CN109118925B - 一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，装置包括激励平台、张紧器、伸缩节以及隔水管仿真系统。激励平台采用六自由度实验平台，伸缩节由可相对滑动的内筒和外筒组成，张紧器液压缸顶端与激励平台连接，张紧器液压缸底端与伸缩节连接，隔水管仿真部分采用液压系统与计算机控制相结合的方式，首先通过传感器将运动信息传递给隔水管动力学仿真系统，然后隔水管动力学仿真系统计算隔水管系统动力学响应并确定隔水管系统对伸缩节的反作用力，并通过液压系统施加反作用力。采用半实物仿真的方式构建平台‑张紧器‑伸缩节‑隔水管多体动力学实验装置，既能准确模拟海洋隔水管多体系统之间的耦合机理，又可节省实验装置的成本。

Description

一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置
技术领域
本发明涉及一种海洋隔水管系统动力学实验装置，尤其是一种用于海洋隔水管系统多体动力学实验的半实物仿真实验装置。
背景技术
海洋隔水管系统是海上油气勘探开发的关键装备，隔水管系统顶部通过张紧器、伸缩节悬挂于平台上，隔水管系统底部通过隔水管底部总成与水下防喷器连接，其中平台变形较小可认定为刚性体，隔水管、张紧器、伸缩节为弹性体，各构件之间通过转动副或滑动副连接，则整个海洋隔水管-张紧器-伸缩节-平台系统为典型的刚柔耦合多体系统，简称海洋隔水管多体系统。海洋隔水管多体系统在服役过程中受到平台运动、波浪载荷、海流载荷以及工作载荷的影响，其多体动力学问题一直是国内外研究的热点。
目前，国内外对于隔水管系统多体动力学方面的研究，无论是实验测试还是软件模拟，大多数都做了不同程度的简化。或将隔水管系统简化为一个弹簧阻尼系统，开展轴向动力学分析，忽略海洋环境载荷的影响，无法模拟海洋环境下的隔水管系统非线性动力学特性；或将张紧器简化为弹簧系统，无法准确模拟张紧器液压动力学及其非线性特性，尤其是反冲过程中涉及的非线性液压动力学、液压系统控制等复杂问题；或将深水钻井隔水管多体系统三维拓扑关系简化为二维关系，忽略张紧器分布、多自由度运动等因素。为此，亟需建立一套海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，以准确开展海洋隔水管系统多体动力学实验研究，为海洋隔水管系统多体动力学设计、分析及控制提供支撑。
发明内容
针对上述问题，本发明采用实物与仿真相结合的方式，提供一种能够进行海洋隔水管系统多体动力学实验的半实物仿真实验装置，该实验装置能够较真实地模拟平台-张紧器-伸缩节-隔水管系统多体动力学耦合过程，且能够较准确的模拟隔水管系统所处的实际海洋环境。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：它包括激励平台、张紧器、伸缩节以及隔水管仿真系统。
所述激励平台为六自由度激励平台，用于模拟海洋钻井平台的运动；
所述张紧器包含高压空气瓶，液压阀，蓄能器，反冲控制阀，液压缸，低压氮气瓶，所述高压空气瓶依次通过所述液压阀、所述蓄能器以及所述反冲控制阀联通所述液压缸的有杆腔，所述低压氮气瓶联通所述液压缸的无杆腔，所述液压缸顶端与所述激励平台连接，所述液压缸底端与所述伸缩节连接；
所述伸缩节由可相对滑动的内筒和外筒组成，所述内筒与所述激励平台中心连接，所述外筒与所述张紧器连接；
所述隔水管仿真系统包括高性能计算机，加速度传感器，压力传感器，双作用单活塞液压缸一，双作用单活塞液压缸二，双作用单活塞液压缸三，单向溢流阀，PLC控制器，比例电液方向阀，油箱，过滤器，截止阀，液压泵，电磁卸荷溢流阀；所述高性能计算机内置隔水管动力学仿真系统，所述加速度传感器采集所述伸缩节的运动信息，并将所述运动信息传递给所述隔水管动力学仿真系统，然后所述隔水管动力学仿真系统计算隔水管系统动力学响应，并确定隔水管系统对所述伸缩节的反作用力；所述PLC控制器控制液压系统施加所述反作用力，并通过所述压力传感器检验施加的所述反作用力是否正确。
