海流边界下初始铺管作业建模及半物理仿真

引用本文

许秀军, 李震, 王立权, 张同喜. 海流边界下初始铺管作业建模及半物理仿真[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(3): 803-811
XU Xiu-jun, LI Zhen, WANG Li-quan, ZHANG Tong-xi. Modeling and semi-physical simulation of initial pipe laying under current boundary[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(3): 803-811 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170620
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海流边界下初始铺管作业建模及半物理仿真

许秀军, 李震, 王立权, 张同喜

哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨 150001

通讯作者：王立权(1957-),男, 教授,博士生导师.研究方向:水下特种作业装置与系统技术.E-mail:wangliquan@hrbeu.edu.cn

作者简介:许秀军(1988-),男,博士研究生.研究方向:视景仿真技术,水下特种作业装置与系统技术.E-mail:xuxiujun@hrbeu.edu.cn

基金:国家科技重大专项项目(Z12SJENA0014).

摘要

以“海洋石油201”铺管船为研究对象,综合利用视景仿真技术、网络通信技术以及动力学建模技术,建立了一套铺管作业实时半物理仿真系统,在陆地上实现对海管铺设过程的模拟及工程预演。针对初始铺管作业过程,综合考虑海况条件、船舶动力定位等因素的影响,建立了海流载荷下的初始缆和管道数学模型,探究了初始铺管过程中海流载荷对管道和起始缆形态及受力的动态影响。仿真结果表明:海流载荷会使管线形态发生偏移,在初始铺管过程中要根据海流载荷对张紧器张力和初始缆的长度进行调整,将初始管道准确下放至海床预定区域。初始铺管半物理仿真系统不仅可以对初始铺管过程进行工程预演,还可以为海底管道铺设作业人员提供训练场所。

关键词: 机械工程; 船舶工程; 初始铺管; 海流载荷; 半物理仿真; 工程预演; 视景仿真

中图分类号:TH133;TP183 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)03-0803-09

Modeling and semi-physical simulation of initial pipe laying under current boundary

XU Xiu-jun, LI Zhen, WANG Li-quan, ZHANG Tong-xi

College of Mechanic and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

Abstract

In order to realize simulation and engineering preview of pipe laying on land, a set of real-time semi-physical simulation system for pipe laying operation was established using visual simulation technology, network communication technology and dynamic modeling technology based on the actual data of “Offshore Oil 201” pipe-laying ship. The mathematic model of the initial pipeline and cable system was established considering the influence of current load and dynamic positioning system. The influence of dynamic current load on the shape and stress of the pipeline and cable during the initial laying process was discussed. The pipeline shape will shift under current load. The tension and initial length of the cable can be adjusted according to the current load in the initial pipe laying process, and the initial pipeline can be accurately lowered to the predetermined area of seabed. The real-time semi-physical simulation system can be used for engineering preview in actual initial pipe laying process. It can also be used to train pipe laying operators.

Keyword: engineering mechanoieal; marine engineering; initial pipe laying; current load; semi-physical simulation; engineering preview; visual simulation

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0 引言

海底管道铺设^{[1, 2, 3]}, 是深海油气资源开发的重要手段, 其中初始铺管^[4]是在初始缆牵引下将管道下放至海床预设区域的过程。“ 海洋石油201” 起重船^[5]是我国第一艘具有3000 m深水铺设能力的铺管船, 是我国未来自主开发深海能源的重要装备。

对于海底管道铺设的理论研究, 大部分研究机构都集中在对S型铺管和立管的正常铺设^{[6, 7]}过程进行形态和受力分析, 对海流载荷、动力定位等多因素影响的下初始铺管缆索和管道系统的研究较少。Hval等^[8]对海底立管进行分析, 对建立的管道微分方程的解算方法做出了深入研究。Westgate等^[9]对管道力学模型采用差分法进行求解。Garcí a-Palacios等^[10]对传统自然悬链线基算法进行了简化和修正。许元革^[11]针对不同的情况和边界条件, 对S型铺管的管线形态进行了分段处理, 采用不用算法求解管线的上弯段、中间段和下弯段。虚拟现实技术在美国和西方国家已经有广泛的应用^{[12, 13]}。国内对于海底管道铺设虚拟现实技术的研究只有哈尔滨工程大学和西北工业大学等少数机构^{[14, 15]}。挪威和加拿大对于铺管视景仿真技术的研究已经应用于实际的工程项目中^[16]。

