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原文传递起重铺管船作业过程动力学分析与交互式仿真研究

论文题名：	起重铺管船作业过程动力学分析与交互式仿真研究
关键词：	起重铺管船;起重作业;铺管作业;动力学模型;仿真分析
摘要：	“海洋石油201”起重铺管船是先进的海上多功能作业船舶，在实际作业时需要在不同海洋环境下、不同设备运行条件下保持良好作业能力。由于海洋作业环境复杂多变，海上起重铺管作业受到多种环境干扰因素的影响，作业过程中存在很多未知性，并且海洋工程项目多具有不可重复性。本文以起重铺管船的起重作业、铺管作业过程为研究对象，利用动力学建模技术、在线分析与快速解算方法以及先进的虚拟现实仿真技术，来建立了一套基于“海洋石油201”起重铺管船的交互式仿真系统，为海上起重铺管作业提供一个工程项目预演和作业人员培训的仿真平台，以降低人员培训成本，缩短海上施工方案的制定周期。　　为了建立准确的海上起重铺管作业实时视景仿真系统，本文以“海洋石油201”起重铺管船为研究对象，综合考虑波浪载荷、海流载荷、风载荷以及船舶自身控制力，将船舶运动分解到空间六自由度，分别构建了起重铺管船在加装托管架和不加装托管架下的船舶动力学模型。利用经验公式和海洋工程流体力学软件对风载荷，波浪载荷和海流载荷以及相关水动力学系数进行了建模与计算;以国际拖拽水池会议双参数波浪谱为基础建立了波浪力模型。最后利用计算流体力学软件对船舶运动响应RAO曲线等水动力性能进行了分析和计算。　　基于船舶六自由度实时数据、起重驾控台操纵数据，构建了考虑不同海情海况条件、船舶动力定位系统、起重船压载系统等影响下的起重吊物数学模型。采用布利斯近似积分法对起重吊物系统数学模型进行实时快速解算，在保证求解精度的基础上，实现了视景仿真系统的实时数据交互。为了得到准确的海上起重作业的响应状态和力学特性，考虑起重机吊臂和吊索的柔性变形，基于多柔体动力学，利用动力学软件建立了刚柔耦合的起重船虚拟样机模型。并针对联合仿真在解算船体响应过程中收敛困难的问题，起重船船体和环境干扰力计算采用解析模型，通过Adams和simulink与解析法三者联合仿真的方式，大大提高了仿真的收敛性和计算精度。　　对于铺管作业交互式视景仿真系统，首先，根据张紧器系统的控制策略，考虑电机和张紧器的负载特性，建立了张紧器恒张力控制模型，保证管道在收放过程中，维持稳定的管线张力。其次，充分考虑海流载荷、波浪载荷、船舶运动等多种因素对铺管作业过程的动态影响，分别建立了初始铺管、正常铺管以及收弃管过程的管线和缆索动力学模型。最后利用欧拉伯努利管线振动微分方程计算波浪载荷和船体震荡引起的管线摆动形态，综合对比微分求积法、有限元法、差分法等常用的数值解法，选用有限差分法对管线的动态振动进行求解。　　在此基础上，基于“海洋石油201”起重铺管船的功能和实际海上作业环境，综合应用虚拟现实技术、多通道数据交互技术、实时数值解算技术以及半物理仿真技术，将数学模型系统、三维视景系统、人机交互硬件系统、用户界面系统、辅助系统等按照高层体系架构思想进行系统集成，构建了一套起重铺管作业交互式视景仿真系统，通过起重控制台、张紧器控制台的操纵配合，实现身临其境的沉浸感。　　仿真结果表明，该仿真平台的搭建，实现了计算过程的可视化和动态化，从而使数学模型的实用性和可操作性得到了很大程度的提高，达到工程预演目的，帮助研发人员在工程设计阶段及时发现问题，提高方案迭代优化效率，减小实际操作的风险，避免不必要的经济损失。该仿真训练系统还可以进行起重和铺管作业人员的培训，缩短作业人员的培训周期，减少了培训成本，降低了装备损耗。通过训练能有效提高起重和铺管作业效率、提升作业安全性，以及作业人员决策的科学性。
作者：	许秀军
专业：	机械电子工程
导师：	房晓明
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文