进一步的，所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述张紧器共有四个，呈90°间隔安装在所述伸缩节四周。
进一步的，所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述液压泵为所述隔水管仿真系统提供液压动力源，所述液压泵通过液压管线与所述油箱、所述电磁卸荷溢流阀以及所述过滤器连接，所述电磁卸荷溢流阀起到定压溢流的作用，所述过滤器与所述比例电液方向阀连接，所述比例电液方向阀的另一端与所述双作用单活塞液压缸连接；此外，所述高性能计算机通过所述PLC控制器连接所述比例电液方向阀，用于控制整个液压系统的正常工作。
进一步的，所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述双作用单活塞液压缸一的活塞杆与所述伸缩节外筒连接，所述双作用单活塞液压缸二和所述双作用单活塞液压缸三呈90°间隔横向布置在所述伸缩节外筒上，所述双作用单活塞液压缸二和所述双作用单活塞液压缸三通过滑动副与所述伸缩节外筒连接。
进一步的，所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述激励平台、所述张紧器和所述伸缩节之间通过铰接接头连接。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、采用半实物仿真的方式构建平台-张紧器-伸缩节-隔水管多体动力学实验装置，既能准确模拟海洋隔水管多体系统之间的耦合机理，又可节省实验装置的成本；2、结合隔水管动力学仿真系统，可以准确模拟实际海洋波浪和海流条件下的隔水管系统动力学行为，解决海洋环境下动力学模拟的难题；3、采用六自由度激励实验平台，便于控制，能够较为真实的模拟海洋平台的空间运动方式。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的六自由度平台结构示意图。
图3为本发明的张紧器布置示意图。
图4为本发明的张紧器模块控制示意图。
图5为本发明的双作用单活塞液压缸周向布置图。
图中，1.六自由度激励实验平台，2.液压阀，3.高压空气瓶，4.蓄能器，5.反冲控制阀，6.伸缩节内筒，7.伸缩节外筒，8.双作用单活塞液压缸二，9.滑动副，10.加速度传感器，11.双作用单活塞液压缸一，12.单向溢流阀，13.液压泵，14.截止阀，15.油箱，16.电磁卸荷溢流阀，16-1.二位二通换向阀，16-2.卸荷阀，17.过滤器，18.液压管线，19.比例电液方向阀，20.PLC控制器，21.高性能计算机，22.张紧器液压缸，23.低压氮气瓶，24.铰接接头，25.双作用单活塞液压缸三，26.压力传感器，27.直线伺服电机。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，六自由度激励实验平台1通过六个直线伺服电机27驱动，可产生空间方向的六个自由度，六自由度激励实验平台1通过铰接接头24与伸缩节内筒6顶端和张紧器液压缸22顶端相连，带动张紧器液压缸22的运动，模拟海洋钻井平台与张紧器的多体运动。
如图1、图3、图4所示，张紧器共有四个，呈90°间隔安装在所述伸缩节四周。张紧器液压缸22无杆腔连接低压氮气瓶23，低压氮气瓶23与张紧器液压缸22中间由液压阀2控制，可实时调节给张紧器液压缸的低压氮气供应量。张紧器液压缸22有杆腔经反冲控制阀5与蓄能器4相连接，可通过调整反冲控制阀5的开度控制隔水管多体系统的反冲响应，蓄能器4另一端连接若干高压空气瓶3，通过液压阀2控制。张紧器液压缸22活塞杆底端通过铰接接头24固定于伸缩节外筒7。