本文根据深水铺管船实际作业数据和工艺流程, 建立了不同的仿真算例, 然后将仿真结果与商业软件OFFPIPE^[17]提供的结果进行对比, 结果表明仿真系统误差保持在5%以内。

1 铺管作业仿真系统

1.1 初始铺管介绍

图1为初始铺管过程示意图。图1中, $h_{l}$ 为张紧器中心与海平面的垂直距离; 点 $P$ 为管线上弯段的起始点; 点 $P_{2}$ 为管线分离点; $R_{s}$ 为托管架曲率半径; $c$ 为点 $P$ 与点 $P_{2}$ 间的水平距离; $θ_{c}$ 为管线脱离角, 是管线在 $P_{2}$ 点处的切线与水平方向的夹角; $L$ 为初始缆长度; $T$ 为缆索张力; $θ_{b}$ 为初始缆与 $X_{0}$ 坐标轴的夹角。初始缆一端通过初始锚固定在预定海床上, 另一端通过初始封头与海底管道连接。管道在甲板工位进行焊接、密封等工序后连接成连续的海底管道, 通过张紧器控制管道的张力和下放速度。铺管船依靠动力定位系统(DP)与张紧器配合不断前进, 逐渐将管道在初始缆的牵引下, 放置到海底, 完成初始铺管的作业, 进入正常铺管过程。

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	图1 初始铺管过程Fig.1 Process of initial pipe laying

1.2 总体功能分析

铺管仿真系统是一个半物理仿真系统^[18], 拥有实际的操作台体和虚拟的三维立体场景。操作人员通过操作台上各功能按键来控制三维立体场景内的铺管船, 从而实现铺管作业的各项操作, 给人一种身临其境的感觉。仿真系统功能框架如图2所示。

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	图2 铺管作业仿真系统总体功能Fig.2 Function of pipe laying simulation system

铺管仿真模拟系统, 拥有铺管过程控制、数据计算和监测以及虚拟场景再现等功能。铺管仿真模拟系统包含铺管控制系统和视景显示系统两大模块。视景显示系统主要是对初始铺管过程中三维动态视景画面进行处理和显示, 包含水下部分和水上部分关键部位的视景监测, 还有甲板管道焊接、密封等过程的视景。

教练员系统是仿真系统的管理员, 可以监测所有的数据和视景画面, 制定仿真训练科目, 具有系统最高权限。

1.3 仿真系统总体方案

1.3.1 硬件系统

铺管仿真系统硬件由张紧器控制台、主控系统服务器、视景服务器(主视景、甲板视景、监控视景)、网络交换机、DP控制台、教练员控制台、立体投影设备7部分组成。铺管仿真模拟系统共包含12台显示器, 分别对应主控系统软件操作界面、8台监控工位视景显示、1台甲板工位视景显示、教练员操作界面、教练员辅助操作界面。DP控制台和张紧器控制台各自独立包含自己的软件系统和控制界面。系统硬件布局如图3所示。

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	图3 铺管仿真系统硬件Fig.3 Hardware of simulation system

1.3.2 软件系统

仿真软件系统主要包含4部分:铺管控制模块、张紧器软件模块、视景系统、DP软件模块。DP操作台软件用来控制铺管船的定位和移船操作, 船舶姿态的监测和控制。张紧器操软件模块主要是实现数据的采集、数据的信号转换、网络通信、绞车控制以及张紧器的软件操作。铺管仿真系统软件如图4所示。

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	图4 仿真系统软件划分Fig.4 Software of simulation system

铺管控制模块提供仿真系统的软件操作界面, 该界面可以进行参数输入、输出以及数据监测, 数学模型的解算在该部分实现, 而且铺管集成控制系统提供与其他子系统的软件接口, 包括与DP操作台的软件接口、与张紧器操作台的软件接口、与视景系统的软件接口。

