海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)(優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
開題報(bào)告
題 目 海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
一、選題依據(jù)
課題來源、選題依據(jù)和背景情況;課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值
課題來源、選題依據(jù)和背景情況
近年來,隨著社會(huì)的發(fā)展,各種各樣的機(jī)器如汽車、飛機(jī)、船舶、工業(yè)設(shè)備農(nóng)業(yè)機(jī)器等得到了普及。然而,這些交通工具或其他領(lǐng)域的設(shè)備也需要越來越多的能源,陸地上的石油、天然氣、煤炭資源已經(jīng)不能完全滿足人類的需求,為了更好的促進(jìn)和保持社會(huì)的平穩(wěn)發(fā)展,向海洋開采更多的資源已經(jīng)亟不可待。
海洋占有整個(gè)地球的70%的面積,蘊(yùn)藏著豐富的能源資源,據(jù)估計(jì),海底石油的儲(chǔ)量約有1350億噸,是世界石油總儲(chǔ)量的2/3,另外,天然氣的總儲(chǔ)量約有140萬(wàn)億平方米,約是世界總儲(chǔ)量的30%。陸地的石油開采程度已將近尾期,多數(shù)地區(qū)的石油資源已變得枯竭,開采環(huán)境變得極其惡劣,開采成本不斷上升或者依靠現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備根本無(wú)法開采[2]。種種原因,不得不使人們想方設(shè)法向海洋這個(gè)大資源市場(chǎng)進(jìn)軍,各種開采和利用海洋資源的工具設(shè)備被發(fā)明和創(chuàng)造出來,如水下機(jī)器人、波浪能發(fā)電機(jī)、水下自主航行器、潮汐能發(fā)電機(jī)、海洋鉆井平臺(tái)、海底探測(cè)器等。
而海洋平臺(tái)是海上資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施,它為在海上進(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施提供了便利。世界許多國(guó)家如日本、韓國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、挪威等都是與海洋相鄰,擁有很多海洋領(lǐng)域,這些國(guó)家相當(dāng)重視海洋資源的開發(fā)和利用。因此,建造更多的海洋平臺(tái)或者開創(chuàng)更先進(jìn)的海洋平臺(tái)已近成為這些國(guó)家的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。所以,確保海洋平臺(tái)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性不僅能夠避免因重大事故而造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失,而且還能夠順利、方便、快捷、高效地利用海上資源。
本課題主要研究海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)際的海洋平臺(tái)尺寸,按規(guī)定比例縮放創(chuàng)建出實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷目傮w結(jié)構(gòu),模擬海洋平臺(tái)在惡劣的環(huán)境條件下,受到海風(fēng)力、海浪力以及海流力的共同作用或者單個(gè)作用而出現(xiàn)疲勞損失和疲勞破壞的結(jié)果,為真正的海洋平臺(tái)的安全監(jiān)測(cè)、設(shè)備維護(hù)、事故診斷提供實(shí)用的理論支持。
前期已開展的工作,包括各種疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)如旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、電磁諧振疲勞試驗(yàn)機(jī)和電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的原理分析對(duì)比,海洋平臺(tái)自升式的原理和采用的機(jī)構(gòu),海洋環(huán)境各種作用力的計(jì)算方法,模擬海風(fēng)力、海浪力、海流力的動(dòng)力輸出裝置的液壓控制原理。
課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值
疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用廣泛,通常對(duì)車輛、船舶、飛機(jī)、管道和機(jī)床的關(guān)鍵部位進(jìn)行試驗(yàn),確保零件的耐用性、可靠性和安全性等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,機(jī)械零件的失效,約有70%左右是疲勞引起的,而且造成的事故大多數(shù)是災(zāi)難性的。因此,通過實(shí)驗(yàn)研究金屬材料抗疲勞的性能是有實(shí)際意義的。
而海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,重量大,建造費(fèi)用高,并且處在一個(gè)惡劣的海洋環(huán)境當(dāng)中,同時(shí)受到多種隨機(jī)載荷,包括海風(fēng)力、海浪力、海流力、 海冰等聯(lián)合作用;海洋生物粘附,海水腐蝕,地基土壤沖刷以及材料老化、機(jī)械損傷和疲勞磨損積累等不利因素,直接影響海洋平臺(tái)的安全性和使用壽命[3]。
歷史上出現(xiàn)過許多海洋平臺(tái)的事故,而引起這些事故的直接原因無(wú)非就以下幾種:1.結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度不足,2.浮力儲(chǔ)備和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠,3.平臺(tái)管理和生產(chǎn)操作不當(dāng), 結(jié)構(gòu)破壞的形式又分為[9]:⑴屈服失效破壞,⑵ 疲勞失效,⑶脆性斷裂失效。
如今海洋鉆井平臺(tái)大致可分為導(dǎo)管架固定式平臺(tái),自升式平臺(tái),半潛式平臺(tái),鉆井船,張力腿平臺(tái)。研究海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷目傮w結(jié)構(gòu),分析相應(yīng)的結(jié)構(gòu),能夠?yàn)檎嬲暮Q笃脚_(tái)的設(shè)計(jì)制造、安全監(jiān)測(cè)、設(shè)備維護(hù)、事故診斷提供實(shí)用的理論支持。對(duì)增強(qiáng)海洋平臺(tái)的可靠性和提高海洋平臺(tái)的使用壽命有著極大的實(shí)際意義。
二、文獻(xiàn)綜述
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài);查閱的主要文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)
[1]研究材料的疲勞現(xiàn)象需要適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)機(jī),早在1860年,一位著名的工程師通過調(diào)試首批旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī),便揭開了材料疲勞的規(guī)律特性,這種機(jī)械疲勞試驗(yàn)機(jī)雖然機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,但仍然沿用至今,并具有巨大的使用價(jià)值。隨著技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步成熟,液壓控制系統(tǒng)的日臻完善,出現(xiàn)了當(dāng)今具有良好的頻率跟隨性和低的慣性系統(tǒng)的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),相比之下,它擁有以下的優(yōu)點(diǎn):
