海底鉆機收放機構動力學仿真與優化設計

曾 欽，萬步炎，何 軍，馮 帆

(湖南科技大學 先進礦山裝備教育部工程研究中心，湘潭 411201)

0 引言

海底鉆機是開展深海地質調查和資源勘探的關鍵技術裝備[1～3]。由于受能源和鉆機尺寸的限制，海底鉆機是由母船運載到指定作業海域，然后由母船收放系統將其下放入海底，等作業完成或意外情況發生時，再由收放系統收回到母船上進行維護和保養[4,5]。對收放系統來說，包括風浪和海流在內的海況會給收放造成很多不利因素導致母船的橫搖、縱搖以及升沉都會給鉆機帶來碰撞和墜落的危險，可靠地收放系統能極大提高深海鉆機的作業水平和安全性[6]。對海底鉆機母船收放機構的動力學仿真和優化設計，能夠確保收放機構的設計和工作可靠性，為海底鉆機安全、高效的收放提供保障。

本文以海底鉆機收放機構為研究對象，通過對收放機構進行ADAMS動力學仿真分析，得到收放油缸驅動力的載荷曲線，并以油缸最大驅動力為目標函數，對收放機構各鉸接點布置進行優化。

1 深海鉆機收放機構的結構和工作原理

圖1 收放機構結構組成圖

深海鉆機收放機構安裝在母船船尾，其主要由導軌、鉆機翻轉托架以及對稱布置的收放液壓缸、固定支撐架組成。收放液壓缸缸筒和托架中部鉸接在固定支撐架上，液壓缸活塞桿與托架上端鉸接。深海鉆機收放機構結構如圖1所示。

在海底鉆機回收過程中，首先通過母船上的海洋絞車將海底鉆機提升到略高于托架下端位置，然后控制母船吊放架緩慢向內側擺動，使海底鉆機底部進入到母船收放機構的托架內，并控制海底鉆機在托架內托穩。再通過液壓控制系統驅動收放油缸帶動鉆機托架翻轉回收，從而使海底鉆機與鉆機托架所構成的整體從與母船甲板垂直的位置回收至水平位置，最后通過卷揚機將海底鉆機拉回母船甲板中。其下放過程是回收的逆過程，運動和受力過程相反。本文將只研究海底鉆機回收過程的仿真分析和優化設計。

2 四級海況下母船的運動分析

收放機構要求滿足四級或四級以下海況能夠順利進行鉆機的收放。當收放機構對鉆機進行回收時，母船由于受到海浪的影響，將產生復雜的運動。如果將母船視作剛體，這種運動可以分解為橫搖、縱搖、首搖三個轉動和橫蕩、縱蕩、垂蕩三個直線運動[7]。本文所述的海底鉆機收放機構要求最高在四級海況下對鉆機的順利收放。為了研究母船與收放機構所構成的系統的特征，本文采用基于系統動力學特征的簡化模型，即在考慮母船受到海浪的擾動時，主要研究母船在垂直方向上振蕩，即垂蕩（升沉）運動，其他方向的振蕩給予忽略。根據船舶耐波性理論[8,9]，可將母船受到海浪影響產生的升沉運動近似看作簡諧運動，已知海浪的周期為T，則母船垂蕩（升沉）的運動方程可表示為：

式中：H(t)為母船垂蕩（升沉）方向的位移；Ha為母船垂蕩（升沉）的幅值，主要與海底鉆機母船的結構、尺寸參數以及海浪的周期和波長相關。

根據文獻[9]對采礦用母船的研究，可以得出蒲福風級5、6級時母船的升沉幅值，如表1所示。

表1 母船升沉幅值(蒲福風級5、6級情況)

參考式（1）和表1可推算出波長取2.5m，周期6s的四級海況（蒲福風級5級）下，母船的升沉位移方程為：

相應的升沉運動速度方程和加速度方程為：

其相應的運動曲線如圖3所示。

圖2 母船升沉運動曲線

3 收放機構動力學仿真與優化

3.1 ADAMS仿真模型的建立

考慮到收放機構由多個部件構成，且鉆機托架和固定支撐架結構復雜，而ADAMS軟件的三維建模能力不足，我們采用SolidWorks進行三維建模，并將建好的三維模型導入到ADAMS軟件中進行動力學仿真。在建模中省略對仿真分析沒有影響的導軌，采用由下至頂的建模方法，建立收放機構各構件的實體模型，并對各零部件進行裝配完成收放機構的整體建模。三維實體模型如圖3所示。