视景系统主要包括驱动模块和视景模块, 视景模块采用3D MAX进行建立和渲染, 驱动模块是基于QUEST-3D平台开发。视景系统包括:铺管船视景、外部海洋大气环境视景、托管架监控视景、张紧器视景、水下海洋环境视景、管道形态视景等内容。部分视景效果如图5所示。

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	图5 铺管三维视景Fig.5 3D scene of pipe laying

2 初始铺管数学模型

初始铺管作业系统建模主要分为铺管系统建模和船舶运动系统建模。

2.1 船舶运动数学模型

图6为船体坐标系示意图, 选空间固定不动的一点为世界坐标系原点, $OXYZ$ 为随船平动坐标系。

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	图6 船体坐标系示意图Fig.6 Schematic of ship coordinate system

起重船刚体动力学模型如下:

$M_{RB} \overset{\cdot}{v} + C_{RB} (v) v = τ_{RB} (1)$

式中: $M_{RB}$ 为刚体质量矩阵^[19] ; $v$ 为广义速度和广义角速度, $v = {[u, κ, w, p, q, r]}^{T}; τ_{RB}$ 为在坐标系 ${b}$ 下的广义力和广义力矩, $τ_{RB} = [X, Y, Z, K, M, N]; C_{RB}$ 为刚体科里奥利项和向心力矩阵。

船舶在航行过程中, 不仅要考虑自身动力学, 还要考虑船舶运动过程中的水动力问题^[20], 水动力问题可以分为附加质量和水阻尼力两类。在考虑水动力情况下, 起重船刚体动力学模型最终表示为:

$\begin{array}{l} M_{RB} \overset{\cdot}{v} + C_{RB} (v) v + M_{A} {\overset{\cdot}{v}}_{r} + C_{A} (v_{r}) v_{r} + D (v_{r}) v_{r} = \\ τ_{wind} + τ_{wave} + τ_{current} + τ_{control} (2) \end{array}$

式中: $M_{A} {\overset{\cdot}{v}}_{r} + C_{A} (v_{r}) v_{r}$ 为水动力项, $M_{A}$ 为水动力产生的附加质量矩阵, $C_{A}$ 为水动力产生的科氏向心力矩阵; $v_{r}$ 为船体相对于海水的航速; $τ_{wind} 、 τ_{wave} 、 τ_{current}$ 分别为风、波浪和海流载荷 $; τ_{control}$ 为船舶螺旋桨推力。

质量矩阵(包括附加质量)表示为:

$\begin{array}{l} M_{RB} = \\ [\begin{array}{l} M & 0 & 0 & 0 & M Z_{GC} & - M Y_{GC} \\ 0 & M & 0 & - M Z_{GC} & 0 & - M X_{GC} \\ 0 & 0 & M & M Y_{GC} & - M X_{GC} & 0 \\ 0 & - M Z_{GC} & M Y_{GC} & I_{44} & I_{45} & I_{46} \\ M Z_{GC} & 0 & - M X_{GC} & I_{54} & I_{55} & I_{56} \\ - M Y_{GC} & M X_{GC} & 0 & I_{64} & I_{65} & I_{66} \end{array}] (3) \end{array}$

式中: $I_{ij} (i = j)$ 为船体绕 $O_{b} x 、 O_{b} y$ 和 $O_{b} z$ 三个坐标轴的惯性矩; $I_{ij} (i \neq j)$ 为在 $O_{b} xy 、 O_{b} yz$ 和 $O_{b} zx$ 三个平面内的惯性积; $X_{G} 、 Y_{G}$ 和 $Z_{G}$ 为船体重心在惯性坐标系下的位置坐标。

为了便于编程计算, 将 $C_{RB} (v)$ 进行变换, 首先将 $M_{RB}$ 表示为:

$M_{RB} = M_{RB}^{T} = [\begin{array}{l} M_{11} & M_{12} \\ M_{22} & M_{22} \end{array}] > 0 (4)$

由此:

$C_{RB} (v) = [\begin{array}{l} 0_{3 \times 3} & - M_{11} v_{1} + M_{12} v_{2} \\ - M_{11} v_{1} + M_{12} v_{2} & - M_{21} v_{1} + M_{22} v_{2} \end{array}] (5)$

式中: $v_{1}$ 为线速度矢量, $v_{1} = {[u, κ, w]}^{T}$ ; $v_{2}$ 为角速度矢量, $v_{2} = {[p, q, r]}^{T}$ 。

