半潜式海洋平台主动波浪补偿系统运动学特性分析(附件)【字数：12084】
摘 要摘 要半潜式海洋钻井平台（浮式钻井平台）在工作时，由于波浪的随机运动会产生六个方向的运动。随机产生的这些运动对海洋平台正常的钻井作业造成了极大地影响，这不仅增加了钻井成本，延长了钻井时间，减少平台设备使用寿命，而且还会对平台上工作人员的生命和安全有着严重的威胁。目前只有针对钻柱和钻头补偿的研究，只解决了平台晃动对钻井部分造成影响，并没有涉及整个平台工作甲板的运动补偿。在平台产生的六个方向的运动中，横摇、纵摇、升沉对平台的影响较大。所以，本文针对这三个自由度上的运动对平台工作甲板的影响，结合新型半潜式海洋钻井平台结构，研究该平台的主动波浪补偿运动学模型。首先，为数学模型建立适当的坐标系，并参考并联机构逆解计算方法得到能够使平台工作甲板保持稳定的补偿算法。之后为了验证控制算法的正确性，先进行算例分析初步验证补偿算法的合理性；然后借助MATLAB仿真出各个点坐标补偿前后的空间曲线，通过对比补偿前后曲线，为ADAMS模型仿真分析提供参考依据；最后用MATLAB仿真出杆长曲线数据，并导入ADAMS模型添加Spline样条曲线驱动进行上平台算法补偿，获得补偿前后平台的运动曲线，通过分析仿真结果验证主动波浪补偿算法的正确性。关键词半潜式海洋钻井平台，主动波浪补偿，并联机构，运动学分析，ADAMS仿真
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本文主要研究内容 4
第二章 半潜式海洋钻井平台空间运动性能分析 6
2.1 半潜式海洋平台的运动性能分析 6
2.1.1 半潜式海洋平台平台结构组成 6
2.1.2 半潜式海洋平台自由度分析 9
2.2 半潜式海洋平台运动学逆解位置分析 9
2.2.1 逆解坐标系的建立 9
2.2.2 半潜式海洋平台的运动学逆解方法 10
2.3 半潜式海洋平台运动学正解位置分析 15
2.3.1 正解坐标系的建立 15
2.3.2 半潜式海洋平台的运动学正解方法 16
2.4 本章小结 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
第三章 基于MATLAB的半潜式海洋平台运动学仿真 18
3.1 MATLAB软件介绍 18
3.2 基于MATLAB软件的半潜式海洋平台运动分析 18
3.2.1 半潜式海洋平台关键点的曲线仿真 18
3.2.2 半潜式海洋平台关键点的曲面仿真 19
3.3 本章小结 21
第四章 基于ADAMSMATLAB联合的半潜式海洋平台运动仿真 22
4.1 ADAMS软件介绍 22
4.2 基于ADAMSMATLAB联合的半潜式海洋平台运动仿真 22
4.2.1 建模与添加约束 22
4.2.2 联合MATLAB添加Spline样条驱动 25
4.2.3 仿真结果分析 27
4.3 结构优化 27
4.4 本章小结 30
结 语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着经济的不断发展，陆地上的油气资源日益枯竭，油气资源的供给问题已经成了世界各国的当务之急，为了解决油气供给与需求之间长期存在的矛盾，石油和天然气勘探已逐步转移到海洋的陆地。有关数据显示，世界上超过百分之九十的海洋深度达到2006000m，因此广阔的深海区域将成为未来能源发展的主战场[1]。
据目前不完全统计[3]，中国南海周边各个国家的已探明的油气当量储量约为77亿桶[27]。据联合国能源信息管理局发布的报告通知[2]，中国的海上石油和天然气资源十分丰富，特别是在中国南海海域，在那里拥有着开采价值极高的石油和天然气资源，已被石油工业届誉为世界第二个“波斯湾”。但是，根据最新考察报告得知，中国南海海域的平均水深为1200m，最深可达5500m[4]，同时由于南海海况恶劣、远离陆地、补给困难，因此海洋石油钻井设备的研究对于我国变得尤为重要。