1.頻率范圍廣、功能強(qiáng)大,控制系統(tǒng)的性價(jià)比高
2.負(fù)荷變化廣、可靠性高
3.加載波形多,通常具有正弦波、方波、三角波、梯形波以及任意函數(shù)或隨機(jī)波
4.響應(yīng)速度快,測(cè)量以及控制負(fù)荷、行程的速度快,而且精度高
5.通過配有上位機(jī),可以進(jìn)行復(fù)雜的程序控制,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理分析,打印和顯示結(jié)果
目前,擁有生產(chǎn)這種先進(jìn)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)能力的國(guó)家主要有美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)等,這些國(guó)家制造的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)具有高精度,功能強(qiáng)大,性能良好,性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn),因此,占據(jù)了大部分的市場(chǎng)。電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、液壓技術(shù)為一體的設(shè)備,可以準(zhǔn)確完成測(cè)試試驗(yàn)力、變形、位移等變化并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理,顯示試驗(yàn)結(jié)果。為了滿足工程材料的高頻疲勞測(cè)試,美國(guó)的電液高頻疲勞試驗(yàn)臺(tái)如圖1,最大的負(fù)載能力達(dá)到25KN,試驗(yàn)的工作頻率可達(dá)到1000HZ;日本在研制疲勞試驗(yàn)機(jī)方面也是世界一流的,不僅研制了超高頻試驗(yàn)機(jī),該頻率可達(dá)15000HZ—30000HZ,最大應(yīng)力可達(dá)65Kg/m2,同時(shí)還推出了極具代表性的超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖2,超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)的創(chuàng)建大大縮短了試驗(yàn)周期,不僅節(jié)省了試驗(yàn)成本,還在短時(shí)間內(nèi)得出試驗(yàn)結(jié)果,為工程的建造贏得了寶貴的時(shí)間。
圖2日本的超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)
圖1 MTS公司的電液高頻疲勞試驗(yàn)臺(tái)
國(guó)內(nèi)的疲勞試驗(yàn)機(jī)相對(duì)外國(guó)來說,起步比較晚,技術(shù)落后,性能差,但發(fā)展比較快。在20世紀(jì)50年代,國(guó)內(nèi)運(yùn)用的疲勞試驗(yàn)機(jī)仍然是機(jī)械式振動(dòng)臺(tái),后來,為了滿足國(guó)防工業(yè)壞人航空工業(yè)的需求,長(zhǎng)春材料試驗(yàn)機(jī)研究所成功研制出了高頻疲勞試驗(yàn)機(jī),然而頻率也僅有75-300HZ,后來,許多科研院?;蚱髽I(yè)也跟隨研制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī),并取得了相應(yīng)的成果。在70年代末,國(guó)內(nèi)引進(jìn)了英國(guó)研制的1603型電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖3,并借鑒了其中的一些先進(jìn)技術(shù),研制出新型的高頻疲勞試驗(yàn)機(jī),當(dāng)時(shí),國(guó)內(nèi)主要采用的疲勞試驗(yàn)機(jī)的激振方式大多為電磁激振,這種方式又分上激振和下激振。隨著電液伺服技術(shù)的發(fā)展和成熟,國(guó)內(nèi)的科研單位開始重視電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn),把電液伺服技術(shù)融入到疲勞試驗(yàn)機(jī)上。就在2006年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研制出了多軸液壓振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)并順利通過驗(yàn)收。而在2014年9月,在廣西桂林舉行了第十七屆全國(guó)疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議”,會(huì)議上還展出了國(guó)家科技部重大科儀專項(xiàng)“”產(chǎn)品如圖4,說明我國(guó)的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)上升了一個(gè)高度。
圖4電液伺服動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)
圖3電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)
從疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)種類可以知道,都是通過測(cè)試單個(gè)零件,然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果,得出相應(yīng)理論,并確定該零件是否適合運(yùn)用于某個(gè)工程上。然而,對(duì)于海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。利用應(yīng)變片、聲發(fā)射檢測(cè)儀傳感器對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),但測(cè)試系統(tǒng)也往往比較復(fù)雜;不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,現(xiàn)有的技術(shù)還是處于發(fā)展階段,相關(guān)的研究不但需要大量的經(jīng)費(fèi),同時(shí)還會(huì)受到復(fù)雜多變的環(huán)境問題的影響,受到的載荷往往是不規(guī)律的,多因素造成的,另外,要對(duì)整個(gè)海洋平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),無(wú)疑也是具有很大難度的,這些都給研發(fā)帶來了巨大的困難。
查閱的主要文獻(xiàn)
[1]趙玉建,王旭東等.電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)控制研究.濟(jì)南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院.2002.6
[2] 李修洪.電液伺服海洋管道疲勞試驗(yàn)臺(tái)的分析研究.濟(jì)南大學(xué).機(jī)械制及其動(dòng)化.2011.5
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[11]歐進(jìn)萍,肖儀清等.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學(xué).土木工程學(xué)院.黑龍江 哈爾濱.2001.5.