2.2 海流载荷数学模型

在海底管道铺设计算中, 一般将海流看作常值海流, 海流的流向在一段时间内保持不变^[21]。在无实测海流速度数据情况下, 用经验公式来计算海面以下某处的海流速度^[22]:

$v = v_{m} \frac{h}{H} + v_{t} {(\frac{h}{H})}^{\frac{1}{7}} (6)$

式中:v_m为海面的风流流度, m/s; v_t为海面的潮流流度, m/s; $H$ 为水深, m; $h$ 为计算海流处离海底的深度, m。

以南海海域的海流数据为依托, 将作用于管线上的海流力简化成从上而下逐渐减小的稳定梯度力^[23], 这种海流梯度力是由海水流动引起的对管线的一种拖拽力:

$F_{c} = \frac{1}{2} Dρ C_{D} v_{\max}^{2} (7)$

式中:F_c为管道单位长度上的海流载荷, N; $v_{\max}$ 为海流的最大速度, m/s; $ρ$ 海水的密度, kg/m³; $D$ 为管道的外径, m; C_D为管道拖拽力系数。

2.3 管道数学模型

2.3.1 管道受力分析

对管道取一微段进行分析, 在自然坐标系 $(θ, s)$ 下建立管道微段的平衡微分方程^[24]。管道微段受力如图7所示。图中, $F$ 为管道剪力分量; $T$ 为管线张力; $f (s)$ 为海流引起的外部载荷; $θ$ 为管道单元倾角; $C$ 为海流方向; $w$ 为管道浮重度, 即单位管道长度在海水中的质量。

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	图7 管道微段受力图Fig.7 Force analysis of micro pipeline segment

根据图7可知, 海流引起的拖拽力为:

$f (s) = f_{c} \sin θ = \frac{1}{2} Dρ C_{D} v |v| \sin θ (8)$

沿单元轴向的法线对力进行分解得到:

$d F - T d θ + w \cos θ d s + f (s) d s = 0 (9)$

在经典梁理论中有:

$M = EI \frac{d θ}{d s}, F = \frac{d M}{d s} (10)$

将式(10)代入管道微段受力平衡方程, 可得:

$EI \frac{d^{3} θ}{d s^{3}} - T \frac{d θ}{d s} + w \cos θ + f (s) = 0 (11)$

式中: $EI$ 为管道弯曲刚度。

2.3.2 初始缆受力分析

对于初始缆同样采用微段进行受力分析(见图8)。设微段长度为 $d s$ , 两端受到的拉力分别为 $T_{c}$ 和 $T_{c} + d T_{c}$ , 在起始缆自重和海水浮力的情况下, 管道受到的轴向张力变大, 且产生一定的转角 $d φ$ 。

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	图8 初始缆微段受力图Fig.8 Force analysis of micro cable segment

忽略海流载荷对起始缆的影响, 根据缆索单元轴向受力平衡, 可以得到:

$(T_{c} + d T_{c}) = w_{c} ds \sin φ + T_{c} (12)$

式中:w_c为起始缆的浮重度(单位长度缆索在水中的质量); $φ$ 为缆索单元倾角。

缆索的浮重度w_c可以根据以下公式计算得到:

$w_{c} = \frac{π D_{c}^{2}}{4} g (0.7 ρ_{c} - ρ_{w}) (13)$

式中:D_c为缆索直径, m; ρ _c为缆索钢材密度, kg/m³; ρ _w为海水密度, kg/m³。

3 仿真实例及其结果分析

3.1 仿真案例介绍

为进一步分析初始铺管作业过程中管线和缆索的响应状态, 验证动力学模型的正确性, 参照实际的初始铺管作业施工过程, 制定初始铺管仿真案例, 采用数值解法, 对数模模型进行求解。图9为初始铺管视景仿真过程中的数据流框图。

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	图9 铺管作业视景仿真数据流图Fig.9 Data flow diagram of pipe laying visual simulation

仿真过程中, 系统不停地读取船体运动参数和海况参数, 并在计算模块中实时地计算出管道和缆索的形态、受力以及对异常情况的判断, 计算结果再实时反馈给船舶运动系统。为了降低数学模型在实时计算过程中的累积误差, 本仿真系统采用了计算方法简洁、计算量少、收敛速度快的布拟牛顿法。

