（机械工程专业论文）升沉补偿实验台虚拟样机设计及系统节能研究.pdf

，一 k ， v i r t u a lp r o t o t y p i n gd e s i g na n ds y s t e me n e r g y s a v i n g r e s e a r c hf o rh e a v ec o m p e n s a t i o nb e n c h at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gw e n k a i s u p e r v i s o r ：p r o fl ia n ，p r o fz h a n gy a n t i n g c o l l e g eo f e l e c t r o m e c h a n i c h a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 1 叼 ， f 硝 1 。 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：历ilf f 9 月弓f 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交 学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复 印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：臼址 指导教师签名：遨 日期：知年扩月】；日 日期：乃ff 年f 月弓7h r l fy ，摘要 r0 。l 恤 深海石油开发一般采用半潜式海洋平台或浮式钻井船等浮式钻井装置进行钻井作业。由于海浪 的作用，钻井平台会产生升沉运动，并带动钻柱一起运动，从而导致钻压不稳定，缩短钻头的使用 寿命，甚至被迫停工，增加钻井的成本。为了更好地研究升沉补偿系统并进行系统节能方面的研究， 有必要开展升沉补偿系统的实验研究工作。 为了更好地对已经建立的钻柱升沉补偿试验台进行研究，将试验台的三维模型导入系统动力学 分析软件a d a m s 中，经过对固定构件合理的合并、对仿真中无用构件的删除，并添加合适的运 动副之后，建立了钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机模型。 结合半主动补偿阀控控制的原理，在a d a m s 中建立了液压系统图，并且根据试验台的结构 参数确定了其中的参数；根据试验过程中试验台的控制参数，确定了各个液压元件的参数，经过仿 真，对比仿真结果与试验结果，确定了试验台虚拟样机模型的正确性，并且在这一前提下，针对影 响被动补偿效果的因素，如补偿缸蓄能器的体积、气囊压力，负载缸蓄能器的体积、气囊压力等进 行了被动补偿的仿真，确定了其对被动补偿的补偿效果和补偿效率的影响；在半主动补偿中，确定 了各个参数如补偿缸蓄能器的体积、气囊压力，负载缸蓄能器的体积、气囊压力，定量泵的流量， 液压阀控制函数中比例系数等对补偿效果和补偿效率的影响；并且确定了以上各个参数发生变化对 系统能耗的影响，为试验台控制参数的选取提供了参考；在模型中，通过仿真模拟进行了实际试验 台无法进行的试验，比如钻杆脱断的工况、负载缸蓄能器故障工况等，通过量化的表达确定了在相 关工况下给试验台带来损害。 。_在半主动补偿泵控加阀控的仿真中，利用试验曲线和仿真曲线比较对仿真模型进行了验证，并 且利用试验数据做出曲线图对两种控制方式进行了比较。 关键词：升沉补偿，半主动式，复合缸，虚拟样机技术，a d a m s i 1 、i v i r t u a l s e m i s u b m m o s t l yu s e dt od r i l li nt h ed e e p s e ao i ld e v e l o p m e n t t h eh e a v em o t i o no fd r i l l i n gp l a t f o r m s i sc a u s e db yt h ew a v e t h eh e a v em o t i o nl e a d st ot h em o t i o no fd r i l ls t r i n g ，w h i c hr e s u l t si n t h ei n s t a b i l i t yo fd r i l l i n gp r e s s u r ea n dr e d u c e st h es e r v i c el i f eo fd r i l lb i t s ，o re v e nh a st o s t o pd r i l l i n g ，i n c r e a s e st h ed r i l l i n gc o s t s i no r d