开题报告-海洋平台疲劳测试试验台设计.doc

中国海洋大学本科毕业设计开题报告题 目 海洋平台疲劳测试实验台设计院、 系 工程学院专 业 机械设计制造及其自动化 11级学生姓名 学 号 指导教师 2015年04月02日一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值课题来源、选题依据和背景情况近年来，随着社会的发展，各种各样的机器如汽车、飞机、船舶、工业设备农业机器等得到了普及。然而，这些交通工具或其他领域的设备也需要越来越多的能源，陆地上的石油、天然气、煤炭资源已经不能完全满足人类的需求，为了更好的促进和保持社会的平稳发展，向海洋开采更多的资源已经亟不可待。海洋占有整个地球的70%的面积，蕴藏着丰富的能源资源，据估计，海底石油的储量约有1350亿吨，是世界石油总储量的2/3,另外，天然气的总储量约有140万亿平方米，约是世界总储量的30%。陆地的石油开采程度已将近尾期，多数地区的石油资源已变得枯竭，开采环境变得极其恶劣，开采成本不断上升或者依靠现有的技术和设备根本无法开采2。种种原因，不得不使人们想方设法向海洋这个大资源市场进军，各种开采和利用海洋资源的工具设备被发明和创造出来，如水下机器人、波浪能发电机、水下自主航行器、潮汐能发电机、海洋钻井平台、海底探测器等。而海洋平台是海上资源开发的基础性设施，它为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施提供了便利。世界许多国家如日本、韩国、美国、英国、挪威等都是与海洋相邻，拥有很多海洋领域，这些国家相当重视海洋资源的开发和利用。因此，建造更多的海洋平台或者开创更先进的海洋平台已近成为这些国家的重点项目之一。所以，确保海洋平台的安全性、可靠性、经济性和实用性不仅能够避免因重大事故而造成的巨大经济损失，而且还能够顺利、方便、快捷、高效地利用海上资源。本课题主要研究海洋平台疲劳测试实验台设计，根据实际的海洋平台尺寸，按规定比例缩放创建出实验模型的总体结构，模拟海洋平台在恶劣的环境条件下，受到海风力、海浪力以及海流力的共同作用或者单个作用而出现疲劳损失和疲劳破坏的结果，为真正的海洋平台的安全监测、设备维护、事故诊断提供实用的理论支持。前期已开展的工作，包括各种疲劳测试实验机如旋转弯曲疲劳试验机、电磁谐振疲劳试验机和电液伺服疲劳试验机的原理分析对比，海洋平台自升式的原理和采用的机构，海洋环境各种作用力的计算方法，模拟海风力、海浪力、海流力的动力输出装置的液压控制原理。课题研究目的、学术价值或实际应用价值疲劳试验机应用广泛，通常对车辆、船舶、飞机、管道和机床的关键部位进行试验，确保零件的耐用性、可靠性和安全性等。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。而海洋平台结构复杂，体积庞大，重量大，建造费用高，并且处在一个恶劣的海洋环境当中，同时受到多种随机载荷，包括海风力、海浪力、海流力、 海冰等联合作用；海洋生物粘附，海水腐蚀，地基土壤冲刷以及材料老化、机械损伤和疲劳磨损积累等不利因素，直接影响海洋平台的安全性和使用寿命3。历史上出现过许多海洋平台的事故，而引起这些事故的直接原因无非就以下几种：1.结构构件的强度不足，2.浮力储备和结构的稳定性不够，3.平台管理和生产操作不当， 结构破坏的形式又分为9：屈服失效破坏， 疲劳失效，脆性断裂失效。如今海洋钻井平台大致可分为导管架固定式平台，自升式平台，半潜式平台，钻井船，张力腿平台。研究海洋平台疲劳测试实验台设计，设计实验模型的总体结构，分析相应的结构，能够为真正的海洋平台的设计制造、安全监测、设备维护、事故诊断提供实用的理论支持。对增强海洋平台的可靠性和提高海洋平台的使用寿命有着极大的实际意义。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献国内外研究现状、发展动态1研究材料的疲劳现象需要适当的试验机，早在1860年，一位著名的工程师通过调试首批旋转弯曲疲劳试验机，便揭开了材料疲劳的规律特性，这种机械疲劳试验机虽然机构简单，但仍然沿用至今，并具有巨大的使用价值。随着技术的进步，计算机技术的逐步成熟，液压控制系统的日臻完善，出现了当今具有良好的频率跟随性和低的惯性系统的电液伺服疲劳试验机，相比之下，它拥有以下的优点：1.