如图1、图5所示，隔水管仿真系统由高性能计算机21进行整体控制，高性能计算机21内置隔水管动力学仿真系统。双作用单活塞液压缸一11的活塞杆与伸缩节外筒7连接，双作用单活塞液压缸二8和双作用单活塞液压缸三25呈90°间隔横向布置在伸缩节外筒7上，两者通过滑动副9与伸缩节外筒7连接。伸缩节外筒7的外部装有加速度传感器10，用于实时采集其运动信息，并将所述运动信息传递给隔水管动力学仿真系统处理，然后通过隔水管动力学仿真系统计算隔水管系统动力学响应并确定隔水管系统对伸缩节的反作用力。每个PLC控制器20连接高性能计算机21和与之对应的比例电液方向阀19，控制对应的双作用单活塞液压缸施加反作用力，并通过压力传感器26检验施加的作用力是否正确，其中压力传感器26布置在每个双作用单活塞液压缸有杆腔与无杆腔内部，用于计算每个双作用单活塞液压缸的压力差，并将压力数据传递给高性能计算机21处理。单向溢流阀12安装在每个双作用单活塞液压缸与对应的比例电液方向阀中间，以使双作用单活塞液压缸的压力恒定。
如图1所示，液压泵13、截止阀14、油箱15、电磁卸荷溢流阀16、过滤器17组成为双作用单活塞液压缸供油和卸荷的液压回路。其中，液压泵13提供隔水管仿真系统的液压动力源，液压泵13通过液压管线18与油箱15、电磁卸荷溢流阀16以及过滤器17连接，电磁卸荷溢流阀由二位二通换向阀16-1和卸荷阀16-2并联组成，起到定压溢流的作用，过滤器17与每个比例电液方向阀19连接，每个比例电液方向阀19的另一端与每个双作用单活塞液压缸连接。高性能计算机21通过PLC控制器连接每个比例电液方向阀19，用以控制整个液压系统的工作。
本发明方法的有益效果是：提出了一种简单可靠的平台-张紧器-伸缩节-隔水管系统多体动力学实验方案，通过半实物半仿真的方法，结合海洋环境真实模拟数据，通过高性能计算机快速处理数据，反馈控制整个多体仿真实验装置，可以快速准确模拟海洋环境下深水钻井隔水管多体系统动力学响应。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：它包括激励平台、张紧器、伸缩节以及隔水管仿真系统；
所述激励平台为六自由度激励平台，用于模拟海洋钻井平台的运动；
所述张紧器包含高压空气瓶，液压阀，蓄能器，反冲控制阀，液压缸，低压氮气瓶，所述高压空气瓶依次通过所述液压阀、所述蓄能器以及所述反冲控制阀联通所述液压缸的有杆腔，所述低压氮气瓶联通所述液压缸的无杆腔，所述液压缸顶端与所述激励平台连接，所述液压缸底端与所述伸缩节连接；所述张紧器共有四个，呈90°间隔安装在所述伸缩节四周；
所述伸缩节由可相对滑动的内筒和外筒组成，所述内筒与所述激励平台中心连接，所述外筒与所述张紧器连接；
所述隔水管仿真系统包括高性能计算机，加速度传感器，压力传感器，双作用单活塞液压缸一，双作用单活塞液压缸二，双作用单活塞液压缸三，单向溢流阀，PLC控制器，比例电液方向阀，油箱，过滤器，截止阀，液压泵，电磁卸荷溢流阀；所述高性能计算机内置隔水管动力学仿真系统，所述加速度传感器采集所述伸缩节的运动信息，并将所述运动信息传递给所述隔水管动力学仿真系统，然后所述隔水管动力学仿真系统计算隔水管系统动力学响应，并确定隔水管系统对所述伸缩节的反作用力；所述PLC控制器控制液压系统施加所述反作用力，并通过所述压力传感器检验施加的所述反作用力是否正确。
2.根据权利要求1所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述液压泵为所述隔水管仿真系统提供液压动力源，所述液压泵通过液压管线与所述油箱、所述电磁卸荷溢流阀以及所述过滤器连接，所述电磁卸荷溢流阀起到定压溢流的作用，所述过滤器与所述比例电液方向阀连接，所述比例电液方向阀的另一端与所述双作用单活塞液压缸连接；此外，所述高性能计算机通过所述PLC控制器连接所述比例电液方向阀，用于控制整个液压系统的正常工作。
3.根据权利要求1所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述双作用单活塞液压缸一的活塞杆与所述伸缩节外筒连接，所述双作用单活塞液压缸二和所述双作用单活塞液压缸三呈90°间隔横向布置在所述伸缩节外筒上，所述双作用单活塞液压缸二和所述双作用单活塞液压缸三通过滑动副与所述伸缩节外筒连接。
4.根据权利要求1所述的一种海洋隔水管系统多体动力学半实物仿真实验装置，其特征在于：所述激励平台、所述张紧器和所述伸缩节之间通过铰接接头连接。
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