e rt or e s e a r c ht h eh e a v ec o m p e n s a t i o n s y s t e ma n dt h es y s t e me n e r g y s a v i n gb e t t e r , w en e e dt oc a r r yo u te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w o r ka g a i n s th e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m i no r d e rt or e s e a r c ht h ee s t a b l i s h e dh e a v ec o m p e n s a t i o nt e s tb e n c hf o rd r i l ls t r i n gb e t t e r , w ei m p o r tt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h et e s tb e n c hi n t os y s t e md y n a m i c sa n a l y s i s s o f t w a r ea d a m s ，s ov i r t u a lp r o t o t y p eo fh e a v ec o m p e n s a t i o nt e s tb e n c hf o rd r i l ls t r i n gi s e s t a b l i s h e da f t e rm e r g i n gc o m p o n e n t s ，r e m o v i n gu n w a n t e dc o m p o n e n t si ns i m u l a t i o n , a n d a d d i n ga p p r o p r i a t ed e p u t yc a m p a i g n w i t ht h ep r i n c i p l eo fs a h cv a l v ec o n t r o l ，h y d r a u l i cs y s t e md i a g r a mi se s t a b l i s h e di n a d a m s ，a n dw ed e t e r m i n e dp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt os t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft e s tb e n c h ； a c c o r d i n gt oc o n t r o lp a r a m e t e r so f t e s tb e n c hi nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n t , w ed e t e r m i n e d p a r a m e t e r so fv a r i o u sh y d r a u l i cc o m p o n e n t s a f t e rs i m u l a t i o n , w ec o n t r a s ts i m u l a t i o n r e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t od e t e r m i n et h ec o r r e c t n e s so fv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo f t e s tb e n c h , a n di nt h i sc o n t e x t , w ed e t e r m i n e dt h a tt h ef a c t o r sc a na f f e c tt h ec o m p e n s a t i o n e f f e c ta n d c o m p e n s a t i o ne f f i c i e n c y i nt h e p a s s i v ec o m p e n s a t i o n , w h i c hi n c l u d e s c o m p e n s a t i o nc y l i n d e ra c c u m u l a t o rv o l u m e ，c o m p e n s a t i o nc y l i n d e ra c c u m u l a t o rp r e c h a