郭龍川, 楊子赫, 王嘉祎, 付凱妹

(1. 杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 杭州 310018; 2. 中國(guó)石油化工研究院， 北京 102206)

0 引 言

Simulation X為一款在工程實(shí)踐和高?？蒲袑?shí)驗(yàn)中得到逐漸應(yīng)用的新興軟件[1-3]。Simulation X可在統(tǒng)一平臺(tái)上為多學(xué)科和多領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)工程建模和仿真驗(yàn)證研究，它涉及的學(xué)科門(mén)類(lèi)較多，包括海洋工程、機(jī)器人及控制系統(tǒng)優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)以及電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。而動(dòng)態(tài)機(jī)理建模技術(shù)為Simulation X仿真提供了可操作的基礎(chǔ)，通過(guò)掌握對(duì)象的運(yùn)行機(jī)理，將數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入Simulation X中，形成最終的仿真分析結(jié)果[4-8]。

在海洋工程學(xué)科的課堂教學(xué)實(shí)踐中，相關(guān)的理論和技術(shù)都較為抽象，這種抽象主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，① 海洋工程的真實(shí)環(huán)境距離學(xué)生較遠(yuǎn)，學(xué)生對(duì)于海洋及海洋工程的相關(guān)系統(tǒng)概念是模糊的，僅靠圖片和視頻是難以形成完整的海洋工程學(xué)的知識(shí)體系。② 海洋工程涉及面廣，涉及機(jī)械、控制、材料多種學(xué)科的融合?；诖耍瑔我坏睦碚搨魇谑降慕虒W(xué)是難以達(dá)到課堂教學(xué)目的，且教學(xué)效果較差[9-12]。如果能通過(guò)一些仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行有效的補(bǔ)充，將會(huì)對(duì)學(xué)生較好的掌握海洋工程的相關(guān)知識(shí)體系具有非常大的幫助，并產(chǎn)生良好的課堂教學(xué)效果。

本文以“海洋工程設(shè)計(jì)”課程中的“深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容為例，結(jié)合Simulation X軟件，對(duì)深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)理建模和動(dòng)態(tài)仿真分析。基于Simulation X軟件搭建深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真平臺(tái)將訓(xùn)練學(xué)生在海洋工程、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、水下電液復(fù)合系統(tǒng)與水下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的綜合能力。通過(guò)對(duì)運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析并建立數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合Simulation X軟件中最新的海洋庫(kù)組件模塊，學(xué)生可以根據(jù)不同水深、不同海況壓力和溫度的要求，自主設(shè)計(jì)并搭建水下深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)，根據(jù)要求設(shè)定深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間及運(yùn)行方式，可充分將理論與實(shí)踐銜接起來(lái)，一方面使學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)理論知識(shí)，掌握深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本原理與技術(shù)；另一方面有助于提高學(xué)生解決實(shí)際深水工程問(wèn)題的能力，從而提升教學(xué)質(zhì)量與效果。

1 深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力補(bǔ)償機(jī)制

深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)是深水海洋油氣開(kāi)發(fā)必不可少的設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中[5]。深水閥門(mén)與陸地上閥門(mén)相比，涉及海水腐蝕、深水壓力、深水溫度等外部環(huán)境影響，同時(shí)這些外部因素的影響也要求閥門(mén)具有較高可靠性和較長(zhǎng)使用壽命。深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成如圖1所示，包括液壓缸，ROV(水下機(jī)器人)操作接口、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，閥門(mén)位置指示器和用于平衡海水靜壓的壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)[3]。

深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)相較于陸上閥門(mén)不同點(diǎn)在于前者內(nèi)部必須充入液體—補(bǔ)償液，以平衡海水環(huán)境中閥門(mén)所受的壓力，即通過(guò)壓力補(bǔ)償器來(lái)實(shí)現(xiàn)此特性[3]。圖2為一種皮囊式壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，皮囊的內(nèi)外表面分別與補(bǔ)償液和海水接觸，以達(dá)到內(nèi)外介質(zhì)的壓力平衡，同時(shí)又將海水與補(bǔ)償液隔離，避免海水進(jìn)入閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)腐蝕內(nèi)部組件。

1-指示器指針；2-壓力補(bǔ)償器；3-液壓注入口；4-深水閘閥；5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體；6-ROV接口圖1 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)1-補(bǔ)償器外腔；2-皮囊；3-補(bǔ)償器內(nèi)腔；4-補(bǔ)償器油流通道；5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)腔；6-執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼；7-補(bǔ)償器外殼圖2 皮囊式壓力補(bǔ)償器 示意圖

圖3所示為一種深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞桿開(kāi)導(dǎo)流孔示意圖。

1-執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)腔； 2-液壓腔； 3-彈簧； 4-液壓注入口； 5-負(fù)壓腔； 6-活塞桿； 7-導(dǎo)流孔

圖3 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿開(kāi)導(dǎo)流孔示意圖

下面通過(guò)建立了包含導(dǎo)流孔阻尼影響在內(nèi)的深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，并利用SimulationX軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

2 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型

深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作動(dòng)力源為液壓油，在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，由水上的液壓源在恒定壓力作用下供油；當(dāng)需要閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，去除液壓壓力。在此基礎(chǔ)上用傳遞函數(shù)法建立深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型[3-4]。執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)微分方程如下：

執(zhí)行器開(kāi)啟過(guò)程中，活塞桿的力平衡方程為

(1)

流量方程為

Q=(A-A1)dy/dt

(2)

動(dòng)作持續(xù)時(shí)間為

t=(A-A1)L/Q

(3)