3.2 初始铺管算法准确性验证

为验证仿真系统准确性, 利用仿真系统对管道静态铺设进行模拟, 得到不同水深条件下管道和初始缆的形态。仿真案例中海况参数和海管参数分别如表1和表2所示。

表1 铺管仿真案例海况参数 Table 1 Sea state parameters

表2 海管和缆绳参数 Table 2 Pipe and cable parameters

图10为管线下放到不同水深情况下管线和缆索的形态, 将仿真案例采集到的数据和商业软件OFFPIPE(由海洋石油工程股份有限公司提供)得到的理论数据放在一起进行对比。OFFPIPE是海上石油工业最权威的铺管分析软件, 其计算结果通过大量铺管实际数据验证, 在国际上具有很高的一致认同性^[18]。其对比结果如图10(a)~10(d)所示, 实线是本仿真系统采集的数据, 虚线是OFFPIPE专业软件提供的数据。

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	图10 初始铺管不同水深下管道和缆索形态曲线Fig.10 Pipe and cable shapes of initial pipelaying under different water depth

将仿真系统的结果与OFFPIPE结果进行对比验证, 可以看出管道和缆索的形态吻合较好, 误差基本保持在5%以内。从图10还可以看出:随着初始铺管作业的进行, 管道长度逐渐增加, 管道与初始缆连接点逐渐降低, 缆索触底点的位置先远离铺管船后再靠近铺管船, 直至海管完全放置到海床, 进入正常铺管过程。

3.3 海流边界下初始铺管动态分析

在管道初始铺设过程中, 为便于分析海流对管道形态及受力的影响, 取铺设长度 $L$ 分别为200 m、1200 m两种状态, 设置海流方向为0° , 流速分别为0.0、1.0、2.0 m/s, 管道和缆索的形态和受力如图11~图13所示。

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	图11 不同海流速度下的管道和缆索形态Fig.11 Pipe and cable shapes under different current velocity

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	图12 不同海流速度下的管道和缆索轴向力Fig.12 Axial forces of pipe and cable under different current velocity

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	图13 不同海流速度下的管道弯矩分布Fig.13 Pipe bending moment under different current velocity

海底管道顺着海流的方向进行铺设, 海流方向平行于船行方向。从图11中海流作用下的管道和缆索形态随海流变化的响应曲线看出:当流速从0 m/s增大到2 m/s的过程中, 管线和缆绳受到海流的影响, 整体形态上部因大梯度海流力的作用朝船尾方向移动, 管道和缆索整体形态下部远离船尾, 触底点水平向远离船尾方向移动, 整体形态趋于平缓。缆索形态受到海流影响较管线小得多。

图12为不同流速下, 管道铺设长度分别为200 m和1200 m时管道和缆绳的轴向力。

从图12可以看出, 海流速度的改变对缆索轴向力影响小, 对管道的轴向力影响大。在海管触底后, 随着海流速度的增大, 会引起管道轴力明显增大, 当海流速度从0 m/s增加到2 m/s时, 张紧器张力从305 kN增加到365 kN。这是因为海管的外径远比缆绳的外径大的多, 会承受更大的海流拖拽力。

图13为不同流速下, 管道铺设长度分别为200 m和1200 m时管道承受的弯矩。

从图13中可以看出, 在管道反弯点之前管道的弯矩无明显变化, 当初始铺管反弯点出现后, 下弯段的弯矩逐渐增大。管线下放至200 m时, 海流的流速改变对于管道弯矩的影响不大, 当海管触底后, 管道所受弯矩随着海流的增大而变小, 原因从图10可以得知, 顺向的海流会使管线的形态趋于平缓, 曲率减小, 有利于铺管作业。

