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水下法兰联接机具优化设计与仿真研究

作　者: 林秋红
导　师: 房晓明
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 水下法兰联接机具位姿调节机构有限元分析优化设计流体动力学仿真
分类号: TH131
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

深水油气开采是全球能源战略的重点之一,中国已经开始重视并加强对海洋石油自动化作业装备的发展。本文重点进行了水下法兰联接机具结构的设计和研究,目标是在2010年研制出水下法兰联接机具的试验样机并进行水池试验,为将来工程样机的设计制造及工程应用奠定坚实理论基础,积累实践经验。论文介绍了水下法兰联接机具的研究现状,特别是课题组水下法兰联接机具的研究和设计工作,提出了水下法兰联接机具试验样机的总体方案及模块化设计方法和试验样机设计指标。设计了工具库周向同步驱动系统和工具库轴向独立驱动系统的虚拟样机,进行了干涉检查和运动学仿真；建立了系统运动学等效机构模型,进行了可行性和运动学分析,保证了工具库作业位姿的调整范围；通过力学计算确定了动力元件的型号及参数。进行了工具库位姿调节机构的力学分析,校核了关键承力零部件的强度和关键定位零部件的刚度,针对应力集中现象和定位面变形情况进行了结构改进和尺寸优化,以达到工具库的定位精度和可靠性要求。对外框架结构进行了有限元分析,在保证满足内框架定位基准和结构强度情况下,对外框架进行了重量优化和结构优化。对水下法兰联接机具水下航行进行了水动力学仿真分析,以水阻力最小为目标,对机具浮力材料的形状及结构尺寸进行了优化设计,有效减小了ROV水下运载机具的负载并保证了机具位姿的稳定性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 海底管道回接技术概述  12-14
  1.3 水下法兰联接机具发展现状  14-19
    1.3.1 国外水下法兰联接机具的发展  14-18
    1.3.2 国内水下法兰联接机具的发展  18-19
  1.4 课题来源、目的及意义  19-20
  1.5 本文主要研究内容和方法  20-21
第2章水下管道法兰联接的总体方案  21-39
  2.1 引言  21
  2.2 水下法兰联接机具总体方案研究  21-29
    2.2.1 组合式水下法兰联接机具  23-24
    2.2.2 一体式管道法兰联接机器人原理样机试制  24-27
    2.2.3 一体式水下法兰联接机具  27-29
    2.2.4 水下法兰联接机具试验样机的提出  29
  2.3 水下法兰联接机具试验样机总体方案  29-38
    2.3.1 样机总体结构设计  29-32
    2.3.2 试验样机结构模块的设计  32-38
  2.4 本章小结  38-39
第3章工具库位姿调节系统设计及运动学分析  39-58
  3.1 引言  39
  3.2 工具库位姿调节机构方案  39-42
    3.2.1 位姿调节机构方案设计  39-40
    3.2.2 工具库周向同步驱动方案设计  40-41
    3.2.3 工具库轴向独立驱动方案设计  41-42
  3.3 工具库轴向驱动系统设计与机构分析  42-47
    3.3.1 直线导轨副的设计与选型  42-44
    3.3.2 工具库轴向驱动液压系统设计  44-46
    3.3.3 工具库轴向驱动机构运动学分析  46-47
  3.4 工具库周向同步驱动系统设计  47-57
    3.4.1 工具库周向驱动机构设计  47-49
    3.4.2 库体接口弧形导轨副半径的确定  49
    3.4.3 驱动力计算及马达选型  49-51
    3.4.4 蜗轮蜗杆传动设计及校核  51-53
    3.4.5 输出端齿轮和齿轮轴设计  53-55
    3.4.6 工具库齿圈设计  55-56
    3.4.7 周向驱动机构运动学分析  56-57
  3.5 本章小结  57-58
第4章工具库位姿调节机构有限元分析与优化  58-71
  4.1 引言  58
  4.2 工具库轴向驱动机构有限元分析与优化设计  58-63
    4.2.1 两直线导轨安装距离的确定  58-59
    4.2.2 库体接口有限元分析  59-60
    4.2.3 直线导轨有限元分析和优化设计  60-63
  4.3 工具库周向驱动机构强度校核与结构优化  63-70
    4.3.1 齿轮轴有限元分析和刚度分析  63-64
    4.3.2 中间动力箱体受力分析及强度校核  64-66
    4.3.3 蜗轮转轴强度校核与优化设计  66-68
    4.3.4 支撑体有限元分析与结构优化  68-70
  4.4 本章小结  70-71
第5章机具外框架优化设计与水动力学仿真  71-85
  5.1 引言  71
  5.2 外框架有限元分析与优化设计  71-75
    5.2.1 外框架的结构要求与模拟加载  71-72
    5.2.2 外框架有限元分析与优化  72-75
  5.3 法兰联接机具水下航行仿真研究  75-84
    5.3.1 FLUENT与计算流体动力学  75-77
    5.3.2 水动力学仿真与浮力块优化设计  77-82
    5.3.3 法兰联接机具水下航行水阻力的仿真研究  82-84
  5.4 本章小结  84-85
结论  85-86
参考文献  86-91
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  91-92
致谢  92

水下法兰联接机具优化设计与仿真研究

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