r g e p r e s s u r e ，l o a dc y l i n d e ra c c u m u l a t o rv o l u m ea n dl o a dc y l i n d e ra c c u m u l a t o rp r e c h a r g e p r e s s u r e i nt h e s e m i - a c t i v ec o m p e n s a t i o n , c h a n g et r e n do fc o m p e n s a t i o ne f f e c ta n d c o m p e n s a t i o ne f f i c i e n c yi sd e t e r m i n e dw h e np a r a m e t e r sa r ec h a n g e ds u c ha sc o m p e n s a t i o n c y l i n d e ra c c u m u l a t o rv o l u m e ，c o m p e n s a t i o nc y l i n d e ra c c u m u l a t o rp r e c h a r g ep r e s s u r e ，l o a d c y l i n d e ra c c u m u l a t o rv o l u m e ，l o a dc y l i n d e ra c c u m u l a t o rp r e - c h a r g ep r e s s u r e ，p u m p f l o w r a t e ，s c a l ef a c t o ri nt h eh y d r a u l i cv a l v ec o n t r o lf u n c t i o n a n dw ed e t e r m i n e dt h a tt h e p a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v eh a v et h ec h a n g ec a r li m p a c ts y s t e me n e r g y ，w h i c hc a l lb e r e f e r r e df o rt h es e l e c t i o no fc o n t r o lp a r a m e t e r so ft e s tb e n c h ；i nt h em o d e l ，b ys i m u l a t i o nw e c a l lc a r r ye x p e r i m e n t st h a tc a l l tb ec a r r i e di nt h ea c t u a lt e s tb e n c h ，s u c h 嬲t h ew o r k s i t u a t i o no fb r e a k i n go f ft h ed r i l lp i p e ，t h ew o r ks i t u a t i o no ft h el o a dc y l i n d e ra c c u m u l a t o r h a y w i r e ，a n dw ec a nd e t e r m i n et h ed a m a g eo ft h et e s tb e n c hi nt h er e l e v a n tw o r kc a s eb y q u a n t i f y i n ge x p r e s s i o n i nt h es i m u l a t i o no fa h cp u m pa n dv a l v ec o n t r o l ，s i m u l a t i o nm o d e li sv e r i f i e db y c o m p a r e dt h ee x p e r i m e n t a lc u r v ea n ds i m u l a t i o nc u r v e ，a n dc o m p a r e dt h et w oc o n t r o l m e t h o d sb yt h ec u r v ew h i c hi sd r a w nw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：h e a v ec o m p e n s a t i o n ，s e m i a c t i v e ，c o m p o s i t ec y l i n d e r , v i r t u a lp r o t o t y p i n g ， a d a m s 目录 第一章绪论1 1 1 课题的提出及研究目的和意义。