執(zhí)行器關(guān)閉過(guò)程中，活塞桿的力平衡方程為

md2y/d2t+ρgHA1+ρgH(A-A1)+f關(guān)

(4)

流量方程為

Q1=-(A-A1)dy/dt

(5)

動(dòng)作持續(xù)時(shí)間為

t=(A-A1)L/Q1

(6)

以上各式中：p為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制開(kāi)啟的供壓壓力；A為活塞面積；A1為活塞桿面積；A2為閥桿面積；H為工作水深；y為活塞位置；L為活塞行程；L0為彈簧預(yù)壓縮量；m為活塞等動(dòng)作部件質(zhì)量+1/3彈簧質(zhì)量；ρ為海水密度；μ為補(bǔ)償液的動(dòng)力黏度；k為彈簧剛度；g為重力加速度；lp為導(dǎo)流孔長(zhǎng)度；dp為導(dǎo)流孔內(nèi)徑；f開(kāi)為閥門(mén)的開(kāi)啟阻力；f關(guān)為閥門(mén)的關(guān)閉阻力；Q為執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程中流入液壓缸的流量；Q1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉過(guò)程中流出液壓缸的流量。

3 基于SimulationX的深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真分析

下面基于SimulationX軟件對(duì)深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，當(dāng)學(xué)生們通過(guò)建模了解深水閥門(mén)的動(dòng)態(tài)機(jī)理后，為有更加深刻的直觀感受，通過(guò)仿真分析這一技術(shù)即可使學(xué)生由內(nèi)而外深入掌握深水閥門(mén)的動(dòng)作過(guò)程。SimulationX軟件里的海洋庫(kù)功能模塊的一大特點(diǎn)即用戶(hù)可利用Type Designer工具自定義標(biāo)準(zhǔn)深水裝備元件，且能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)深水元件進(jìn)行擴(kuò)展、對(duì)已有深水模型進(jìn)行封裝以及對(duì)所建模型加密，且具有良好的開(kāi)放性、繼承性和保密性[5-7]。

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

以我國(guó)南海某深水油田中的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，其水深1 500 m；液壓開(kāi)啟壓力20.7 MPa；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓缸內(nèi)徑180 mm；活塞桿直徑90 mm；深水閥桿直徑50 mm；執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿導(dǎo)流孔直徑10 mm；活塞桿導(dǎo)流孔長(zhǎng)度480 mm；行程120 mm；彈簧剛度221.7 kN/m；活塞桿及其從動(dòng)部件質(zhì)量1.245 t；彈簧預(yù)壓縮量295 mm；閘閥的最大開(kāi)啟阻力為59.6 kN，最大關(guān)閉阻力為29.8 kN。

3.2 仿真結(jié)果

通過(guò)SimulationX軟件的海洋庫(kù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在SimulationX軟件中建立仿真模型，如圖4所示。仿真結(jié)果如圖5～10所示，曲線清晰表明了執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中活塞的速度、液壓腔流量及負(fù)壓腔流量的變化。從圖中可以看出，流量變化與速度變化基本同步；由于液壓腔和負(fù)壓腔的活塞桿外徑不同，導(dǎo)致其流量在大小上有所差異。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以對(duì)相關(guān)海洋模塊進(jìn)行相應(yīng)的增減，通過(guò)模塊化的操作，使學(xué)生根據(jù)課堂中吸收的海洋工程理論知識(shí)，進(jìn)行個(gè)性化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，此舉可以鍛煉學(xué)生進(jìn)行較為基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)工作，特別是一些總體方案設(shè)計(jì)，從而為今后從事相關(guān)行業(yè)的工作打下一定基礎(chǔ)。

圖4 SimulationX執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓仿真模型

圖5 開(kāi)啟時(shí)活塞的速度曲線圖6 開(kāi)啟時(shí)液壓腔的流量曲線圖7 開(kāi)啟時(shí)負(fù)壓腔的流量曲線圖8 關(guān)閉時(shí)活塞的速度曲線圖9 關(guān)閉時(shí)液壓腔的流量曲線圖10 關(guān)閉時(shí)負(fù)壓腔的流量曲線

通過(guò)Simulation X軟件將前期的理論建模知識(shí)與仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，使理論與實(shí)際相結(jié)合、學(xué)以致用，學(xué)生對(duì)此非常投入，增強(qiáng)了對(duì)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、水下閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等知識(shí)與技術(shù)的理解，掌握了許多相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。此外，在同樣的組件設(shè)備基礎(chǔ)上，可以開(kāi)展其他水下裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如水下連接器系統(tǒng)、水下通信系統(tǒng)、水下管匯系統(tǒng)。而模塊化的設(shè)計(jì)可以使得學(xué)生可以自主進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有課程安排的基礎(chǔ)上，對(duì)他們充分利用時(shí)間與相關(guān)仿真軟件有非常好的幫助。從實(shí)踐來(lái)看，提高了教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以“海洋工程設(shè)計(jì)”課程中的“深水閥門(mén)及執(zhí)

行機(jī)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容為例，探討深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作機(jī)理，并根據(jù)動(dòng)作機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Simulation X軟件，對(duì)深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。將動(dòng)態(tài)機(jī)理建模和Simulation X軟件仿真技術(shù)緊密結(jié)合，形成一套完備的水下閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)此平臺(tái)可以繼續(xù)模塊化的學(xué)習(xí)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)組件。一方面學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)理論知識(shí)，掌握深水閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本原理與技術(shù)；另一方面有助于提高學(xué)生解決實(shí)際深水工程問(wèn)題的能力，從而提升教學(xué)質(zhì)量。

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