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原文传递深海自行式履带开沟机关键技术研究

论文题名：	深海自行式履带开沟机关键技术研究
关键词：	海底开沟埋缆;自行走履带开沟机;海底沉积物;带板剪切;SMT-T缩尺
摘要：	本文结合海底开沟埋缆工程需求，展开深海自行式履带开沟机预研工作；设定均匀定向缓变流场、软塑沉积物工作底板的作业环境，针对海底履带承载与行走、喷冲臂射流开沟两项关键基础功能展开相关研究；通过本文的工作，初步实现深海自行走履带开沟机在预设的工作环境及工况下行走、开沟功能，并建立对应的预测评估方法；进而为深海自行走履带开沟机工程应用奠定理论基础，为后期工程样机研发提供参考和积累经验。主要完成的研究工作如下：　　1.海底沉积物物理特性及履带-沉积物作用机理研究　　（1）海底沉积物物理特性分析；对目标作业区沉积物采样样本进行实验室分析及测试，获取沉积物粒径-频度分布曲线、物理特性及土体力学参数；并依据样品分析测试结果配制试验用沉积物替代土体。　　（2）剪切应力-位移经验模型分析：总结筛选现有履土作用剪切应力-位移经验模型（Janosi-Hanmoto模型、Wong JY模型和Schulte模型），搭建实验平台，开展海底沉积物带板剪切适用性验证；实验结果显示，现有经验模型对于履带-黏性软塑沉积物相互作用的评估预测有一定局限性；通过对沉积物变形特征的分析，依据履土作用剪切试验数据拟合结果，总结出一种新的带板剪切经验模型“软塑土剪切模型”（Soft-plastic shear stress-displacement model，SPS model）；对照实验数据曲线，分析软塑土剪切模型海底沉积物的适用性，实验数据分析显示相对其他剪切模型，SPS模型更适合描述带板在沉积物中的剪切力学响应。　　2.海底履带行走机构性能研究　　分析作业过程中履带开沟机受力，建立本体动力学方程，并依此研究履带行走机构接地承载性能、驱动牵引性能和转向性能。　　（1）接地承载性能分析：　　①针对海底土体负载敏感特性，区别陆用履带，采用当量负载和当量平均接地比压粗略预估履带行走机构承载及驱动能力；基于当量接地比压线性分布简化假设，限定履带接地面全尺寸承载为基本条件，界定当量负载设计作用区；　　②推导线性条件下履带接地比压面元分布公式；结合Bekker沉陷公式，导出接地面内任意点沉陷公式；　　③针对现有陆用承重轮对接地比压分布影响模型（Wills模型）局限性，考虑海底土体负载敏感特性、工作扰动对接地比压分布的影响及承重轮偏心因素，引入压力波动峰值因子、当量面域接地比压和压承重轮纵向分布偏心距因子，完善模型，得负载敏感地质承重轮影响比压分布改进模型。　　（2）驱动牵引性能分析：　　①设定直行顶流匀速开沟特种工况，简化开沟受力，引入有效牵引裕量判定因子，建立海底履带有效拖曳性能分析模型；结合软塑土剪切模型（SPS模型）推导履带切向牵引力计算公式；分析行走阻力组成及其与沉陷关系，导出静压沉陷阻力、滑移沉陷阻力和堆土阻力的计算公式；最终求解得有效拖曳性能分析模型解析式；　　②设计建造拖曳测试平台及SMT-T缩尺模型，在不同接地条件下开展模型拖曳试验；试验结果表明有效拖曳力理论计算值与测量值误差在合理范围内，基于SPS经验模型的有效拖曳性能分析模型合理有效。　　