水下摩擦疊焊作業過程仿真系統設計

楊帆，李彥勝，黃江中，宋國祥，馬麗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

水下摩擦疊焊作業過程仿真系統設計

楊帆，李彥勝，黃江中，宋國祥，馬麗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

為了縮短水下摩擦疊焊技術設備研制周期、節約試驗費用、降低裝置在海上試驗和實際應用中的風險，設計了水下摩擦疊焊作業仿真系統。給出了系統總體設計方案，包含其主要工作內容和軟硬件體系結構。開發了滿足功能要求的仿真軟件，介紹了軟件的開發環境、功能和界面。通過一系列仿真實驗以及纜索的受力及姿態分析，證明了系統的可行性。

摩擦疊焊；體系結構；纜索姿態；仿真系統

為確保我國能源安全，國家啟動了“大型油氣田與煤層氣開發”科技重大專項。我國南海油氣資源豐富，其中約70%蘊藏于深水區。深水海洋工程技術面臨復雜的油氣藏特性以及惡劣的海洋環境條件，而我國深水勘探開發能力遠落后于國際先進水平，其原因除了技術與裝備不足外，科研成果的產業化能力是一個更加嚴重的制約因素，因此，必須大力加強深水海洋工程技術與裝備的產業化技術攻關。作為水下生產系統的重要組成部分，水下油氣開發工藝裝備已成為業界研究熱點，市場需求也增長迅速［1］。在這樣的背景下，國家大力投資于包括水下摩擦疊焊在內的水下生產系統安裝作業裝備，對于推動深水油氣開發裝備的產業化有著重要的意義［2］。

為了研制水下摩擦疊焊技術設備，在研究過程中利用仿真和水池試驗來驗證整個裝置的可行性和可靠性，可以大大縮短海上試驗的周期從而節約試驗費用，同時也降低了裝置在海上試驗和實際應用中的風險［3］。在仿真試驗中模擬吊裝及作業的全過程，觀察分析裝置可能遇到和發生的各種情況，可以減少研發初期由于設計缺陷造成的設備損壞，及時發現系統設計、技術和工藝上存在問題，避免不必要的損失，優化完善系統的各個環節［4］。同時，一套完善的仿真系統可以起到對作業過程中的操作人員進行培訓和模擬訓練的作用，使吊裝作業人員和潛水員熟悉作業過程。因此，在水下摩擦疊焊技術研究過程中，建立合理的水動力模型并通過仿真手段進行初步的研究開發顯得尤為重要。

1 仿真系統總體方案

1.1 仿真系統開發的總體技術路線

水下摩擦疊焊作業的配套技術研究，包括環向運動導軌的扶持、與管道待修區域的接近、在海底管道校準框架上面的準確就位等技術問題，以及管道摩擦疊焊維修宏觀場景監視技術等。摩擦主軸頭與管道待修區域的合理初始相對位置，是高質量完成摩擦過程的基礎條件，要求摩擦疊焊裝置輔助夾鉗就位精度必須滿足焊接要求［5］。水下摩擦疊焊裝置的水動力性能是保證就位精度、仿真過程準確程度和模擬訓練效果的關鍵。因此實施過程中需要首先利用數值計算初步確定摩擦疊焊裝置的水動力系數，再通過模型試驗修正、補充和驗證水動力系數。在此基礎上進行水下焊接作業過程、摩擦疊焊修復過程的仿真和視景顯示，風、浪、流海洋環境作用下作業裝置系統的作業過程模擬仿真，同時完成水下摩擦疊焊監視系統。建立逼真的水面及水下視景和良好的人機交互環境，完成對吊裝操作人員和潛水員的模擬訓練。最后利用水池試驗來驗證無流和有流情況下吊裝和焊接作業過程的可行性，根據實驗結果對系統進一步改進以保證海上實驗的順利實施，上述總體技術路線如圖1所示。

圖1 水下摩擦疊焊作業仿真與監控技術路線示意圖

1.2 仿真系統開發工作

為了實現深水摩擦疊焊系統作業過程的仿真和模擬訓練需要開展如下的工作：

1）利用基于CFD的理論計算及水池實驗等手段，確定水下摩擦疊焊系統中的工作支持母船、焊接設備及臍帶纜／吊裝纜的水動力參數，并在此基礎上建立海洋環境下各子系統合理的動力學、運動學模型，同時對臍帶纜、吊裝纜與連接設備的作用力干擾進行建模。

2）以建立的系統動力學、運動學模型為基礎，完成深水摩擦疊焊作業裝置和水下焊接對象（油管）布放過程的仿真試驗，對設備實際作業效果進行模擬。

3）完成深水摩擦疊焊作業裝置系統作業過程的視景仿真，對臍帶纜／吊裝纜、摩擦疊焊作業裝置受力以及分系統之間的相互作用力進行實時計算，從而完成運動狀態的解算，完成整個焊接作業過程的仿真模擬。

4）完成風、浪、流海洋環境作用下作業母船作業狀態的動態仿真，完成船—纜—作業裝置系統的作業過程動態顯示。

5）開展分布式仿真系統體系結構研究，建立深水摩擦疊焊系統的完整仿真環境，將前述工作納入統一的仿真框架之內，完成仿真系統內數據、信息的高效傳輸和模擬真實海洋環境下的視景仿真。

2 仿真系統體系結構

2.1仿真系統硬件體系結構

仿真系統由三通道投影視景顯示系統、水動力計算模塊和實時操控模塊組成。其中三通道投影視景顯示系統是通過3臺投影機形成母船及焊接裝置視景效果的正投無縫拼接。仿真系統的硬件體系結構如圖2所示，主要包含以下設備。