由于海洋资源开发与应用具有广阔的前景，海洋科技已成为世界各国关注的焦点。2011年9月，国家发展改革委联合4部委下发《关于印发海洋工程装备产业创新发展战略（2011－2020）的通知》，国家开始重视海洋工程装备产业。第二年8月份，国务院发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的通知[31]，将海洋工程装备产业的创新发展上升为国家战略的高度，并列入七大战略性新兴产业之一。由此可见，海洋工程装备已经提升到了国家层面，是今后海洋装备发展的主要方向。
目前，随着油气资源开采的深水化，半潜式钻井平台和浮式钻井船已逐步取代传统的导管架式钻井平台、桩腿式钻井平台和座底式钻井平台[27]。半潜式海洋钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率等特点,其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势[26]。但是，半潜式钻井平台在工作时，将伴随波浪的随机运动而产生六个方向的运动[5]，包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、艏摇、纵摇[27]；，这些运动对海洋平台正常的钻井作业造成了极大地影响[6]，这不仅延长了钻井时间，增加了钻井成本，减少平台设备使用寿命，同时会对平台上工作人员的生命和人身安全有着严重的威胁[27]。因此，对半潜式海洋平台进行波浪补偿具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状
由于海、浪、流等因素对海洋平台造成的一系列影响钻井效果的运动，对于浮式钻井而言,目前国内外的主要解决方式是分别对钻柱和隔水管进行升沉补偿。浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统按照控制策略来分类可分为速度补偿型、位移补偿型和力补偿型三种；按照能量供给方式可分为被动、主动和半主动这三种方式；按照安装位置可以分为快绳上装设的升沉补偿系统，死绳上装设的升沉补偿系统，天车上装设的升沉补偿系统和游车与大钩间装设的升沉补偿系统[32]。
1.2.1 国外研究现状
国外对于浮式钻井平台补偿技术的研究起步相对较早。20世纪50年代末，国际上第一次将浮式钻井平台的升沉补偿的问题提出来[32]。当时的采用的解决方法是采用一种被称为“Bumper Sub”的钻柱弹性接头进行补偿。1968年，美国维特克公司开发了一种双液压缸升沉补偿设备，并在1970年开始进行小规模模拟试验，试验成功后将其正式投入生产并运用于海洋平台钻井作业中[32]。美国于1974年研制出的深海采矿装置升沉补偿系统的承载能力已达7500吨[33]，它主要由储能器、气库、补偿液缸以及管路等组成[7][9]。目前，国外升升补偿系统已经实现产品化，出现了一些知名的专业制造商。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本文主要研究内容 4
第二章 半潜式海洋钻井平台空间运动性能分析 6
2.1 半潜式海洋平台的运动性能分析 6
2.1.1 半潜式海洋平台平台结构组成 6
2.1.2 半潜式海洋平台自由度分析 9
2.2 半潜式海洋平台运动学逆解位置分析 9
2.2.1 逆解坐标系的建立 9
2.2.2 半潜式海洋平台的运动学逆解方法 10
2.3 半潜式海洋平台运动学正解位置分析 15
2.3.1 正解坐标系的建立 15
2.3.2 半潜式海洋平台的运动学正解方法 16
2.4 本章小结 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
第三章 基于MATLAB的半潜式海洋平台运动学仿真 18
3.1 MATLAB软件介绍 18
3.2 基于MATLAB软件的半潜式海洋平台运动分析 18
3.2.1 半潜式海洋平台关键点的曲线仿真 18
3.2.2 半潜式海洋平台关键点的曲面仿真 19
3.3 本章小结 21
第四章 基于ADAMSMATLAB联合的半潜式海洋平台运动仿真 22
4.1 ADAMS软件介绍 22
4.2 基于ADAMSMATLAB联合的半潜式海洋平台运动仿真 22
4.2.1 建模与添加约束 22
4.2.2 联合MATLAB添加Spline样条驱动 25