4 结论

以“ 海洋石油201” S型铺管船为研究对象, 综合利用视景技术、动力学建模技术、网络通信技术以及半物理仿真技术, 建立了一个海底管道铺设模拟的半物理仿真系统。

(1)海流的流速增大会造成初始铺管过程中管道和缆索形态发生顺向偏移, 并且随着管道下放的深度增加, 形态偏移越大。

(2)在管道初始铺设过程中, 在海流载荷的作用下, 管道的整体张力明显变大, 管道触底时当海流速度从0 m/s增加到2 m/s时, 张紧器张力从305 kN增加到365 kN, 在铺管作业中, 海流对管道张力的影响必须要考虑到, 仿真案例的数据可以作为实际施工作业工艺制定的参考依据。

(3)顺向海流会减小管道的弯矩, 在实际铺管施工作业过程中, 要考虑海流载荷制定管道铺设的施工方案, 如果海流方向发生改变, 需要对施工方案进行调整。

通过与商业软件OFFPIPE提供结果对比, 仿真系统得到的曲线与OFFPIPE曲线基本一致, 误差保持在5%以内, 证明了本文作业理论分析算法的准确性。初始铺管半物理仿真系统能够实时地获得初始铺管过程中管道和缆索的动态特性, 可为初始铺管海上实际施工作业进行工程预演, 提前发现问题, 调整施工方案。

The authors have declared that no competing interests exist.

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... 0 引言海底管道铺设^[1,2,3],是深海油气资源开发的重要手段,其中初始铺管^[4]是在初始缆牵引下将管道下放至海床预设区域的过程 ...

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0.0

... 0 引言海底管道铺设^[1,2,3],是深海油气资源开发的重要手段,其中初始铺管^[4]是在初始缆牵引下将管道下放至海床预设区域的过程 ...

2015

0.0

... 0 引言海底管道铺设^[1,2,3],是深海油气资源开发的重要手段,其中初始铺管^[4]是在初始缆牵引下将管道下放至海床预设区域的过程 ...

2015

0.0

... 0 引言海底管道铺设^[1,2,3],是深海油气资源开发的重要手段,其中初始铺管^[4]是在初始缆牵引下将管道下放至海床预设区域的过程 ...

2014

0.0

... 起重船^[5]是我国第一艘具有3000 m深水铺设能力的铺管船,是我国未来自主开发深海能源的重要装备 ...

2015

0.0

... 对于海底管道铺设的理论研究,大部分研究机构都集中在对S型铺管和立管的正常铺设^[6,7]过程进行形态和受力分析,对海流载荷、动力定位等多因素影响的下初始铺管缆索和管道系统的研究较少 ...

2012

0.0

2015

0.0

... Hval等^[8]对海底立管进行分析,对建立的管道微分方程的解算方法做出了深入研究 ...

2013

0.0

... Westgate等^[9]对管道力学模型采用差分法进行求解 ...

2009

0.0

... a-Palacios等^[10]对传统自然悬链线基算法进行了简化和修正 ...

2012

0.0

. 2012, :-

Real-time dynamic simulation research on the deepwater pipelay crane vessel operation

深水铺管起重船作业实时动力学仿真研究

Xu Yuan-ge

许元革

深水铺管起重船作业视景仿真系统是以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，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。

... 许元革^[11]针对不同的情况和边界条件,对S型铺管的管线形态进行了分段处理,采用不用算法求解管线的上弯段、中间段和下弯段 ...

2003

0.0

... 虚拟现实技术在美国和西方国家已经有广泛的应用^[12,13] ...

2007

0.0

... 虚拟现实技术在美国和西方国家已经有广泛的应用^[12,13] ...

2011

0.0

. 2011, :- DOI:doi:10.7666/d.y2053555

Research on pipelaying vessel visual simulation system #cod#x00026; software development and integration

