深水铺管起重船作业实时动力学仿真的研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文深水铺管起重船作业实时动力学仿真研究博士研究生：许元革指导教师：王立权教授学位级别：工学博士学科、专业：机械电子工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2012年9月论文答辩日期：2012年11月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngReal-timeDynamicSimulationResearchontheDeepwaterPipelayCraneVesselOpera

2、tionCandidate:XuYuangeSupervisor:Prof.WangLiquanAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:MechanicalandElectronicEngineeringDateofSubmission:September,2012DateofOralExamination:November,2012University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑

3、重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已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。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门

4、或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日深水铺管起重船作业实时动力学仿真研究摘要深水铺管起重船作业视景仿真系统是以

5、深水铺管起重船为基础，基于理论模型和实测数据而建，可以起到人员操作培训、工程过程演练等作用。为了创建逼真的铺管起重作业虚拟训练环境，根据深水铺管起重船作业系统的运行特点，研究虚拟现实技术、通信网络技术、半实物操纵以及仿真软件体系结构，采用高层体系结构的联邦仿真思想，设计了分布交互式深水铺管起重船作业实时仿真系统。对于起重作业仿真系统，根据实际海上起重作业过程特点，综合考虑海情、海况、动力定位、实时操纵以及压载调整等多种因素对起重作业的影响，构建了多通道数据交流数学模型。在构建吊物系统的数学模型时，根据全回转起重船

6、吊物系统的运行特点，将吊物运动分解成相互独立的吊物摆动和吊索波动；针对吊索波动，采用弦振动理论构建了混合初始边界条件下确保存在唯一性的柔索波动数学模型，并利用无条件稳定的隐式差分法解决了波动方程数值解的稳定性问题；针对吊物摆动，采用动力学原理及阻尼理论，构建了吊物摆动数学模型，并采用布里斯近似积分法求解了其非线性耦合2阶微分方程，有效地解决了实时计算时的累积误差和计算速度滞后现象；利用叠加原理获得了起重作业视景仿真所需相关数据。对于铺管作业仿真系统，为了预测S型海底管道铺管船在铺管作业过程中的管道铺设形态、张紧器

7、张力、管道轴向应力等参数，融合海底管线力学及欧拉-伯努利梁理论，建立了常值海流作用下的管线形态静态数学模型，推导了张紧器的张力预测公式，开发了S型铺管形态的静态计算软件；为了计算悬空段倾斜管道在波浪中的自由振荡运动，利用独立流场模型的Morison方程修正公式及伯努利-欧拉线性动力梁-缆方程的一般形式，推导了海浪作用下的管线-缆索振荡数学模型，并采用有限差分法实时解算了其管线-缆索振荡4阶偏微分方程组；为了提高铺管作业仿真系统实时运算的稳定性、收敛性及准确性，采用静态数学模型计算了海流载荷引起的管线运动的静态分量

8、，采用动态数学模型计算了船体运动及波浪载荷引起的管线运动的动态分量，利用叠加原理获得了铺管作业实时仿真所需相关数据。仿真结果表明，工程技术人员通过仿真演练可以对起重铺管作业过程的关键参数进行推敲，对实际操作过程进行预演，起到辅助制定工艺过程、降低海上作业风险以及提高海上工程作业的可靠性的作用。关键词：深水铺管起重船；S型铺管；柔索波动；数学模型；叠加原理I深水铺管起重船作