深海海底钻机硬着底动力学建模与分析

doi:10.3901/JME.2023.23.146

机械工程学报 ›› 2023, Vol. 59 ›› Issue (23): 146-157.doi: 10.3901/JME.2023.23.146

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深海海底钻机硬着底动力学建模与分析

刘鹏, 金永平, 刘德顺, 万步炎

湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室湘潭 411201

收稿日期:2023-02-10 修回日期:2023-07-20 发布日期:2024-02-20
通讯作者: 金永平(通信作者)，男，1984年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为海洋矿产资源探采技术与装备、机械系统动力学。E-mail：jinyongping@hnust.edu.cn
作者简介:刘鹏，男，1995年出生，博士研究生。主要研究方向为海洋矿产资源探采技术与装备、机械系统动力学。E-mail：lp@mail.hnust.edu.cn；刘德顺，男，1962年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为多学科稳健优化设计、机械系统动力学、海洋矿产资源探采技术与装备。E-mail：liudeshun@hnust.edu.cn；万步炎，男，1964年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为海洋矿产资源探采技术与装备。E-mail：cimrwby@vip.sina.com
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFC2805904)、国家自然科学基金(52275106)和湖南创新型省份建设专项经费(2020GK1021)资助项目。

Dynamics Modeling and Analysis of Seafloor Drill Hard Landing

LIU Peng, JIN Yongping, LIU Deshun, WAN Buyan

National-Local Joint Engineering Laboratory of Marine Mineral Resources Exploration Equipment and Safety Technology, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201

Received:2023-02-10 Revised:2023-07-20 Published:2024-02-20

摘要/Abstract

摘要： 以三支腿深海海底钻机为研究对象，为实现其水下布放时安全着底，针对钻机硬着底进行动力学建模与分析。首先，构建考虑钻机机体平面运动、脚板空间运动的7自由度钻机着底动力学模型；然后，通过法向考虑重复动加载问题、切向引入修正摩擦系数建立脚板-底质接触力模型，采用等效弹簧-阻尼法建立支腿轴向力模型，并同时考虑钻机与海水间的摩擦阻力及水动力等因素；最后，以我国“海牛Ⅱ号”深海海底钻机为例，对“海牛Ⅱ号”的着底过程进行数值仿真分析。结果表明：“海牛Ⅱ号”在硬着底过程中，钻机机体最大偏转角未超过1°，支腿脚板最大沉陷深度约为0.19 m，支腿油缸所受最大轴向力为714.9 kN，约为钻机自重下支腿静态轴向负载的12倍，机体质心最大合加速度为53.6 m/s²(约5.5g)，各项响应数值均在设计允许范围内，钻机在设定工况条件下能够实现安全可靠着底。

关键词: 海底钻机, 硬着底, 动力学, 海底底质

Abstract: In order to achieve a safe landing for seafloor drill at the underwater deployment stage, a hard-landing dynamic model is established for a deep-sea drilling rig with three supporting-legs. The model has 7-DOF, which are the plane motion of the main-body and the space motion of the footpad, and it elaborates the contact force between footpad and sediment by considering repeated dynamic loading in normal direction and introducing modified friction coefficient in tangential direction, builds the axial force of struts based on equivalent spring damping method, surely considers the friction resistance and hydrodynamic force between drilling rig and seawater simultaneously. Based on above model, the numerical simulation analysis of the hard-landing process of the "Seabull Ⅱ" seafloor drill is carried out, the results show that during hard landing, the maximum deflection angle of the drill’s main-body does not exceed 1 °, the maximum sinking depth of the footpad is about 0.19 m, the maximum axial force on the struts’ hydraulic cylinder is 714.9 kN, which is about 12 times of the static axial load of the strut under the dead weight of the drill, and the maximum resultant acceleration of the center of mass of the main-body is 53.6 m/s² (about 5.5g). To sum up, all dynamic responses are within the design allowable range, so the seafloor drill can achieve safe and reliable landing under the setted working conditions.

Key words: seafloor drill, hard landing, dynamics, deep-sea sediment

中图分类号:

TH122

刘鹏, 金永平, 刘德顺, 万步炎. 深海海底钻机硬着底动力学建模与分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 146-157.

LIU Peng, JIN Yongping, LIU Deshun, WAN Buyan. Dynamics Modeling and Analysis of Seafloor Drill Hard Landing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(23): 146-157.

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