起重铺管船作业视景仿真及软件开发集成技术研究

Tian Qing-yuan

田庆元

“海洋石油201”是世界上第一艘同时具备3000米深水铺管能力、4000吨级重型起重能力和DP3级全电力推进的动力定位的深水铺管起重工程作业船。本人所属课题组开发了一套视景仿真培训系统,模拟“海洋石油201”的铺管和起重作业过程。本论文的主要研究方向是仿真船舶在不同海况下,自由航行时的运动情况,开发仿真系统的配套软件,并集成和调试仿真系统。铺管和起重两个作业过程都是非常复杂的。概述了两种作业涉及到的主要装备和作业过程。分别从软件开发和硬件层架构两个方面,阐述了深海起重铺管船作业仿真系统的组成。软件开发包括三维模型模块、数据库模块、人机交互界面、动力学仿真系统。硬件上由DP控制系统、模拟操作台、视景仿真服务器组成。并从数据流的角度详述了硬件子系统间和核心软件模块内部的数据交流和转换。这套系统不仅仅是单纯的视景仿真,还包括动力学的仿真。因此除了利用软件的内置动力学模块,还建立了三个数学模型,起着扩充海洋动力学模块的功能。依据“海洋石油201”的设计参数,论述利用海浪谱密度函数对随机波浪模型建模和编程的方法,利用虚拟仿真软件对船舶在不同海况下、自由航行时的运动情况进行仿真。对传统铺管理论和吊机运动学理论进行了阐述,并比较不同理论间的优缺点,结合本项目开发的数学模型,给出了软件实现。人机交互软件的前台功能是显示数据输入、输出面板和显示仿真画面,后台功能是封装虚拟仿真控件、集成各个子功能模块、数学模型模块,是软件系统的核心模块。描述软件的主界面布局,并对界面上的不同控件进行了二次开发。以典型的子功能模块为例介绍了一般开发技术。深海铺管起重船作业视景仿真系统是一套半物理仿真系统,不同的硬件子系统间存在着数据的交换。这个功能由网络模块负责。分析子系统间传输的数据构成和特点,设计用于信息交换的数据包,利用UDP协议建立硬件子系统间的通信。核心软件内部同样存在着数据流的交换,其中一部分是视景仿真控件和人机交互界面间的交换。分析二者间的数据结构和交换流程。集成界面和各子功能模块,使之成为软件系统。为了验证软件集成的效果,仿真铺管和起重两个重要作业过程。总结系统集成和仿真过程中遇到的一些问题。

... 国内对于海底管道铺设虚拟现实技术的研究只有哈尔滨工程大学和西北工业大学等少数机构^[14,15] ...

2006

0.0

. 2006, :- DOI:doi:10.7666/d.y930300

Development of virtual simulation system based on OpenGL

基于OpenGL的虚拟视景仿真平台开发

Jin Yan-tong

金岩通

“基于OpenGL的虚拟视景仿真平台”的研究、开发及应用是学校研究生院的一项创新种子基金。本研究面向工程应用，设计和开发有较高实用价值的虚拟视景仿真平台。本论文围绕“基于OpenGL的虚拟视景仿真平台”的设计、开发及实现过程而展开，本文主要研究工作及所取得的研究成果如下： 1．基于MFC和OpenGL的软件开发环境，实现了虚拟视景仿真平台。该平台主要功能包括：虚拟环境的管理、维护和虚拟场景的逼真显示等功能，提供实现对对象的管理，如真实感图形显示、三维场景管理、声音管理、地形调度、粒子系统、网络接口连接、实现对对象的交互及实时对象维护等功能。 2．分析并研究了diamond-square分形算法生成随机的地形模型；分析并研究了读取真实地形数据建造地形的方法，生成了真实的地形模型。用以上两种方法实现了地形的漫游、飞行浏览、多角度观测和动态实时显示，地形模型显示及调度达到了实时、形象、逼真。 3．设计并实现了多视点、多角度、全方位的实时视点观测方法，并建立了一整套随任意控制视点进行局部或全局的观测场景的方法。为用户进行微观和宏观观察仿真进程及虚拟视景提供了便利的途径。 4．设计了基于粒子系统的特殊效果，把粒子系统的行为模型和几何模型统一起来，对粒子系统的属性及随机性作了理论性的分析研究，并对粒子系统进行了参数化设计和实时绘制。 5．对openGL的纹理映射技术及原理进行阐述，并摸索出一套合理的纹理映射方法，在使用过程中实现了对纹理的管理。利用纹理映射技术实现了虚拟场景中场景和物体的贴图。随着软件功能的发展和完善“基于OpenGL的虚拟视景仿真平台”可被广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事仿真等行业。

... 国内对于海底管道铺设虚拟现实技术的研究只有哈尔滨工程大学和西北工业大学等少数机构^[14,15] ...