1 1 2 国内外研究现状3 1 3 研究目标内容和解决的关键问题5 1 3 1 研究目标5 1 3 2 研究内容5 1 3 3 拟解决的关键问题6 。 1 4 本文采取的研究方案、技术路线及可行性分析6 1 4 i 研究方案、技术路线6 1 4 2 可行性分析6 第二章，虚拟样机仿真模型的建立8 2 1 虚拟样机技术和试验台简介8 2 1 1a d a m s 简介8 2 1 2 a d a m s 的数学理论基础9 2 1 3 虚拟样机技术简介。9 2 1 4 试验台简介1 1 2 2 试验台几何实体建模1 2 2 2 1 软件基本设置1 2 2 2 2 导入试验台模型1 5 2 2 3 合并模型构件16 2 2 4 编辑模型构件17 2 2 5 试验台的工作原理2 2 2 3 试验台虚拟样机建模2 3 2 3 1 添加运动副2 3 2 3 2 添加驱动2 8 2 3 3 仿真液压系统的建立2 9 2 3 4 被动补偿系统参数的确定3 2 2 3 5 主动补偿系统参数的确定3 5 第三章虚拟样机模型的验证及补偿效果对比分析。3 7 3 1 虚拟样机模型的验证3 7 3 1 1 创建设计变量。3 7 3 1 2 仿真参数的设置3 9 3 1 3 虚拟样机模型的验证3 9 3 2 被动式升沉补偿系统的仿真4 3 3 2 1 蓄能器的数学模型4 3 3 2 2 被动补偿曲线的对比。4 6 3 3 半主动式升沉补偿系统的仿真5 4 第四章系统能耗的仿真研究6 3 4 1 系统能耗的确定方法6 3 4 2 补偿缸蓄能器对系统能耗的影响“ 4 2 1 补偿缸蓄能器的体积对系统能耗的影响6 4 4 2 2 补偿缸蓄能器气囊压力对系统能耗的影响6 5 4 3 负载缸蓄能器对系统能耗的影响6 6 4 3 1 负载缸蓄能器体积对系统能耗的影响6 6 4 3 2 负载缸蓄能器气囊压力对系统能耗的影响6 7 4 4 主动控制液压回路参数对系统能耗的影响6 7 4 4 1 定量泵的流量变化对系统能耗的影响6 7 4 4 2 液压阀控制函数比例系数对系统能耗的影响6 8 第五章特殊工况的仿真研究7 0 5 1 钻具事故的仿真7 0 5 1 1 常见的钻具事故7 0 5 1 2 对钻柱脱断的仿真。7 0 5 2 试验台负载缸蓄能器故障的仿真7 3 第六章泵控加阀控的仿真及两种控制方法的比较7 8 6 1 变量泵的参数设置7 8 6 2 泵控加阀控的仿真。7 8 6 3 两种控制方法的仿真结果与试验结果的对比8 0 6 4 两种控制方法试验结果的对比8 2 结论8 4 参考文献8 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果：一8 8 致谢8 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论弟一旱 三；百t 匕 1 1 课题的提出及研究目的和意义 ，本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “海洋油气资源勘探开发技术” 专题海洋技术领域课题的“海洋石油平台主动式钻柱升沉补偿系统节能技术研究”。 石油和天然气是人类当前主要的能资源，当前世界的纠纷、冲突和战争，大都与 油气资源利益的争夺有关；随着经济的发展，特别是石油化工和汽车业的快速发展， 我国石油和天然气的供应不足的矛盾越来越突出，而这种不可再生资源在陆地上的储 量有限，且日趋枯竭，而海底油气资源约占世界油气总资源量的4 5 ，主要分布在大 陆边缘( 大陆架、部分大陆坡，甚至坡脚处的陆隆) ，它对当前世界海洋经济的迅速发 展至关重要【l 】，因此全世界经济发展的战略眼光都聚焦在海洋上，发展海洋石油科技 和高技术装备就成为了重中之重。我国沿海油气资源很丰富，估计储量达数百亿吨， 目前正在加紧进行海上油田的勘探和开发，海上油气产量目前已超过1 0 0 0 万吨，具有 广阔的勘探开发前景1 2 j ，所以在陆地石油资源日益枯竭，浅海石油的开发也已经接近 饱和的情况下，油气资源的开发向深海进军已经成为必然 3 1 。当前，国外海洋石油钻 机的最大工作水深已经超过3 0 0 0 米，而我国海上石油钻井的最大水深依然不超过5 0 0 米，并且由于开采技术的落后，导致我国领海中拥有开采权的油气矿藏没有及时开采 而被他国强占或者只能合作开发，造成了资源的巨大浪费，究其原因主要是我国海洋 石油的开发技术和装备十分落后，现在应用的绝大部分重要设备都依靠进口，这样就 增加了开采石油的成本，限制了海洋石油开采的发展；深海采油是我国的石油战略之 一，因此，推动重要装备国产化，提高我国的海洋石油开采技术，是实施海洋采油的 物质基础和重要前提【4 5 j 。 现在海洋石油钻井作业采用的一般是半潜式钻井平台或者浮式钻井船。这两种装 置都属于浮式钻井装置，由于平台在海中处于漂浮状态，受风j 海浪和海流的影响， 会产生纵荡、横荡和上下运动等几种运动【6 j 。