（3）转向性能分析：　　①稳态转向运动学分析；分析稳态转向过程中履带剪切速率瞬心横向偏移；依据转向运动几何关系推导常规转向速率率瞬心横向偏移与本体转向半径、转向角速度的函数关系，以及滑转率与本体转向半径、转向角速度的函数关系；　　②稳态转向动力学分析；简化稳态转向过程中SMT-T受力模型，得出稳态转向本体动力学方程；依据转向几何关系求解转向过程中接地面任意剪切速率和剪切位移，结合软塑土剪切经验模型（SPS model）推导得稳态转向过程中左、右舷履带纵向驱动、横向阻力和阻力矩；　　③开展转向模型试验，验证分析滑转率对转向半径和转向角速度的影响；试验结果表明滑转率对转向半径和转向角速度都有影响，实测转向半径变大，转向角速度变小，理论预测曲线与实测数据变化基本一致。　　3.喷冲臂喷冲开沟及其扰动　　（1）射流机理分析：　　①通过对射流定义及射流破土机理分析，界定喷冲开沟机理分析范围为淹没非自由紊动非压缩黏性连续流动压破土；　　②应用时均参数简化紊动流为稳态流，结合黏性不可压缩流体Navier-Stokes方程建立紊动射流时均运动微分方程；结合射流特点及连续性，简化基本运动方程，确立方程边界条件；分析射流过程中动量传递、能量传递和混合区轴线流速及边界扩展，求解紊动射流混合区速度分布；　　③利用Reichard和F?rthman公开的紊动射流试验数据对比验证所推导求解的速度分布模型可行有效。　　（2）射流动压分布及破土判定方法：　　①依据紊动射流混合区速度分布求解混合区射流动压分布，结合射流破土机理分析及土体承载临界准则（Mohr-Coulomb准则）导出紊动射流破土判定方法；　　②应用该方法求解判定射流参数是否满足破土作业要求，求解最大破土半径和最大破土深度，及利用土体参数反向求解射流参数；　　③设计建造喷冲测试平台，开展单喷嘴射流喷冲试验，对比分析破土半径实测值与理论值，结果证明破土判定方法可行有效；　　（3）喷冲臂射流扰动分析：结合开沟作业射流功能及特点，确定喷冲臂喷嘴布置方案；结合单喷嘴射流扰动分析求解双臂喷冲系统射流破土扰动模型；利用射流喷冲试验平台开展单喷嘴射流扰动测试和喷冲臂射流开沟测试，验证射流喷冲扰动模型的有效性；试验结果表明喷冲臂射流扰动模型有效。　　4.工程应用设计与分析　　以SMT-T海底开沟埋缆系统为工程应用设计分析对象，应用前文结论，计算分析、预测及验证SMT-T行走及开沟相关性能。　　（1）SMT-T接地性能计算分析；分析求解当量负载许用设计作用区、当量平均接地比压、接地比压线性面元分布及考虑承重轮作用下接地比压非线性面元分布；依据线性接地比压面元分布，求解履带沉陷。　　（2）SMT-T履带行走底盘驱动牵引性能计算分析及实机测试：　　①结合工程实际经验及常用带板规格，对比计算不同带板参数及工作接地比压组合的有效拖曳力值，综合对比分析显示，带板长宽BS?1.2 m、齿高h?0.2 m时，有效拖曳力综合最优；　　②利用SMT-T原型机履带底盘，开展拖曳性能验证试验；试验结果及数据分析显示有效拖曳力计算误差在合理范围之内，基于SPS经验模型导出的拖曳力预测模型合理有效。　　（3）SMT-T喷冲臂射流参数计算分析；依据射流破土判定方法，结合目标作业区沉积物调查及分项测试结果，分析求解SMT-T喷冲臂前向喷嘴、侧向喷嘴射流参数；依据射流混合区卷吸流量及流速相关结论求解艉向喷嘴射流参数；结合喷冲臂射流扰动模型，计算求解SMT-T在预设工作条件下射流所产生的扰动xA轴向分量、zA轴向分量力值大小及相对yA轴力矩分量值。　　（4）SMT-T缩尺模型全功能试验；结合目标作业区土质情况，利用缩尺模型在试验室内，全功能验证SMT-T行走开沟方案，结果表明自行式履带开沟机方案可行有效。
作者：	王猛
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	葛彤
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文