投影幕：根據空間情況采用一個無縫的寬幅平面高對比度硬質正投金屬屏幕，弧長8.5m，高2.8m。

投影機：采用松下PT-FD605 6500流明，雙燈源光學系統，DLP投影機。該機器應用于融合系統中最大優點是：高亮度、高畫質、高穩定性、色彩匹配自動調節、液體冷卻系統、自動清潔過濾器等。

USTECH邊緣融合機：對輸入到投影機的圖像進行邊緣融合、幾何校正、畫面分布勢／布局、畫面組合、圖文顯示等。

圖形工作站：采用3臺HP Z800圖形工作站，負責完成仿真計算和仿真圖形生成。

圖2 三通道投影視景顯示系統

2.2 仿真系統軟件體系結構

仿真系統需要完成母船的水動力計算、纜索的水動力計算、焊接裝置的水動力計算和仿真海洋環境及視景的生成。仿真軟件系統的體系結構如圖3所示，系統的主要功能模塊有母船仿真、纜索仿真、焊接裝置仿真、視景仿真、海洋環境仿真等。這些仿真模塊在運行過程中由平臺信息管理中間件協調管理。信息管理中間件為這些模塊提供仿真管理服務、信息管理服務和仿真運行服務。由中間件統一接受仿真控制指令和任務計劃，根據信息管理服務提供的信息傳遞序列發送給各仿真模塊，各仿真模塊在仿真運行服務的協調和調用下實現一次仿真任務，計算結果由信息管理服務根據需要保存到數據庫中作為歷史數據。在系統初始化階段由仿真管理服務根據仿真實體數據庫中的初始化信息對各仿真模塊進行初始化。

圖3 仿真系統軟件體系結構

3 水下摩擦疊焊仿真實驗

在Windows XP操作系統上，在VC6.0開發平臺上，利用Multigen Vega 3.7作為仿真視景構建工具，Multigen Creator 2.6作為仿真視景模型的建模工具，開發了水下摩擦疊焊仿真軟件，進行仿真試驗和操作模擬訓練。

在仿真軟件中可以設置流速和流向，有義浪高和波浪方向等作業環境，能夠觀察裝置吊裝和就位過程中裝置的姿態，軟件的人機交互界面如圖4所示。

圖4 仿真系統人機交互界面

另外，軟件還能夠實時記錄下摩擦疊焊裝置和纜索的各個時鐘節拍的位姿。據此可以再現出纜索形態的數據。設定纜索計算模型為鋼架結構，長度L隨下潛時間變化而變化，要求最終下潛60 m（水上10 m，水下50 m，設計半徑為50 mm，材料系數采用Q235鋼，底部作用集中載荷發生變化，重量從1.5 t增至2.5 t，每隔0.2 t增長計算一次，共6組數據。水上部分不受側向力，水下部分側向有水流壓力，壓力值與鉛垂重量相關，變化范圍為0.05 N／mm（50 N／m）變化至0.1 N／mm（100 N／m），每組數據增長步長為0.01 N／mm。其橫截面半徑由0.01 m增長至0.06 m，增長步長為0.01 m。

第1組：鉛垂重量2.1 t，橫截面半徑0.04 m，水流速度0.08 N／mm，計算結果如圖5所示。

圖5 第1組纜索姿態數據

第2組：鉛垂重量2.3 t，橫截面半徑0.05 m，水流速度0.09 N／mm，計算結果如圖6所示。

圖6 第2組纜索姿態數據

第3組：鉛垂重量2.5 t，橫截面半徑0.06 m，水流速度0.1 N／mm，計算結果如圖7所示。

圖7 第3組纜索姿態數據

通過對各工況下的實驗結果的分析，鉛垂質量在2.3～2.5 t和繩子半徑在0.05～0.06 m時，重錘著地點偏差不會很大，能夠滿足焊接要求。

4 結束語

水下摩擦疊焊作業仿真系統是水下摩擦疊焊技術設備研究過程的主要組成部分。本文提出了這個專用仿真系統的開發方案和軟硬件體系結構。以建立的系統動力學、運動學模型為基礎，完成深水摩擦疊焊作業裝置布放過程的仿真試驗，對設備實際作業效果進行模擬。完成深水摩擦疊焊作業裝置系統作業過程的視景仿真，對臍帶纜／吊裝纜、摩擦疊焊作業裝置受力以及分系統之間的相互作用力進行實時計算從而完成運動狀態的解算，完成整個焊接作業過程的仿真模擬。完成風、浪、流海洋環境作用下作業母船作業狀態的動態仿真，完成船—纜—作業裝置系統的作業過程動態顯示。

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Design of underwater friction stitch welding process simulation system

YANG Fan，LIYansheng，HUANG Jiangzhong，SONG Guoxiang，MA Li
Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

An underwater friction stitch welding operation simulation system is designed to shorten the development cycle and save test cost in the research process of the underwater friction stitch welding technology and equipment.The simulation system also can reduce the risk of device in the sea test and practical application.This paper pres-ents the whole design scheme of the simulation system，themain content of the developmentwork，and the software and hardware architecture.The simulation softwaremeeting the functional requirements is developed.The develop-ment environment，functions of the software and human-computer interface are proposed in this paper.The feasibili-ty of the system is proved by a series of simulation experiments and the analysis of the cable force and attitude.

friction stitch welding；software architecture；cable attitude；simulation system

TP23

：A

：1009-671X（2015）01-053-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201312017

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150112.1530.007.htm l

2013-12-31.

日期：2015-01-12.

國家自然科學基金資助項目（61100006，51209050）.

楊帆（1982-），男，工程師.

楊帆，E-mail：yangfan1＠mail.cooec.com.cn.