2013

0.0

. 2013, :-

Design and research on visual simulation system of deepwater

深水铺管作业视景仿真系统设计研究

Liu Chong

刘冲

深水铺管作业是一个十分复杂的过程,在恶略的海洋环境下,不但要保证铺管船与管线,托管架,张紧器及海流之间的协调工作,还要保证铺设管道的安全性和完整性。而目前国内深水管线铺设领域的研究尚少,深水铺管作业的视景仿真系统也尚未进行过研发,依托十二五国家科技重大专项,“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”重大课题…“深水海底管道铺设技术”,为了能够在陆地上对相关人员进行铺管作业培训演练,降低铺管实时作业差错,避免重大工程事故的发生,以保障船员的安全,及资金的合理利用,本文开发了基于“海洋石油201”号的铺管作业视景仿真系统。在对“海洋石油201”号深水铺管起重船的铺管作业工艺流程及关键设备深入了解吸收的基础上,在系统设计前期,对培训人员的特性及所能接受的培训过程进行了深入剖析。并且研究了视景仿真系统与现实世界的关系。在系统设计过程中,在保证功能实现的前提下,在人机交互方面,对软件界面考虑了如下因素：一致性,兼容性,适应性,指导性,结构性,提示性等。并从视觉认知角度,对界面设计提出了一定要求。对视景模块也从视觉认知角度考虑了如下因素：静态画面效果,动态画面效果,画面沉浸感及操作相应的及时性。本文依据系统分析的原理,对系统功能模块进行分解、研究；设计出仿真培训系统的硬件架构和软件架构,并且实现了仿真系统的部分功能。在系统设计过程中,对于与本课题相关的自动控制、数据通讯、数学模型、系统集成等技术问题也进行了调研、学习,重点考虑了各功能模块(仿真成员)之间的数据通讯关系和数据接口问题。根据仿真系统地具体需求,对核心技术之一：可视化模块进行了重点研究和开发设计。基于三维仿真技术和设计学有关理论构建起仿真过程所需的超写实视景模型。本文结构上,主要由三部分组成：系统方案设计,系统可视化模块技术实现,系统评价与反馈。其中系统方案设计主要是系统需求分析,总体功能设计(功能分析,系统逻辑结构设计,系统程序执行流程设计),硬件总体方案设计,软件方案设计(系统软件架构设计,系统数据流程设计,系统软件主界面设计),系统核心技术概要(可视化模块研究,数学模型系统研究,集成技术研究)。系统可视化模块技术实现包括铺管作业过程视景概述,铺管过程部分功能实现等)。而系统评价与反馈包括系统评价理论与铺管作业仿真系统评价与反馈,为下一步工作奠定了基础。

... 挪威和加拿大对于铺管视景仿真技术的研究已经应用于实际的工程项目中^[16] ...

2011

0.0

... 本文根据深水铺管船实际作业数据和工艺流程,建立了不同的仿真算例,然后将仿真结果与商业软件OFFPIPE^[17]提供的结果进行对比,结果表明仿真系统误差保持在5%以内 ...

2006

0.0

... 2 总体功能分析铺管仿真系统是一个半物理仿真系统^[18],拥有实际的操作台体和虚拟的三维立体场景 ...

... OFFPIPE是海上石油工业最权威的铺管分析软件,其计算结果通过大量铺管实际数据验证,在国际上具有很高的一致认同性^[18] ...

2003

0.0

... 式中: MRB为刚体质量矩阵^[19] ...

2015

0.0

... 船舶在航行过程中,不仅要考虑自身动力学,还要考虑船舶运动过程中的水动力问题^[20],水动力问题可以分为附加质量和水阻尼力两类 ...

2012

0.0

... 2 海流载荷数学模型在海底管道铺设计算中,一般将海流看作常值海流,海流的流向在一段时间内保持不变^[21] ...

2010

0.0

... 在无实测海流速度数据情况下,用经验公式来计算海面以下某处的海流速度^[22]: ...

2014

0.0

... 以南海海域的海流数据为依托,将作用于管线上的海流力简化成从上而下逐渐减小的稳定梯度力^[23],这种海流梯度力是由海水流动引起的对管线的一种拖拽力: ...

2017

0.0

... 对管道取一微段进行分析,在自然坐标系 (θ,s)下建立管道微段的平衡微分方程^[24] ...