平台的纵荡和横荡运动( 在海平面上的 两个直线运动) 很大，无法保证平台上的钻进设备对井1 ：3 的定位，也无法确保钻井工 作的顺利进行，可以用平台的锚泊定位和动力定位来控制，以保证平台不偏离预定的 作业区域 7 1 。在波浪的作用下，浮式钻井装置将产生周期性升沉运动，导致钻杆上下 往复运动并引起井底钻压的变化，严重时会使钻头脱离井底，影响钻井效率，降低钻 第一章绪论 杆和钻头的使用寿命，产生操作安全隐患，在恶劣海况下可能导致无法钻进或者被迫 停工，从而导致巨大的经济损失【8 l 。为了缩短停工期，降低钻井的成本，浮式钻井装 置必须采取适当的措施来补偿钻杆的升沉运动。目前，常用的补偿方法是在钻柱中增 设伸缩钻杆和增设升沉补偿装置两种，虽然伸缩钻杆结构简单，使用方便，但使用它 也存在着许多问题，如钻压不能调节、对伸缩钻杆的要求高、不利于特殊作业等；在 浮式钻井装置上应用比较多的是在钻机的部件中增设一套钻柱升沉补偿装置，使钻柱 不随平台作上下运动 9 1 。 在钻井平台上，常用的对钻柱的升沉进行补偿的装置是钻柱升沉补偿系统，它是 保证浮式钻井装置正常工作以及提高工作效率所必不可少的关键设备之一。现在，在 浮式钻井装置上应用最为普遍的升沉补偿装置是液压式升沉补偿系统【l o 】，按照动力供 应方式升沉补偿系统可以分为半主动式、主动式和被动式三种形式。其中，主动式升 沉补偿系统的补偿效果较好、适应性较强，但是由于钻杆的质量比较大，上下往复运 动比较频繁，而且对升沉的补偿是在补偿系统中液压油的作用下完成的，因此在升沉 补偿的过程中会消耗大量能量；被动式升沉补偿系统在补偿过程中不需要额外提供能 量，系统比较简单，应用比较广泛，但是被动式升沉补偿系统难以有效抑制宽带随机 振动、超低频的海潮、海流、海浪对浮式钻井装置的影响，补偿精度不高【1 1 1 ，并且在 补偿过程中存在一定的滞后，所以补偿效果不够理想；半主动式升沉补偿系统则综合 了以上两种升沉补偿系统的优点【1 2 】，但是由于增设了中间能量的转换设备，使得系统 结构比较复杂，而且在钻柱重量不断增大时系统能耗也会不断增加。 针对这些升沉补偿方法所存在的不足，提出了一种新型的升沉补偿系统的方案- 复合缸式钻柱升沉补偿系统，并且建立了钻柱升沉补偿试验台。为了更好的完善升沉 补偿系统，并进行升沉补偿系统的进一步开发，为升沉补偿系统产品开发提供技术基 础，本文运用虚拟样机技术，建立了钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机模型，通过物理 试验结果与计算机仿真结果的对比，来验证建立的虚拟样机模型是否准确，经过调试， 在虚拟样机模型准确的情况下，进行进一步的技术研究和应用研究，例如利用虚拟样 机模型进行一些物理试验台无法完成的实验；利用试验台的虚拟样机模型，研究试验 台各个参数变化时对补偿效果和系统能耗的影响趋势，为试验台控制参数的选取提供 参考。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 随着油气开发由浅海向深海进军，半潜式钻井平台和浮式钻井船等移动式钻井设 备的应用越来越广泛。为了使钻井设备在升沉运动时保持钻杆钻压，并且根据钻进情 况随时调节钻压，现代的浮式钻井设备大都安装了各种各样的升沉补偿装置。 对于升沉补偿系统的研究，国外开始较早【1 3 , 1 4 1 ，在国际上第一次提出关于浮式钻 井设备的升沉补偿问题是在2 0 世纪5 0 年代末。被称为 b u m p e rs u b ”的钻柱弹性接头 是当时提出的一种比较典型的解决方案，但是这个方案存在的缺点是需要工作人员有 丰富的操作经验，而且设备也需要不断维护；在上世纪六十年代，在升沉补偿系统中 开始使用液压气动技术，在游车和大钩之间安装升沉补偿装备，钻柱的重量由压缩气 体发挥气压弹簧的作用来支撑，大约在1 9 7 0 年，w e s t e r ng e a r 公司、r u c k e r 公司和 v e t c o 公司研发了这种升沉补偿装置【1 5 1 。目前升沉补偿系统在国外已经实现产品化， 形成了一些专门生产升沉补偿装置的厂家，比如荷兰的a k e r 公司、美国d y n a c o n 公 司和n a t i o n a lo i l w e l lv a r c o 公司等。 升沉补偿系统按照安装位置的不同可以分为天车上的升沉补偿系统【1 6 】、快绳升沉 补偿系统1 7 1 、死绳升沉补偿系统【1 8 1 和游车和大钩间的升沉补偿系统1 9 1 等几种形式。 1 死绳升沉补偿系统【2 0 】 在这种升沉补偿方式中，死绳是绕在固定在液压缸的缸体和活塞杆上的两个滑轮 上的。在海浪的作用下海洋平台上升时，液压泵会从液压缸内抽出液压油，缩短两个 滑轮间的距离，释放钢丝绳，保持游车的位置不变；当海洋平台下降时，泵向液压缸 内供油，增大两个滑轮间的距离，使钢丝绳缩短，达到升沉补偿的目的。 