4.2.3 仿真结果分析 27
4.3 结构优化 27
4.4 本章小结 30
结 语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着经济的不断发展，陆地上的油气资源日益枯竭，油气资源的供给问题已经成了世界各国的当务之急，为了解决油气供给与需求之间长期存在的矛盾，石油和天然气勘探已逐步转移到海洋的陆地。有关数据显示，世界上超过百分之九十的海洋深度达到2006000m，因此广阔的深海区域将成为未来能源发展的主战场[1]。
据目前不完全统计[3]，中国南海周边各个国家的已探明的油气当量储量约为77亿桶[27]。据联合国能源信息管理局发布的报告通知[2]，中国的海上石油和天然气资源十分丰富，特别是在中国南海海域，在那里拥有着开采价值极高的石油和天然气资源，已被石油工业届誉为世界第二个“波斯湾”。但是，根据最新考察报告得知，中国南海海域的平均水深为1200m，最深可达5500m[4]，同时由于南海海况恶劣、远离陆地、补给困难，因此海洋石油钻井设备的研究对于我国变得尤为重要。
由于海洋资源开发与应用具有广阔的前景，海洋科技已成为世界各国关注的焦点。2011年9月，国家发展改革委联合4部委下发《关于印发海洋工程装备产业创新发展战略（2011－2020）的通知》，国家开始重视海洋工程装备产业。第二年8月份，国务院发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的通知[31]，将海洋工程装备产业的创新发展上升为国家战略的高度，并列入七大战略性新兴产业之一。由此可见，海洋工程装备已经提升到了国家层面，是今后海洋装备发展的主要方向。
目前，随着油气资源开采的深水化，半潜式钻井平台和浮式钻井船已逐步取代传统的导管架式钻井平台、桩腿式钻井平台和座底式钻井平台[27]。半潜式海洋钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率等特点,其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势[26]。但是，半潜式钻井平台在工作时，将伴随波浪的随机运动而产生六个方向的运动[5]，包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、艏摇、纵摇[27]；，这些运动对海洋平台正常的钻井作业造成了极大地影响[6]，这不仅延长了钻井时间，增加了钻井成本，减少平台设备使用寿命，同时会对平台上工作人员的生命和人身安全有着严重的威胁[27]。因此，对半潜式海洋平台进行波浪补偿具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状
由于海、浪、流等因素对海洋平台造成的一系列影响钻井效果的运动，对于浮式钻井而言,目前国内外的主要解决方式是分别对钻柱和隔水管进行升沉补偿。浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统按照控制策略来分类可分为速度补偿型、位移补偿型和力补偿型三种；按照能量供给方式可分为被动、主动和半主动这三种方式；按照安装位置可以分为快绳上装设的升沉补偿系统，死绳上装设的升沉补偿系统，天车上装设的升沉补偿系统和游车与大钩间装设的升沉补偿系统[32]。
1.2.1 国外研究现状
国外对于浮式钻井平台补偿技术的研究起步相对较早。20世纪50年代末，国际上第一次将浮式钻井平台的升沉补偿的问题提出来[32]。当时的采用的解决方法是采用一种被称为“Bumper Sub”的钻柱弹性接头进行补偿。1968年，美国维特克公司开发了一种双液压缸升沉补偿设备，并在1970年开始进行小规模模拟试验，试验成功后将其正式投入生产并运用于海洋平台钻井作业中[32]。美国于1974年研制出的深海采矿装置升沉补偿系统的承载能力已达7500吨[33]，它主要由储能器、气库、补偿液缸以及管路等组成[7][9]。目前，国外升升补偿系统已经实现产品化，出现了一些知名的专业制造商。
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