圖3 收放機構三維模型

收放機構中鉆機托架連同鉆機自重為13.2t，優化前提是假設收放機構在海底鉆機回收工作中的質量不變。收放機構為完全對稱結構，仿真中以其中一側為對象進行分析。

圖4 收放機構ADAMS仿真模型

以鉆機托架下鉸點和固定支撐架的鉸接處O為原點建立坐標系。OA表示固定支撐架，AB為收放液壓缸，在O、A、B三點為鉸接點，添加旋轉副聯接。收放液壓缸AB由兩個連桿組成，為滑動副聯接，并添加平移驅動作為收放機構的驅動力。同時為了模擬在四級海況下母船的運動情況，在母船甲板下面添加一個可作上下運動的滑動機構，并添加一個平移驅動模擬四級海況下海浪對母船產生的升沉運動。建立好的ADAMS仿真模型如圖4所示。設計目的是優化A、B兩點的位置，使收放液壓缸最大驅動力最小。

3.2 收放機構動力學仿真

根據收放機構設計參數要求，收放機構整個鉆機回收時間要求控制在30s～40s，鉆機與托架整體回收至水平面時液壓缸驅動停止。收放液壓缸行程為活塞桿的長度，由于收放液壓系統采用恒流量泵供油，因此收放液壓缸活塞桿將做勻速運動，我們將液壓缸驅動速度設置為0.03m/s，在O點建立角度傳感器，當旋轉角度為90°時仿真停止，即鉆機和托架整體翻轉90°至甲板水平面時液壓缸驅動停止。設置仿真時間為40s，步長800步，運行仿真后得到收放液壓缸驅動力的變化情況曲線，如圖5所示。

圖5 液壓缸驅動力變化情況

3.3 收放機構優化設計

1）確定目標函數

由圖5液壓缸驅動力曲線可以看出，在回收過程中最大受力出現在回收動作開始階段，為156.92kN，最小受力在回收動作結束時段，為74.96kN。整個過程受力幅值變化較大，因此選取收放液壓缸驅動力為優化對象，在滿足收放機構對鉆機正常收放工況要求的前提下，希望液壓缸驅動力的最大值越小越好，所以確定液壓缸驅動力最大值作為優化設計的目標函數。

2）定義設計變量

利用ADAMS軟件的參數化設計功能，將收放機構各構件位置參數設置為變量，在優化過程中只需改變參數變量值，其構件模型就會跟著變動[10,11]。

由圖4可知，O點為原點位置，A和B兩鉸接點的位置為關鍵點，將這兩點的橫坐標和縱坐標值進行參數化處理，并定義成設計變量DV_AX、DV_AY、DV_BX、DV_BY，并在滿足液壓缸制作參數、母船甲板空間限制和收放機構各部件不產生干涉的前提下，合理約束設計變量的變化范圍如表2所示。

表2 設計變量取值變化范圍

3）設定約束條件

對收放機構關鍵鉸點位置進行參數化優化時，需要考慮多方面的約束。針對收放機構的工作情況，主要從以下四個方面進行約束：

1）邊界條件約束 考慮到收放機構總體尺寸和母船甲板尾部的空間布局，對設計變量的上下限進行了設定；

2）收放液壓缸行程的約束 鉆機回收時間為30～40s，在液壓缸活塞桿驅動速度v一定的情況下，液壓缸行程L應滿足：

3）鉆機收放角度約束 當鉆機隨托架向母船內側旋轉90°時，收放液壓缸停止驅動，因此建立一個傳感器，當鉆機托架繞點O逆時鐘旋轉角度等于或超過90°時，系統終止仿真。

4）優化結果分析

設置好優化計算的設計變量、研究目標和約束函數后，對收放機構進行優化計算。優化結束后，從ADAMS軟件的優化計算結果信息輸出窗口中獲得A、B兩鉸接點位置的優化結果，如表3所示。