在海洋平台上使用这种补偿方式时，由于海洋平台在海浪的作用下升沉运动频繁， 使得钢丝绳在交变弯曲应力下工作，降低了使用寿命和可靠性。 2 快绳升沉补偿系统 在这个方案中不需要安装专门的升沉补偿设备，它的工作原理是由传感器获得平 台升沉的信号，并通过计算机控制改变绞车驱动电机的转速，改变天车与游车间钢丝 绳的长度，保持游车静止不动，达到升沉补偿的目的。 这种方案由于没有升沉补偿设备，增加了甲板的可变载荷；对装置的维护保养比 较方便；但是因为钢丝绳长期受到交变载荷和摩擦力的作用，其使用寿命和可靠性都 会大大降低。死绳升沉补偿系统也是通过改变游车与天车间钢丝绳的长度来实现升沉 3 第一章绪论 补偿的。由于钢丝绳的弹性和摩擦力等因素的影响，使得系统补偿的反应速度比较慢， 补偿精度低。 3 天车上的升沉补偿系统【2 1 1 浮动天车被用在本装置中，即天车上的滑轮及其上面的重量都由两个液压缸来支 撑，在升沉补偿过程中，天车上的滑轮可以沿着天车的垂直轨道运动，当垂直轨道随 着钻井设备的升沉上下运动时，天车的滑轮在垂直方向可以保持不动，从而达到升沉 补偿的目的。 在这种升沉补偿方案中，由于液压缸是安装在天车上的，其与整个钻井装置不会 产生相对运动，所以液压管线比较短，而且可以采用刚性管线，降低了液压管线损坏 的可能性；由于升沉补偿装置安装在天车上，减少了对甲板面积的占用，但因为设备 比较大，对井架和天车的结构强度要求比较高，同时使得移动式钻井设备的重心有所 升高，增加了结构在高处的风载，导致整个设备的风倾力矩增大。 4 游车和大钩间的升沉补偿系统 在游车和大钩之间安装升沉补偿装置是目前应用最为普遍的形式，因为其具有几 方面的优势：升沉补偿装置重心相对比较低，不影响钢丝绳的寿命，维护比较方便， 而且游车和大钩都是通用的，因此这种补偿方案具有一定的优势，在目前应用最为普 遍。在这种补偿方式中，液压缸或者气缸是应用最为普遍的补偿元件。 按照动力提供方式，液压式升沉补偿系统可以分为被动式、主动式和半主动式三 种形式。 在被动式升沉补偿系统中，将补偿缸无杆腔与蓄能器连接在一起，当平台在海浪 的作用下上升时，压缩蓄能器中的气体，储存能量；当平台下降时，蓄能器中的气体 膨胀，释放能量，达到升沉补偿的目的，这种升沉补偿系统不需要额外提供能量，结 构比较简单，因此得到了广泛应用，现在国外的浮式钻井装置大都采用这种升沉补偿 方式，但是它也有其明显的缺点，如补偿效果比较差，补偿过程中响应较慢，希望得 到好的补偿效果时，蓄能器的体积比较大，占用平台空间较大。 在主动式升沉补偿系统中，检测大钩偏离平衡位置的位移偏差，通过计算机调整 液压阀的控制电压。在控制电压作用下，液压泵经过液压阀给补偿缸的无杆腔或者有 杆腔供油，使得补偿缸活塞杆向上运动或者向下运动，补偿大钩随游车的升沉位移， 达到升沉补偿的目的。这种补偿方式具有较好的补偿效果和很强的适应性，海洋平台 空间占用比较少，但是在这种升沉补偿方式中由于载荷比较大，需要消耗的能量很大， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 无法满足降低能耗的要求。深海采矿船扬矿管的主动式升沉补偿系统是此类补偿系统 的典型代表。 半主动式升沉补偿系统是在被动式升沉补偿系统的基础上加入主动控制液压回路 形成的，主动控制部分用来克服升沉补偿过程中的摩擦力等，所以其消耗的能量与主 动式升沉补偿系统相比有明显的降低，在保证系统补偿效果的前提下有效的减小了蓄 能器的体积，节省了平台空间，但是设备在制造过程中对精度的要求比较高，使得成 本比较高，而且随着钻柱重量增加，消耗的能量也会逐渐增大。 在国内，广东工业大学的吴百海教授【2 2 剀和中南大学的刘少军教授2 5 五7 1 在海底采 矿装置的升沉补偿系统方面做了大量的工作，在理论分析、试验研究和虚拟样机仿真 等方面取得了一系列的研究成果；华中科技大学的宾鸿赞教授【2 8 】基于3 u p u 串并联结 构设计了能够补偿广义升沉运动( 升沉、横摇、纵摇) 的大洋采矿升沉补偿平台；济 南大学的马汝建教授 2 9 】对浮式钻井装置进行了随机动力分析，应用随机振动理论， 求出了系统的动力响应，得到了系统在振动时作用于井架、升沉补偿设备和大钩上的 动载的计算公式。中国石油大学方华灿在上世纪七十年代曾在升沉补偿装置的工作原 理、理论分析和设计研究等方面做过大量工作。根据现有的资料显示，最近二十多年 在国内没有进行过钻柱升沉补偿方面的研究，国外在这方面的技术已经遥遥领先。 1 3 研究目标内容和解决的关键问题 1 3 1 研究目标 在本文中运用虚拟样机技术，建立钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机模型，并通过 物理试验结果与计算机仿真结果的对比，来验证建立的虚拟样机模型是否准确，为升 沉补偿系统产品开发提供技术基础。