频率范围广、功能强大，控制系统的性价比高2.负荷变化广、可靠性高3.加载波形多，通常具有正弦波、方波、三角波、梯形波以及任意函数或随机波4.响应速度快，测量以及控制负荷、行程的速度快，而且精度高5.通过配有上位机，可以进行复杂的程序控制，数据存储、处理分析，打印和显示结果目前，拥有生产这种先进电液伺服疲劳试验机能力的国家主要有美国、英国、日本、德国等，这些国家制造的电液伺服疲劳试验机具有高精度，功能强大，性能良好，性价比高的优点，因此，占据了大部分的市场。电液伺服疲劳试验机是集机械、电子、计算机技术、液压技术为一体的设备，可以准确完成测试试验力、变形、位移等变化并进行数据分析处理，显示试验结果。为了满足工程材料的高频疲劳测试，美国的电液高频疲劳试验台如图1，最大的负载能力达到25KN，试验的工作频率可达到1000HZ；日本在研制疲劳试验机方面也是世界一流的，不仅研制了超高频试验机，该频率可达15000HZ30000HZ，最大应力可达65Kg/m2，同时还推出了极具代表性的超声波疲劳试验机如图2，超声波疲劳试验机的创建大大缩短了试验周期，不仅节省了试验成本，还在短时间内得出试验结果，为工程的建造赢得了宝贵的时间。图2日本的超声波疲劳试验机图1 MTS公司的电液高频疲劳试验台 国内的疲劳试验机相对外国来说，起步比较晚，技术落后，性能差，但发展比较快。在20世纪50年代，国内运用的疲劳试验机仍然是机械式振动台，后来，为了满足国防工业坏人航空工业的需求，长春材料试验机研究所成功研制出了高频疲劳试验机，然而频率也仅有75-300HZ，后来，许多科研院校或企业也跟随研制高频疲劳试验机，并取得了相应的成果。在70年代末，国内引进了英国研制的1603型电磁谐振高频疲劳试验机如图3，并借鉴了其中的一些先进技术，研制出新型的高频疲劳试验机，当时，国内主要采用的疲劳试验机的激振方式大多为电磁激振，这种方式又分上激振和下激振。随着电液伺服技术的发展和成熟，国内的科研单位开始重视电液伺服疲劳试验机的研发和生产，把电液伺服技术融入到疲劳试验机上。就在2006年，哈尔滨工业大学成功研制出了多轴液压振动试验系统并顺利通过验收。而在2014年9月，在广西桂林举行了第十七届全国疲劳与断裂学术会议”，会议上还展出了国家科技部重大科仪专项“”产品如图4，说明我国的电液伺服疲劳试验机的生产技术上升了一个高度。 图4电液伺服动态疲劳试验机图3电磁谐振高频疲劳试验机从疲劳测试试验台的各个种类可以知道，都是通过测试单个零件，然后根据测试结果，得出相应理论，并确定该零件是否适合运用于某个工程上。然而，对于海洋平台疲劳测试实验台。利用应变片、声发射检测仪传感器对整个平台进行实时监测，但测试系统也往往比较复杂；不管是国内还是国外，现有的技术还是处于发展阶段，相关的研究不但需要大量的经费，同时还会受到复杂多变的环境问题的影响，受到的载荷往往是不规律的，多因素造成的，另外，要对整个海洋平台进行实时的监测，无疑也是具有很大难度的，这些都给研发带来了巨大的困难。查阅的主要文献1赵玉建，王旭东等.电液伺服疲劳试验机的计算机控制研究.济南大学信息科学与工程学院.2002.62 李修洪.电液伺服海洋管道疲劳试验台的分析研究.济南大学.机械制及其动化.2011.53刘国昊，何莎，王文韬.海洋油气钻采中海洋平台环境载荷分析.2012.4Cannavaciuolo A.FPSO Technology and development.Procedure of the 8thDeep Offshore Technology.Rio de Janeiro，Brazil，1995.5Luo Yunrong，Wang Qingyuan，and Yang Bo.Low cycle fatigue tests on low carbon steel.College of Agriculture and Environment Sichuan University.6GU Fan，ZHOU Jing，LI Lin-pu.Study on fatigue test of submarine oil pipeline.School of Civil and Hydraulic Engineering.Dalian university ofTechnology.7裴雨霞.电液伺服疲劳试验机的设计与仿真.长春理工大学.机械制造及其自动化.2014.3.8陈立群.