本文選題：犁式挖溝機(jī)　切入點(diǎn)：牽引力　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：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)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)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),采用滑模控制方法和PID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)的試驗(yàn)樣機(jī)。設(shè)計(jì)了海底犁式挖溝機(jī)陸地試驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)陸地試驗(yàn)場(chǎng)地土壤進(jìn)行土工試驗(yàn)以計(jì)算挖溝機(jī)的牽引力。進(jìn)行了犁體開合、管道導(dǎo)向、挖溝機(jī)轉(zhuǎn)向、挖溝深度調(diào)節(jié)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的犁體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及挖溝機(jī)牽引力理論計(jì)算和數(shù)值仿真方法的可行性。本文的研究成果為海底犁式挖溝機(jī)工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ),為后續(xù)的海底犁式挖溝機(jī)的海底試驗(yàn)提供了寶貴的操作經(jīng)驗(yàn),同時(shí)為我國(guó)海底管道挖溝埋設(shè)技術(shù)的深入研究開闊了思路。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TE973.92

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