经过调试，在虚拟样机模型准确的情况下，利用 虚拟样机模型完成一些物理实验台无法完成的实验；利用试验台的虚拟样机模型，研 究各个参数变化时对补偿效果和系统能耗的影响，为试验台进行试验时参数的选取提 供参考。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 掌握虚拟样机技术，建立钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机模型 了解并掌握虚拟样机技术，将s o l i d w o r k s 里面建立的钻柱升沉补偿试验台的三维 模型导入a d a m s 里面，经过合并构件、添加适当的运动副之后得到升沉补偿试验台的 5 第一章绪论 虚拟样机模型。 ( 2 ) 虚拟样机模型的验证 在钻柱升沉补偿试验台进行物理试验的时候，记录试验台的试验参数和试验数据； 根据试验参数，调整虚拟样机模型的仿真参数，得到仿真结果，并且与得到的试验数 据进行比较，验证建立的虚拟样机模型是否正确。 ( 3 ) 利用虚拟样机模型进行试验台参数的仿真研究 在钻柱升沉补偿试验台虚拟样机模型正确的前提下，利用模型针对升沉补偿系统 进行仿真，例如试验台的参数变化对升沉补偿效果的影响等。 ( 4 ) 利用虚拟样机模型进行实验系统的节能研究 在仿真中，改变试验台虚拟样机模型的控制参数时，记录每次仿真中液压系统的 能耗，得到系统能耗随参数变化的曲线图，为试验台参数的选取提供依据。 1 3 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 钻柱升沉补偿试验台虚拟样机模型的建立； ( 2 ) 虚拟样机模型的验证； ( 3 ) 钻柱升沉补偿试验台补偿效果影响因素的研究； ( 4 ) 钻柱升沉补偿试验台系统能耗影响因素的研究； 1 4 本文采取的研究方案、技术路线及可行性分析 1 4 1 研究方案、技术路线 掌握虚拟样机技术，利用仿真软件a d a m s 建立钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机 模型；用钻柱升沉补偿试验台的试验结果与虚拟样机模型的仿真结果相比较，验证所 建立的虚拟样机模型是否准确；经调试，在虚拟样机模型建立准确的情况下，完成一 些物理实验台无法进行的实验，例如在钻杆脱断的情况下，升沉补偿系统的工作状态； 确定对试验台的升沉补偿效果和系统能耗有影响的参数，研究在参数变化时它们的变 化趋势。 1 4 2 可行性分析 ( 1 ) 运用虚拟样机技术，利用a d a m s 建立钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机模 型，并通过物理试验结果与计算机仿真结果的对比，来验证建立的虚拟样机模型是否 准确，为升沉补偿系统产品的开发提供技术基础。 6 7 第二章虚拟样机仿真模型的建立 第二章虚拟样机仿真模型的建立 为了对钻柱升沉补偿试验台进行模拟仿真，首先需要在计算机上建立试验台的虚 拟样机模型。将钻柱升沉补偿试验台的三维模型图由s o l i d w o r k s 里面导入系统动力学 仿真软件a d a m s 里面，经过合并构件、添加适当的运动副和确定参数之后得到试验 台的虚拟样机模型。 2 1 虚拟样机技术和试验台简介 2 1 1a d a m s 简介 虚拟样机仿真软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是一个商用软件，其主要功能是对机械系统模型进行动力学和运动学等方面的仿真与 计算，它在经历了早期的1 2 个版本后，由美国的m s c 公司从m d i ( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 公司手中成功收购。 仿真软件a d a m s 包括建模、计算和后处理的功能，拥有多个模块，其中v i e w 模块和p o s t p r o c e s s 模块是它的基本模块，大部分的机械系统模型都可以在其中完成， 另外软件中还包括嵌入式模块和专用模块，是在一些专业领域才能够用到的，比如嵌 入式模块有专门做柔性体领域的柔性体模块a d a m s a u t o f l e x 、专门做控制领域的控 制模块a d a m s c o n t r o l s 、检测构件耐久性的耐久性模块a d a m s d u r a b i l i t y 、专门做 振动领域的振动模块a d a m s v i b r a t i o n 以及在本文中主要利用的液压模块 a d a m s h y d r a u l i c 等：专用模块有专门做飞机领域的飞机模块a d a m s a i r c r a f t 、专门 做火车领域的火车模块a d a m s r a i l 、专门做发动机领域的发动机模块 a d a m s e n g i n e 、专门做汽车领域的汽车模块a d a m s c a r 等d o 。 