疲劳试验台的液压伺服控制研究.合肥工业大学.机械设计及理论.2012.4.9蔡宏.海洋钻井平台稳定性分析研究.西安石油大学.机械工程.2011.11.10周利.半潜式钻井平台动力定位推力系统理论设计及模型试验研究.上海交通大学.船舶海洋与建筑工程学院.2009.2.11欧进萍，肖仪清等.海洋平台结构实时监测系统.哈尔滨工业大学.土木工程学院.黑龙江 哈尔滨.2001.5.12液压与气压传动/刘延俊主编.2版.北京：机械工业出版社，2006.1213Alok K.Jha.Nonlinear stochastic models for ocean wave loadsand responses of offshore structures and vessels.Stanford university.January 199714安延涛等.海洋平台相似模型实验研究进展.济南大学.机械工程学院.山东.济南.2008.10.15黄悦华，任克忍.我国海洋石油钻井平台现状与技术发展分析.宝鸡石油机械有限责任公司.2007.三、研究内容1学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）学术构想与思路本课题希望通过研究海洋平台疲劳测试试验台设计，按比例缩放模拟建造出海洋平台疲劳测试试验台的模型，通过在海风层、海浪层和海流层上安装动力输出装置，来模拟海洋平台在海洋环境中受到的各种随机或恒定的载荷，应用传感器如应变花、热敏传感器、声发射检测仪、负载传感器等来实时监测海洋平台在经受外载荷作用时的动态，传感器通过与上位机连接，把测试的结果经过放大和转换输送到控制系统上，在控制装置中存储数据，并分析处理，得出相应结果和实用的理论，为真正的海洋平台的设计制造，安全监测、设备维护、事故诊断提供实用的理论支持，尽可能避免海洋平台发生结构断裂，疲劳破坏，平台倾斜倒塌或下陷等事故。主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）本课题主要研究的目的在于设计一套测试海洋平台疲劳特性的模型实验装置，主要的研究内容包括，海风层、海浪层和海流层动力输出装置的液压结构、海洋平台的模型结构、四层圆环形钢板结构以及传感器类型和电机类型的选择。1.拟解决的关键问题：（1）模拟海风层的动力输出装置的液压结构（包括液压元件的选择，回路分析,相关的计算）；（2）模拟海浪层的动力输出装置的液压结构（包括液压元件的选择，回路分析，相关的计算）；（3）模拟海流层的动力输出装置的液压结构（包括液压元件的选择，回路分析，相关的计算）；（4）海洋平台的自升式模型机构，尺寸计算，强度校核；（5）传感器的选取、电机的选取，包括传感器的原理，电机的参数等；（6）四层圆环形钢板结构的确定，各动力输出装置在相对应钢板层的安装问题；（7）上位机的选择，以及涉及到的密封问题。2.拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析本课题的研究方法主要是通过借鉴和参考电液伺服疲劳试验机的原理以及分析对比海洋平台现有的升降机构，从中总结并根据已学的机械原理、机械设计、液压传动的知识得出适合本课题设计的整体方案。所有的动力输出装置，都采用液压传动的结构。与机械传动、电力传动、气压传动相比，在同等功率的情况下，液压传动装置体积小，重量轻，惯性小，能传递较大的力或力矩。特别是在海洋环境中，对材料的要求较高，材料的刚度和强度都需要很高才能保证平台的安全和稳定性，使用重量轻的装置，可以更好地符合实际情况。主要的设计路线则是：第一步，设计出海洋平台疲劳测试试验台模型主要结构的工作原理示意图；第二步，调查分析海洋平台的实际尺寸，按适当的比例缩放得出模型的设计尺寸，通过三维软件UG建立初步设想的海洋平台疲劳试验台模型装置的三维图；第三步，确定个零件的尺寸，进行相关计算，校核重要的装置结构，验证三维图模型是否得当并作出适当的修改，尝试制作三维模型的运动仿真；第四步，选取适合的传感器和电机并绘制相关图纸。自升式海洋平台适用水深为590米，运用很广，因此拟定海洋平台的模型尺寸： 表2初定矩形平台模型的主要尺寸（单位：cm)平台总长80四层圆形钢板的外径160-180平台总宽64圆形钢板的厚度0.6平台厚度1.5与圆形钢板相连接的圆柱直径5圆形立柱直径5与圆形钢板相连接的圆柱倒角半径0