水下閥門仿真試驗技術在海洋裝備教學中的應用

郭龍川, 楊子赫, 王嘉祎, 付凱妹

(1. 杭州電子科技大學 機械工程學院， 杭州 310018; 2. 中國石油化工研究院， 北京 102206)

0 引 言

Simulation X為一款在工程實踐和高?？蒲袑嶒炛械玫街饾u應用的新興軟件[1-3]。Simulation X可在統一平臺上為多學科和多領域進行相關的系統工程建模和仿真驗證研究，它涉及的學科門類較多，包括海洋工程、機器人及控制系統優化、發動機系統以及電磁驅動機構的設計等。而動態機理建模技術為Simulation X仿真提供了可操作的基礎，通過掌握對象的運行機理，將數學模型導入Simulation X中，形成最終的仿真分析結果[4-8]。

在海洋工程學科的課堂教學實踐中，相關的理論和技術都較為抽象，這種抽象主要表現在兩個方面，① 海洋工程的真實環境距離學生較遠，學生對于海洋及海洋工程的相關系統概念是模糊的，僅靠圖片和視頻是難以形成完整的海洋工程學的知識體系。② 海洋工程涉及面廣，涉及機械、控制、材料多種學科的融合?；诖?，單一的理論傳授式的教學是難以達到課堂教學目的，且教學效果較差[9-12]。如果能通過一些仿真實驗環節對課堂教學進行有效的補充，將會對學生較好的掌握海洋工程的相關知識體系具有非常大的幫助，并產生良好的課堂教學效果。

本文以“海洋工程設計”課程中的“深水閥門及執行機構”教學內容為例，結合Simulation X軟件，對深水閥門及執行機構進行機理建模和動態仿真分析。基于Simulation X軟件搭建深水閥門及執行機構仿真平臺將訓練學生在海洋工程、水下生產系統、水下電液復合系統與水下控制系統設計等方面的綜合能力。通過對運行機理進行分析并建立數學模型，再結合Simulation X軟件中最新的海洋庫組件模塊，學生可以根據不同水深、不同海況壓力和溫度的要求，自主設計并搭建水下深水閥門及執行機構仿真系統，根據要求設定深水閥門及執行機構的動作時間及運行方式，可充分將理論與實踐銜接起來，一方面使學生能夠系統地學習理論知識，掌握深水閥門及執行機構的基本原理與技術；另一方面有助于提高學生解決實際深水工程問題的能力，從而提升教學質量與效果。

1 深水閥門及執行機構的壓力補償機制

深水閥門及執行機構是深水海洋油氣開發必不可少的設備，并廣泛應用于水下生產系統中[5]。深水閥門與陸地上閥門相比，涉及海水腐蝕、深水壓力、深水溫度等外部環境影響，同時這些外部因素的影響也要求閥門具有較高可靠性和較長使用壽命。深水閥門及執行機構的構成如圖1所示，包括液壓缸，ROV(水下機器人)操作接口、機械傳動機構，閥門位置指示器和用于平衡海水靜壓的壓力補償結構[3]。

深水閥門及執行機構相較于陸上閥門不同點在于前者內部必須充入液體—補償液，以平衡海水環境中閥門所受的壓力，即通過壓力補償器來實現此特性[3]。圖2為一種皮囊式壓力補償結構，皮囊的內外表面分別與補償液和海水接觸，以達到內外介質的壓力平衡，同時又將海水與補償液隔離，避免海水進入閥門及執行機構腐蝕內部組件。

1-指示器指針；2-壓力補償器；3-液壓注入口；4-深水閘閥；5-執行機構本體；6-ROV接口圖1 深水閘閥執行機構1-補償器外腔；2-皮囊；3-補償器內腔；4-補償器油流通道；5-執行機構內腔；6-執行機構外殼；7-補償器外殼圖2 皮囊式壓力補償器 示意圖

圖3所示為一種深水閥門及執行機構的活塞桿開導流孔示意圖。

1-執行機構內腔； 2-液壓腔； 3-彈簧； 4-液壓注入口； 5-負壓腔； 6-活塞桿； 7-導流孔

圖3 深水閘閥執行機構活塞桿開導流孔示意圖

下面通過建立了包含導流孔阻尼影響在內的深水閥門及執行機構液壓控制時的動力學模型，并利用SimulationX軟件進行動態仿真。

2 深水閘閥執行機構液壓控制時的動力學模型

深水閥門及執行機構的動作動力源為液壓油，在閥門開啟時，由水上的液壓源在恒定壓力作用下供油；當需要閥門關閉時，去除液壓壓力。在此基礎上用傳遞函數法建立深水閘閥執行機構液壓控制時的動力學模型[3-4]。執行器的動態微分方程如下：

執行器開啟過程中，活塞桿的力平衡方程為

(1)

