導(dǎo)管架調(diào)平夾持器齒形爪優(yōu)化及同步控制技術(shù)研究.pdf

1、近十幾年來的全球大型油氣田勘探實踐表明，陸上油氣資源已進入“平臺期”，其產(chǎn)量增長幾乎接近峰值，因而各國開始走向海中取油之路，因此海洋油氣資源是未來世界油氣資源開發(fā)的重要領(lǐng)域。海洋油氣資源開發(fā)離不開海洋平臺，鋼質(zhì)樁基導(dǎo)管架平臺憑借自身的諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于海洋油氣開發(fā)中。導(dǎo)管架安裝過程中的調(diào)平作業(yè)是影響導(dǎo)管架平臺海上安裝質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，深水導(dǎo)管架調(diào)平需要一些特殊的機具，其中調(diào)平機具系統(tǒng)是調(diào)平作業(yè)所必需的專用液壓機具，由于其能同時完成

2、夾持和調(diào)平兩項操作，對提高安裝效率、降低海上安裝成本具有重要作用。我國在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，因此對其關(guān)鍵技術(shù)進一步研究以加快該裝備的國產(chǎn)化進程具有現(xiàn)實意義。
　　 本課題來源于中國海洋石油工程股份有限公司綜合科研項目“深水導(dǎo)管架安裝液壓裝具研發(fā)”。本文綜述了海洋油氣平臺導(dǎo)管架調(diào)平作業(yè)系統(tǒng)的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，評述了該技術(shù)的發(fā)展和需要進一步研究的問題，針對調(diào)平機具系統(tǒng)的夾持和調(diào)平作業(yè)這兩項關(guān)鍵工序，深入分析了其關(guān)鍵部件一夾持器

3、的齒形夾爪參數(shù)、管樁承載能力及調(diào)平力的關(guān)系，給出了齒形爪參數(shù)確定方法，建立了表征齒形爪參數(shù)與調(diào)平力和管樁承載力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了齒形爪優(yōu)化的可視化仿真平臺，進一步研究了便于工程應(yīng)用的長管路調(diào)平提升系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型簡化方法及其同步控制技術(shù)。
　　 本文根據(jù)夾持器齒形爪的受力狀態(tài)，應(yīng)用彈性理論推導(dǎo)了齒形爪截面內(nèi)任意點的應(yīng)力分量表達式，確定了較為合理的齒形爪結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，分析了齒形爪結(jié)構(gòu)參數(shù)對調(diào)平力的影響，從齒形爪和管樁材料滿足最

4、大應(yīng)力條件出發(fā)，提出了齒形爪結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法，為齒形爪系列化設(shè)計打下了基礎(chǔ)。
　　 針對齒形爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，采用一種數(shù)值模擬正交試驗、支持向量機回歸和改進遺傳算法的綜合優(yōu)化方法。首先確定了數(shù)值模擬正交試驗因素及各因素水平；其次根據(jù)不規(guī)則實體的多楔接觸問題解法，利用ANSYS軟件建立了齒形爪與導(dǎo)管樁夾持接觸的有限元模型，以齒形爪與管樁間夾持力及其應(yīng)力作為試驗指標，將得到的不同因素水平組合的有限元分析結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，建立了夾持接

5、觸力、齒形爪應(yīng)力和管樁應(yīng)力的支持向量機回歸模型，采用另外的預(yù)測樣本對回歸模型的預(yù)測效果進行了驗證，結(jié)果證明了所建模型的合理性；最后以夾持接觸力的回歸模型為目標函數(shù)，以齒形爪和管樁應(yīng)力的回歸模型為約束函數(shù)，采用改進的遺傳算法對齒形爪結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果與ANSYS分析結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明兩者誤差小于1％。構(gòu)建了齒形爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化可視仿真平臺，為實際工程應(yīng)用提供了一種便捷設(shè)計方法。
　　 在分析調(diào)平機具系統(tǒng)作業(yè)特點的基礎(chǔ)上確定

6、了系統(tǒng)管路布置形式，基于管路傳輸動力學(xué)理論，修正了長軟管的線性摩擦模型，建立了考慮管路效應(yīng)的長管路電液提升系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了管路效應(yīng)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。為解決系統(tǒng)模型參數(shù)復(fù)雜與求解困難等問題，本著構(gòu)建工程適用模型的思想，本文利用管路的質(zhì)量-彈簧-阻尼動力學(xué)模型，提出了一種基于模型降階法的快速建立長管路簡化模型的方法，給出了簡化模型公式，與原模型對比分析的結(jié)果表明所提出的簡化模型與原模型有很高的近似度。
　　 對并聯(lián)長管路電液

7、提升系統(tǒng)各通道間運動耦合問題，借鑒最少相關(guān)耦合軸數(shù)控制的基本思想建立了并聯(lián)長管路環(huán)交叉耦合同步控制模型。提出了一種改進的smith滑模預(yù)估控制方法，設(shè)計了跟蹤誤差控制器，并與一種改進的PID Smith預(yù)估控制器進行了比較，仿真結(jié)果表明所提出控制方法的有效性。采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計了相鄰兩通道的同步誤差控制器。將環(huán)交叉耦合控制與等同式同步控制進行了比較，結(jié)果表明了環(huán)交叉耦合控制方式應(yīng)用于并聯(lián)長管路電液提升系統(tǒng)同步控制的可行性和有效性