表3 優化前后數據對比

從表中可以看出優化前后鉸接點坐標值的變化情況，并將優化后的坐標值輸入到模型對應鉸接點的位置參數上，得到優化后的模型。對收放機構優化后的模型進行動力學仿真，得到優化前、后收放液壓缸的受力情況對比圖，如圖6所示。

由圖6可知，在四級海況條件下，優化后收放機構在鉆機回收過程中液壓缸最大載荷為116.89kN，較優化前的156.92kN降低了25.5%，且優化后液壓缸的整個受力情況更加平穩，最大受力不再出現在收放動作開始階段，有效的保護了液壓缸使用壽命。優化后的仿真時間為32.95s較之前的32.37s增加了0.58s，即液壓缸行程增加了17.4mm，符合設計尺寸和工況要求。

圖6 優化前后液壓缸驅動力對比

3.4 收放機構優化后仿真分析

在ADAMS軟件中，對優化后的收放機構虛擬樣機進行動力學仿真分析，通過測量及后處理得到各鉸接點在回收工況中的受力曲線和各構件的運動規律曲線，為后續收放機構關鍵部件的有限元分析和構件穩定性評估提供參數依據。

1）收放機構各鉸接點受力分析

圖7所示為各鉸接點受力情況與鉆機回收角度的關系曲線。由圖可知，在四級海況下三個鉸接點的受力情況出現周期性的變化，且整個回收過程受力較平穩，變化幅值較低。當鉆機回收至21.1°時鉸接點O的受力最大為144.738kN，當收放至74.7°時受力最小為126.459kN，變化幅值為18.279kN。鉸接點A和B的受力情況基本相同，主要受液壓缸載荷的影響，最大受力為鉆機回收至5°時的117.02kN，最小受力為鉆機回收至74.8°時的101.1kN，變化幅值為26.3kN。

圖7 鉸接點載荷曲線

2）收放機構各構件運動規律分析

當收放液壓缸驅動速度為0.03m/s時，整個鉆機回收工況為32.95s，對應的液壓缸與固定支撐架之間的夾角、鉆機托架與甲板垂直方向夾角的變化規律曲線如圖8～圖10所示。

由圖8可知：在鉆機回收工況中，收放液壓缸與固定支撐架的夾角從12.67°開始變化，收放至16s時達到最大角度值16.29°，回收結束時為9.32°；鉆機托架在回收過程中帶動鉆機逆時鐘旋轉，當鉆機旋轉90°后，收放動作結束，對應的時間為32.95s。

圖8 角度變化曲線

圖9 角速度變化曲線

圖10 角加速度變化曲線

圖9所示為海底鉆機回收過程中液壓缸與固定支撐架夾角和鉆機托架旋轉角角速度變化情況。由圖可知，在回收過程中收放液壓缸的角加速度幅值不斷減小，從回收動作開始時的0.49°/s減小到回收動作完成時的-1.23°/s。鉆機托架旋轉角的角速度先由3.12°/s減小到回收時間16.2s時的最小值2.44°/s，仿真結束時增加到4.22°/s。

圖10為海底鉆機回收過程中液壓缸與固定支撐架夾角和鉆機托架旋轉角角加速度變化情況。在回收過程中液壓缸與固定支撐架的夾角角加速度在0～27s階段一直處于初始階段值-0.4°/s2左右，27s開始減小至仿真結束時為-0.27°/s2。鉆機托架旋轉角加速度在整個回收過程中一直增加，開始時為-0.114°/s2，結束時為0.564°/s2。

4 結論

本文應用機械系統動力學仿真軟件ADAMS建立了海底鉆機收放機構的虛擬樣機模型，并進行動力學仿真，得到收放機構液壓缸在母船受到四級海況擾動影響下的受力載荷曲線。從液壓缸載荷曲線得知收放機構在鉆機回收工況中受力較大，且受力變化幅值較大。以收放液壓缸最大受力為優化目標，對收放機構各鉸接點布置進行了優化設計。通過優化設計，收放液壓缸的最大受力顯著降低，且最大受力不再出現在回收動作開始階段，整個回收工況液壓缸受力變化幅值較小。通過對優化后收放機構模型的仿真分析，得到收放機構優化后主要部件的運動規律和各鉸接點的載荷曲線，為海底鉆機收放機構運動參數的確立和關鍵部件的有限元分析提供參考指導。

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