海浪扰动下深海钻机收放机构动力学仿真分析

引言

深海钻机经母船运输到指定作业海域后,用收放机构将其下放至海底钻探位置,待作业完成或出现意外时由收放机构回收至母船甲板。钻机收放过程中,收放机构需要承受海浪、海风等扰动带来的摇荡影响,以保证钻机收放过程中不会发生偏移、与母船相撞、跌落海底等危害。因此研究海浪扰动下深海钻机收放机构的运动和受力情况,能够确保在设计钻机和钻机收放过程中的可靠性。

1收放机构的结构与收放工作过程

深海钻机收放机构的结构如图1所示,主要由支撑底座、钻机托架和液压缸三大件构成,支撑底座安装在母船船尾甲板上,托架与支撑底座较接,液压缸的活塞杆和缸筒分别与托架和支撑底座较接。

图1深海钻机收放机构结构图

深海钻机收放机构执行钻机回收时,通过安装在钻机母船甲板尾部的海洋绞车将深海钻机从海底吊装至水面并高于收放机构托架的下端部:然后通过控制母船A型架缓慢向母船甲板中心转动,让钻机对接托架并与托架相契合:再通络过液压缸使得钻机与托架整体翻转90°至水平位置:最后通过海洋绞车将钻机牵引至甲板中央。

2海浪扰动下深海钻机收放机构动力学分析

深海钻机在海上作业时,最高工作海况为四级,该海况下母船受到海浪升沉振幅影响最大,四级海况的海浪波高1.25~2.5m、周期为2.8~10.6s。钻机收放机构在静水中受力最大的时刻为钻机回收动作开始时,此工况下海浪扰动所引起的母船升沉运动对收放机构产生的影响最大。为了分析其受力情况影响,利用ADAMS建立深海钻机收放机构虚拟样机,在不同波高、不同波浪周期等条件下对其进行动力学仿真分析。

2.1海浪波高的影响

取海浪平均周期的平均值5.4s,分别建立波高为1.25m、

1.5m、2.0m、2.5m以及在平静水面条件下的模型。根据船舶耐波性原理及四级海况波高、周期条件,在平均波高为5.4s时,其对应的母船升沉加速度按照公式as=cos(t)计算。

对虚拟样机仿真,得到如图2所示的液压缸及较接点在钻机回收过程中的受力情况。

由图2可知,液压缸与支撑底座较接处遇到海浪冲击时,液压缸和各较接点的受力变化随钻机的回收呈周期性减小。当波高由1.25m上升到2.5m时,液压缸受力由146~159.97kN变为140.48~165.64kN,幅值增加了11.19kN:在静水中回收时,受力范围为151.52~154.31kN,幅值只有2.79kN。托架与支撑底座较接点在同周期内受力范围由170.91~184.49kN变为164.46~191.03kN,幅值增加12.99kN,而在静水面该点的受力范围为177.41~177.96kN,幅值仅为0.55kN。与静水面收放受力情况对比,当波高为2.5m时液压缸受力增加了13.07kN,幅值增加了26.02kN。

2.2海浪周期的影响

取海浪波高平均值为2.0m,建立周期2.8s、4.0s、5.4s、8.0s、10.6s以及静水面下的ADAMS模型,并按公式az=cos(t)计算升沉加速度。仿真后得到图3所示的受力变化曲线。

由图3可知,周期从2.8s增加到10.6s时,液压缸最大受力由188.11kN减小到156.73kN,幅值由68.33kN减小到10.69kN,而静水面最大的受力仅为154.37kN:钻机托架与底座连接点的最大受力由216.48kN减小到180.67kN,幅值由52.69kN降低到6.17kN。

2.3图最海浪扰动下关键零部件受力分析

由前面分析得知,当海浪的周期最短、波高最高时,对液压缸和较接点的冲击最大。将周期取最小2.8s,波高取最高2.5m,母船升沉加速度取值az=2.6728cos(2.244t),回收时间t=36s,建立虚拟样机并仿真,得到图4所示最强海浪扰动下收放机构液压缸及各较接点的受力变化曲线。

由图4可知,该条件下液压缸和各较接点的受力都偏大,最大值为钻机与托架整体从垂直于母船甲板平面开始回收时,液压缸和托架与底座较接位置的最大受力分别为196.46kN和226.56kN。

3结语

本文以深海钻机收放机构为分析对象,建立了不同海浪波高、不同周期等海浪扰动条件下收放机构的动力学模型,并对模型进行仿真分析。结果表明:海浪扰动的波高越高、周期越短,收放机构液压缸和较接点受到的冲击越大、冲击次数越多,得到了最强海浪扰动条件下收放机构液压缸和较接点的最大受力位置和受力值。该分析结果为收放机构后续的优化设计提供了理论基础。