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海洋地震拖缆姿态动态仿真研究

作　者: 吴喆莹
导　师: 张维竞
学　校: 上海交通大学
专　业: 轮机工程
关键词: 海洋地震拖缆动力学模型广义α算法动态仿真
分类号: P715
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 36次
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内容摘要

随着全球经济的增长,人类对石油天然气的需求急速增加,海洋石油资源日益成为各国争夺的战略重点,在此背景下,海洋勘探技术已成为我国急需发展的重要领域。海洋资源勘探系统为技术密集度高、学科跨度大的复杂系统,其中,地震拖缆是关键的勘探设备之一,目前用于勘探的地震拖缆大多有三千到八千米长。在实际海上勘探作业过程中,勘探信号采集的稳定和有效性对拖缆深度和间距的控制有着一定的要求,这对于长数千米的水下拖缆而言并不容易。要解决这个控制问题的一个关键就在于准确预报拖缆姿态、掌握拖缆动力学特性。本文以海洋地震拖缆系统为研究对象,在前人研究成果的基础上,用微元法建立了拖缆系统三维动力学模型,对拖缆方程在空间上运用有限差分算法、在时间上用广义α算法离散求解,运用计算机仿真技术研究了拖缆在稳态工况下的姿态和缆上张力分布情况以及在动态工况下拖缆的深度和张力变化情况,实现了海洋地震拖缆姿态仿真。同时,对拖缆姿态主动控制策略进行了探索。本文通过理论分析指出了传统有限差分算法在时域上存在的缺陷,将广义α算法引入拖缆三维模型求解,并通过实际算例验证了该算法的优越性,得出该算法适用于非线性拖缆方程求解的结论；通过计算机仿真,得出了拖缆在匀速直线航行、回转航行、变速直线航行以及升沉运动等工况下,拖缆深度和张力的变化规律及特性,为拖缆控制研究提供有效依据；针对拖缆运动特点,提出了实现拖缆深度方向和水平方向主动控制的基本思想,并基于李雅普诺夫方法设计了拖缆水平方向的有效控制策略。本文对拖缆模型的求解方法与仿真计算结论对海洋地震拖缆的研究与控制有一定的参考价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-22
  1.1 课题背景  11-18
    1.1.1 世界海洋油气资源现状  11-14
    1.1.2 海洋勘探技术  14-16
    1.1.3 海洋地震勘探技术  16-18
  1.2 海洋地震拖缆姿态控制的意义  18-19
  1.3 本文主要研究内容和方法  19-22
第二章海洋地震拖缆系统动力学模型  22-31
  2.1 拖缆坐标系  22-24
    2.1.1 坐标系定义及变换  22-24
    2.1.2 坐标系转换中的微分关系  24
  2.2 海洋地震拖缆数学模型  24-29
    2.2.1 基本假设  24-25
    2.2.2 拖缆力平衡方程  25-27
    2.2.3 拖缆运动方程  27
    2.2.4 拖缆边界条件  27-28
    2.2.5 拖缆控制方程  28-29
  2.3 拖缆模型的线性化  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章海洋地震拖缆系统模型求解  31-42
  3.1 基于有限差分算法的拖缆控制方程空间离散  31-32
  3.2 基于广义α算法的拖缆控制方程时间离散  32-37
    3.2.1 有限差分算法时域局限性  32-34
    3.2.2 广义α算法  34-37
    3.2.3 拖缆方程时间离散  37
  3.3 拖缆方程的全离散形式  37-38
  3.4 拖缆离散方程求解  38-41
    3.4.1 松弛法求解原理和过程  39-40
    3.4.2 松弛法在拖缆离散方程求解中的应用  40-41
  3.5 本章小结  41-42
第四章海洋地震拖缆姿态仿真  42-55
  4.1 对广义α算法优越性验证的仿真计算  42-46
  4.2 典型工况下拖缆姿态仿真  46-54
    4.2.1 拖缆系统稳态仿真  46-50
    4.2.2 拖缆系统动态仿真  50-54
  4.3 本章小结  54-55
第五章海洋地震拖缆主动控制策略  55-66
  5.1 嵌入式(直接式)拖缆控制器及定位系统  55-56
  5.2 拖缆系统主动控制原理  56-58
  5.3 基于李雅普诺夫理论的拖缆水平方向控制策略  58-65
    5.3.1 水鸟控制系统模型  58-59
    5.3.2 振动控制策略  59-62
    5.3.3 控制策略仿真计算  62-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章总结与展望  66-69
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 研究展望  67-69
参考文献  69-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间发表论文  73

海洋地震拖缆姿态动态仿真研究

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