交互式的图形环境是a d a m s 软件的重要特点，其中还包括力库、零件库和约束 库，并且在软件中建立的机械系统的几何模型是完全参数化的，在其求解器中拉格朗 日方程用来求解几何模型的动力学方程，对虚拟样机模型进行动力学方面、运动学方 面以及静力学方面的分析，可以得到位移曲线、速度和加速度曲线等。在软件中进行 的仿真可以预测几何模型的峰值载荷、构件的运动范围以及模型的性能等【3 。 a d a m s 仿真的速度快，成本低，远远优于实际的物理模型仿真，且其具有参数 优化功能，可以通过改变参数来模拟试验系统的实际工作环境和工作条件，其仿真结 果具有较好的精确度和可信度。因此，基于虚拟样机的钻柱升沉补偿试验台的设计在 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 节约能源、降低成本、提高仿真精确度以及指导物理试验等方面有着巨大的优势和重 要作用，能够为深海浮式钻井装置的升沉补偿运动作出巨大贡献。 2 1 2a d a m s 的数学理论基础 软件的求解方法是软件的核心，只有了解a d a m s 软件的理论基础和求解方法， 才能真正掌握软件的原理，真正发挥其求解功能。 a d a m s 求解采用的是多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法来建立系统的 动力学方程。a d a m s 用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧 拉角) 作为广义坐标，即吼= b ，y ，z ，少，0 ，缈f ，g = k 。，g ：，人，g ：r ，用带乘子的拉格朗 日方程处理具有多余坐标的完成约束系统和非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标 为变量的运动学方程。a d a m s 的计算程序采用吉尔( g e a r ) 刚性积分算法以及稀疏 矩阵技术，此种技术有利于提高计算效率。 系统运动方程如下： 署一时咖蛳 完整约束方程：伊q，t)-0(2-1) 非完整约束方程： 口( g ，口，f ) = 0 动力学方程求解过程如下所示。 把( 2 1 ) 式写成一般的形式： f ( q ，甜，甜，兄，f ) = 0 g g ，g ) = u - - g = 0 ( 2 2 ) 矿q ，) = 0 如定义系统的状态矢量y = t 甜t r ，式( 2 - 2 ) 可写成单一矩阵方程： g t y ，y ，) = 0 ( 2 3 ) 2 1 3 虚拟样机技术简介 虚拟样机技术是一种数字化的设计方法，是基于计算机仿真模型的，它涉及多体 系统动力学理论和多体系统运动学理论，是一种综合性的应用技术，是建立在先进的 9 第二章虚拟样机仿真模型的建立 信息管理技术、建模技术、交互式界面、多个领域的仿真以及虚拟现实技术上的。虚 拟样机技术是以c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e 等) d f x ( 如d f a 、d f m 等) 技术为 基础的，融合了先进的制造技术、信息技术和仿真技术，并且在整个系统中应用这些 技术，以方便综合管理整个系统。利用虚拟样机技术可以在计算机上设计相关产品， 并且对产品进行评估和测试，使产品的开发周期缩短，可以达到降低成本的目的，使 产品的设计质量和满足客户及市场需求的能力得到提高。 在产品的开发设计过程中，利用虚拟样机技术融合分析技术和零部件的设计过程， 得到相关产品的计算机模型，并且在仿真过程中分析产品在使用过程中遇到的各种工 况，对产品的整体性能做出预测，在模型中对产品设计存在不足的地方进行改进，使 产品的性能得到有效的提高。 ( 1 ) 虚拟样机技术的应用 目前，虚拟样机技术在许多的领域都有广泛的应用，这其中包括机械、航海、造 船、航空和汽车业等。现在有许多产品在研发和制造的过程中实现了无图纸化，产品 的设计过程、装配过程、性能评价等方面都是利用虚拟样机技术在计算机上实现的， 比如由美国波音飞机公司产生的波音7 7 7 飞机就是首先使用这种技术来设计制造的， 使用虚拟样机技术可以缩短产品的研发周期、降低产品的研发成本，在计算机上设计 好产品之后可以一次安装成功i1 9 9 7 年全球第一个全部数字化的机车虚拟样机在通用 动力公司诞生，使得产品的设计过程、分析过程和制造过程以及夹具的设计过程等同 时进行；日产汽车公司利用此技术进行汽车的包装设计、仿真设计等；如果产品的设 计过程通过建造物理样机来进行，可能会耗费长达数月的时间，而利用虚拟样机技术 可以降低产品的设计成本和制造成本，从而使得产品的性能更加优越，大幅度提高竞 争力，例如c a t e r