海洋资源勘探拖缆动力特性与姿态控制研究

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1、ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofDoctorofPhilosophyDynamicCharacteristicAnalysisandAttitudeControlofOceanResourcesSurveyStreamersSchool：NavalArchitecture，OceanandCivilEngineeringDiscipline：MarineEngineeringMajor：MarineEngineeringCandidate：LiuTaoSupervisor

2、：Prof．MaJie，ZhangWeiji．ngApril，2012上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签各：韶卜括日期：扣1弓年。c月乩日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版

3、，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密瓯(请在以上方框内打“4")学位论文作者签名：日期：如严，月乩日指导教师签名：日期：扣尹。f上海交通大学博士学位论文摘要海洋资源勘探拖缆动力特性与姿态控制研究摘要海洋油气资源是我国能源安全战略的核心，海洋油气资源勘探开发又是我国能源战略的重点。海洋地震勘探是目前海洋资源勘探应用最广、成效最高的地球物理技术。为了提高勘探作业的效率，控制勘探阵列的深度和水平间距，

4、防止拖曳阵列之间的缠绕，需要仔细研究拖曳阵列动力学特性，准确预报勘探阵列的姿态，提出有效的勘探拖缆姿态控制策略。本文在对国内外学者关于勘探拖曳系统的研究进行了比较系统的回顾与总结的基础上，建立了勘探拖缆的三维非线性动力学模型，通过数值和实验的方法研究了勘探拖缆的动力学特性，研制了嵌入式勘探拖缆控制器，设计了鲁棒自适应勘探拖缆姿态控制策略。本文首先在拉格朗日坐标系下，考虑拖缆的弯曲刚度，分析作用在拖缆上的各种外载荷，使用微元法建立了各拖缆的三维动力学方程。经简化处理，同时给出了不考虑弯曲刚度的张紧拖缆的动力学方程。鉴于有限差分Boxmethod在求解拖缆非线性方程上的

5、不稳定性及其对拖缆初值的强依赖性，本文在拖缆的数值求解中，在时域上采用广义口算法。通过将广义口算法应用到简单的非线性系统，证明了广义口算法的精度。通过谱半径对比分析了有限差分Boxmethod、广义梯形算法、向后差分算法和广义口算法的稳定性。采用相同权重法计算复杂的非线性动力学方程的平均系数矩阵，将广义口算法运用到复杂的非线性动力学方程的求解。’在空间域上保留有限差分Boxmethod空间离散的方法，在时间域上采用广义口算法离散，编写了求解拖缆三维非线性动力学方程的计算程序Sjtu．tow。采用New-Raphson法求解微分方程的两点边值问题。由于拖缆可能出现局部

6、变量变化较快的特性，在计算程序中，采用了一种基于变分法的自适应空间网格方法以减少计算时间，提高计算效率。在时域上，同样采用了自适应时间步长的方法以防止强非线性引起时域不收敛性。通过对勘探拖缆的实际算例的计算，与其他已有的算法进行了比较研究。通过在拖曳水池进行拖缆的拖曳实验研究了拖缆动力学特性。在0．55m／s、1．Olm／s、1．5m／s三种拖曳速度下研究了拖缆的稳态和瞬态动力学响应，测量了拖缆·III,I,——E,,,．——l————_——I,——I————————，—．．．．．．．．．．．．．—I———．，．．．．．．．．．．．，，—，，．．．．．．．．．．．．

7、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I!!j寰第l页上海交通大学博士学位论文摘要顶端和距离自由端1米处的张力和剪力。为了考查拖车振动的影响，测量了拖曳过程中拖车振动的加速度信号。在数值与实验的比较研究中，采用非一致网格处理顶端固定处的快速的张力和剪力变化。采用增强的水动力学系数，计算拖缆的稳态响应。同时，采用变阻力系数和定阻力系数两种方法研究了拖缆的瞬态动力学响应。勘探拖缆的运动控制与姿态优化是现代地震勘探技术发展的重点和趋势。为了对海洋资源勘探拖曳阵列进行有效地控制，本文