻力系數(shù)。

1.5臍帶纜張力響應(yīng)

將式(12)對時間求導(dǎo)可得深海鉆機重心G在空間x、y、z三個方向上的加速度為

(19)

在深海鉆機入水之前，由于深海鉆機未與海水接觸，因此鉆機沒有受到海水阻力的影響，此時深海鉆機的運動可表示為

(20)

式中，F(xiàn)T為臍帶纜的張力。

由式(20)可得深海鉆機在入水前臍帶纜張力：

(21)

當深海鉆機入水后，海水阻力開始對鉆機的運動產(chǎn)生抑制作用，此時深海鉆機的運動可表示為

(22)

式中，V為深海鉆機的體積。

由式(22)可得深海鉆機在入水后臍帶纜張力：

(23)

2仿真結(jié)果與分析

本文以某考察船為母船，綜合式(1)～式(23)，建立波浪、母船運動以及深海鉆機收放系統(tǒng)動力學模型，并在Simulink環(huán)境下進行仿真分析，本文模擬的海況為4級海況，該海況對應(yīng)的有義波高為2.5m，平均周期為6s，收放系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1　收放系統(tǒng)主要參數(shù)

在深海鉆機下放和回收過程中，母船通過動力定位固在指定海面區(qū)域，因此，仿真時可將母船x方向前進速度設(shè)為0，同時將波浪的浪向角χ設(shè)為30°。當給定收放架變幅角度α為135°時，海平面至母船上收放架滑輪吊點B的高度約為8m。由于本文所述的深海鉆機需下放至海底進行勘探作業(yè)，因此，分析中設(shè)深海鉆機入水前的最大臍帶纜長度為8m，深海鉆機入水后其下放最大海水深度為100m(或鉆機回收時的起始深度為100m)。

2.1母船運動響應(yīng)計算結(jié)果與分析

圖2所示為4級海況下母船升沉、橫搖和縱搖的響應(yīng)曲線。從圖2可以看出，在不規(guī)則波浪激勵下母船將產(chǎn)生不規(guī)則的升沉、橫搖和縱搖響應(yīng)，其中，母船升沉運動響應(yīng)幅值變化范圍為-241～236mm。母船橫搖響應(yīng)幅值變化范圍為-0.068～0.059rad。母船縱搖響應(yīng)幅值變化范圍為-0.027～0.028rad。與4級海況的有義波高相比，母船升沉運動響應(yīng)幅值約為有義波高的0.191倍。對比圖2b、圖2c可知，在不規(guī)則波浪激勵下，母船橫搖的變化幅值較母船縱搖的變化幅值大，這主要是由于波浪運動方向與母船的首尾軸線存在一定的角度(浪向角χ=30°)以及母船長度較母船寬度大，從而使得母船橫搖的變化幅值較母船縱搖的變化幅值大。

(a)升沉運動響應(yīng)曲線

(b)橫搖響應(yīng)曲線

(c)縱搖響應(yīng)曲線 圖2　4級海況下母船升沉、橫搖和縱搖響應(yīng)曲線

2.2不同下放速度對深海鉆機動態(tài)特性的影響

圖3　下放速度為0.5m/s時的深海鉆機擺角δ和γ

圖4　下放速度為1.0m/s時的深海鉆機擺角δ和γ

圖5　下放速度為1.5m/s時的深海鉆機擺角δ和γ

圖3～圖5所示不同下放速度時深海鉆機擺角γ和δ的動態(tài)響應(yīng)，可以看出，深海鉆機入水前的擺動幅值明顯大于入水后的擺動幅值，即海水阻力對鉆機的擺動狀況具有明顯的抑制作用。同時，隨著下放速度的不斷增大，深海鉆機的擺動幅值將不斷減小，鉆機的擺動周期將不斷增大。

圖6～圖8所示為不同下放速度的深海鉆機臍帶纜張力響應(yīng)曲線，由圖可知，在深海鉆機入水前與入水后，臍帶纜張力的變化幅值存在較大差異，由此可見，海水阻力對深海鉆機臍帶纜張力變化同樣具有較大的抑制作用。同時，進一步對比3個分圖可知，隨著下放速度的不斷增大，深海鉆機臍帶纜張力變化幅值將不斷減小，臍帶纜張力變化幅值的減小可以有效改善臍帶纜的力學性能，避免因受過大的沖擊變載荷而失效斷裂。

圖6　下放速度為0.5m/s時的深海鉆機臍帶纜張力

圖7　下放速度為1.0m/s時的深海鉆機臍帶纜張力

圖8　下放速度為1.5m/s時的深海鉆機臍帶纜張力

綜上分析可知，深海鉆機下放作業(yè)過程中，可以根據(jù)海洋絞車的性能參數(shù)選擇盡可能大的下放速度。

2.3不同回收速度對深海鉆機動態(tài)特性的影響

圖9～圖11所示為不同回收速度時深海鉆機擺角γ和δ的動態(tài)響應(yīng)，從圖可以看出，深海鉆機在海水中的擺角γ和δ均較小，且擺動周期較大。當深海鉆機提出水面后，擺角γ和δ的擺動幅值將迅速增大，且擺動周期逐漸變小。同時，隨著回收速度的不斷增大，深海鉆機的擺角γ和δ的變化幅值將不斷減小。

圖9　回收速度為0.5m/s時的深海鉆機擺角δ和γ

圖10　回收速度為1.0m/s時的深海鉆機擺角δ和γ

圖11　回收速度為1.5m/s時的深海鉆機擺角δ和γ

圖12～圖14所示為不同回收速度時深海鉆機臍帶纜張力響應(yīng)曲線，對比可知，隨著回收速度的不斷增大，深海鉆機臍帶纜張力的最大值將不斷增大，臍帶纜張力的增大有可能導(dǎo)致臍帶纜因承受過大的載荷而失效斷裂。

圖12　回收速度為0.5m/s時的深海鉆機臍帶纜張力

圖13　回收速度為1.0m/s時的深海鉆機臍帶纜張力

圖14　回收速度為1.5m/s時的深海鉆機臍帶纜張力

綜上分析可知，深海鉆機回收作業(yè)過程中，可以根據(jù)海洋絞車的性能參數(shù)選擇盡可能小的回收速度。

3結(jié)語

以深海鉆機收放系統(tǒng)為研究對象，采用拉格朗日方程建立了計入海水阻力的深海鉆機收放系統(tǒng)動力學模型。研究了不同收放速度對深海鉆機收放系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

計算結(jié)果分析表明：受海水阻力的影響，深海鉆機在入水前后，擺動角度和臍帶纜張力的變化幅值均存在較大差異，海水阻力對兩者的變化具有明顯的抑制效果，臍帶纜張力變化幅值的減小可以有效改善臍帶纜的力學性能，避免因受過大的沖擊變載荷而失效斷裂。

隨著下放速度的不斷增大，深海鉆機的擺動幅值和臍帶纜張力的變化幅值將不斷減小。隨著回收速度的不斷增大，深海鉆機的擺動幅值將不斷減小，臍帶纜張力的最大值將不斷增大。

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(編輯張洋)