海底多金属硫化物取样钻机支撑系统设计及着底动力学分析

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作为海洋矿产资源勘探和海底底质勘察的关键技术装备,海底钻机在可燃冰探采、油气资源勘探和金属矿产资源调查等领域得到了广泛的应用,已经成为了时下热门的海底钻探取样装备之一。支撑系统是保持海底钻机平衡稳定,实现钻机调平、钻进的重要设备,对海底钻机的重量扩展、适应岩层突变、高取芯质量以及可靠性等方面都具有决定性作用,其设计与分析直接决定了海底钻机对复杂海底底质的适应能力。本文以海底多金属硫化物取样钻机为研究对象,从支撑系统各部件的设计与校核、支撑系统支腿缓冲油缸缓冲原理分析与缓冲模型建立、不同初始条件下海底钻机着底动力学特性以及海底钻机着底碰撞仿真四个方面开展研究。主要研究工作如下:(1)根据海底多金属硫化物取样钻机支撑系统的任务需求,结合现有的海底钻机支撑系统设计方法,进行海底多金属硫化物取样钻机支撑系统的总体结构设计以及关键部件的校核。包括确定支撑系统总体布局方案、支撑系统结构设计、支腿缓冲油缸设计和校核以及支腿缓冲油缸缓冲能力分析。(2)基于支腿缓冲油缸缓冲模型,综合海底多金属硫化物力学性能,建立海底多金属硫化物取样钻机着底动力学模型,通过MATLAB进行着底动力学方程求解,研究钻机重量、跌落高度、支腿缓冲油缸性能和底质倾角对支撑系统着底动态特性的影响。(3)对海底钻机三维模型进行适当简化,建立海底多金属硫化物取样钻机着底动力仿真模型,基于Hyper Mesh和LS-DYNA对不同钻机重量和不同下放高度的海底钻机进行着底碰撞仿真分析。仿真结果表明本文设计的海底多金属硫化物取样钻机支撑系统符合设计需要,当海底钻机重量不超过14t时,海底钻机跌落高度在5m以内均可保证海底钻机各系统元件不发生结构破坏或失效,海底多金属硫化物取样钻机支撑系统工作稳定、可靠。本文的研究可为海底钻机适应多金属硫化物等硬质海底底质提供理论基础,对海底钻机支撑系统的模块化设计、开发具有缓冲装置的海底钻机支撑系统以及提高海底钻机各系统元件的工作寿命具有重要意义。
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