流量方程為

Q=(A-A1)dy/dt

(2)

動作持續時間為

t=(A-A1)L/Q

(3)

執行器關閉過程中，活塞桿的力平衡方程為

md2y/d2t+ρgHA1+ρgH(A-A1)+f關

(4)

流量方程為

Q1=-(A-A1)dy/dt

(5)

動作持續時間為

t=(A-A1)L/Q1

(6)

以上各式中：p為執行機構控制開啟的供壓壓力；A為活塞面積；A1為活塞桿面積；A2為閥桿面積；H為工作水深；y為活塞位置；L為活塞行程；L0為彈簧預壓縮量；m為活塞等動作部件質量+1/3彈簧質量；ρ為海水密度；μ為補償液的動力黏度；k為彈簧剛度；g為重力加速度；lp為導流孔長度；dp為導流孔內徑；f開為閥門的開啟阻力；f關為閥門的關閉阻力；Q為執行機構開啟過程中流入液壓缸的流量；Q1為執行機構關閉過程中流出液壓缸的流量。

3 基于SimulationX的深水閥門及執行機構的動態仿真分析

下面基于SimulationX軟件對深水閥門及執行機構進行動態仿真分析，當學生們通過建模了解深水閥門的動態機理后，為有更加深刻的直觀感受，通過仿真分析這一技術即可使學生由內而外深入掌握深水閥門的動作過程。SimulationX軟件里的海洋庫功能模塊的一大特點即用戶可利用Type Designer工具自定義標準深水裝備元件，且能對標準深水元件進行擴展、對已有深水模型進行封裝以及對所建模型加密，且具有良好的開放性、繼承性和保密性[5-7]。

3.1 主要技術參數

以我國南海某深水油田中的液壓執行機構為例，其水深1 500 m；液壓開啟壓力20.7 MPa；執行機構的液壓缸內徑180 mm；活塞桿直徑90 mm；深水閥桿直徑50 mm；執行機構活塞桿導流孔直徑10 mm；活塞桿導流孔長度480 mm；行程120 mm；彈簧剛度221.7 kN/m；活塞桿及其從動部件質量1.245 t；彈簧預壓縮量295 mm；閘閥的最大開啟阻力為59.6 kN，最大關閉阻力為29.8 kN。

3.2 仿真結果

通過SimulationX軟件的海洋庫對執行機構的開啟和關閉過程進行動態仿真，在SimulationX軟件中建立仿真模型，如圖4所示。仿真結果如圖5～10所示，曲線清晰表明了執行機構開啟和關閉過程中活塞的速度、液壓腔流量及負壓腔流量的變化。從圖中可以看出，流量變化與速度變化基本同步；由于液壓腔和負壓腔的活塞桿外徑不同，導致其流量在大小上有所差異。在此基礎上，學生可以對相關海洋模塊進行相應的增減，通過模塊化的操作，使學生根據課堂中吸收的海洋工程理論知識，進行個性化的優化設計，此舉可以鍛煉學生進行較為基礎的工程設計工作，特別是一些總體方案設計，從而為今后從事相關行業的工作打下一定基礎。

圖4 SimulationX執行機構液壓仿真模型

圖5 開啟時活塞的速度曲線圖6 開啟時液壓腔的流量曲線圖7 開啟時負壓腔的流量曲線圖8 關閉時活塞的速度曲線圖9 關閉時液壓腔的流量曲線圖10 關閉時負壓腔的流量曲線

通過Simulation X軟件將前期的理論建模知識與仿真驗證實驗結合起來，使理論與實際相結合、學以致用，學生對此非常投入，增強了對水下生產控制系統、水下閥門及執行機構等知識與技術的理解，掌握了許多相關的知識點。此外，在同樣的組件設備基礎上，可以開展其他水下裝備系統設計，例如水下連接器系統、水下通信系統、水下管匯系統。而模塊化的設計可以使得學生可以自主進行優化設計，在現有課程安排的基礎上，對他們充分利用時間與相關仿真軟件有非常好的幫助。從實踐來看，提高了教學效果。

4 結語

本文以“海洋工程設計”課程中的“深水閥門及執

行機構”教學內容為例，探討深水閥門及執行機構的動作機理，并根據動作機理建立數學模型。在此基礎上，結合Simulation X軟件，對深水閥門及執行機構進行動態仿真分析。將動態機理建模和Simulation X軟件仿真技術緊密結合，形成一套完備的水下閥門及執行機構仿真實驗平臺，通過此平臺可以繼續模塊化的學習水下生產系統的相關組件。一方面學生能夠系統地學習理論知識，掌握深水閥門及執行機構的基本原理與技術；另一方面有助于提高學生解決實際深水工程問題的能力，從而提升教學質量。

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