[12]液壓與氣壓傳動(dòng)/劉延俊主編.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.12
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三、研究?jī)?nèi)容
1.學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路;主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題(或技術(shù))
學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路
本課題希望通過研究海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),按比例縮放模擬建造出海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的模型,通過在海風(fēng)層、海浪層和海流層上安裝動(dòng)力輸出裝置,來模擬海洋平臺(tái)在海洋環(huán)境中受到的各種隨機(jī)或恒定的載荷,應(yīng)用傳感器如應(yīng)變花、熱敏傳感器、聲發(fā)射檢測(cè)儀、負(fù)載傳感器等來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋平臺(tái)在經(jīng)受外載荷作用時(shí)的動(dòng)態(tài),傳感器通過與上位機(jī)連接,把測(cè)試的結(jié)果經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換輸送到控制系統(tǒng)上,在控制裝置中存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并分析處理,得出相應(yīng)結(jié)果和實(shí)用的理論,為真正的海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造,安全監(jiān)測(cè)、設(shè)備維護(hù)、事故診斷提供實(shí)用的理論支持,盡可能避免海洋平臺(tái)發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂,疲勞破壞,平臺(tái)傾斜倒塌或下陷等事故。
主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題(或技術(shù))
本課題主要研究的目的在于設(shè)計(jì)一套測(cè)試海洋平臺(tái)疲勞特性的模型實(shí)驗(yàn)裝置,主要的研究?jī)?nèi)容包括,海風(fēng)層、海浪層和海流層動(dòng)力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)、海洋平臺(tái)的模型結(jié)構(gòu)、四層圓環(huán)形鋼板結(jié)構(gòu)以及傳感器類型和電機(jī)類型的選擇。
1.擬解決的關(guān)鍵問題:
(1)模擬海風(fēng)層的動(dòng)力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)(包括液壓元件的選擇,回路分析,相關(guān)的計(jì)算);
(2)模擬海浪層的動(dòng)力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)(包括液壓元件的選擇,回路分析,相關(guān)的計(jì)算);
(3)模擬海流層的動(dòng)力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)(包括液壓元件的選擇,回路分析,相關(guān)的計(jì)算);
(4)海洋平臺(tái)的自升式模型機(jī)構(gòu),尺寸計(jì)算,強(qiáng)度校核;
(5)傳感器的選取、電機(jī)的選取,包括傳感器的原理,電機(jī)的參數(shù)等;
(6)四層圓環(huán)形鋼板結(jié)構(gòu)的確定,各動(dòng)力輸出裝置在相對(duì)應(yīng)鋼板層的安裝問題;
(7)上位機(jī)的選擇,以及涉及到的密封問題。
2.擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析
本課題的研究方法主要是通過借鑒和參考電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的原理以及分析對(duì)比海洋平臺(tái)現(xiàn)有的升降機(jī)構(gòu),從中總結(jié)并根據(jù)已學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓傳動(dòng)的知識(shí)得出適合本課題設(shè)計(jì)的整體方案。所有的動(dòng)力輸出裝置,都采用液壓傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。與機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)相比,在同等功率的情況下,液壓傳動(dòng)裝置體積小,重量輕,慣性小,能傳遞較大的力或力矩。特別是在海洋環(huán)境中,對(duì)材料的要求較高,材料的剛度和強(qiáng)度都需要很高才能保證平臺(tái)的安全和穩(wěn)定性,使用重量輕的裝置,可以更好地符合實(shí)際情況。主要的設(shè)計(jì)路線則是:
第一步,設(shè)計(jì)出海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)模型主要結(jié)構(gòu)的工作原理示意圖;
第二步,調(diào)查分析海洋平臺(tái)的實(shí)際尺寸,按適當(dāng)?shù)谋壤s放得出模型的設(shè)計(jì)尺寸,通過三維軟件UG建立初步設(shè)想的海洋平臺(tái)疲勞試驗(yàn)臺(tái)模型裝置的三維圖;
第三步,確定個(gè)零件的尺寸,進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,校核重要的裝置結(jié)構(gòu),驗(yàn)證三維圖模型是否得當(dāng)并作出適當(dāng)?shù)男薷模瑖L試制作三維模型的運(yùn)動(dòng)仿真;
第四步,選取適合的傳感器和電機(jī)并繪制相關(guān)圖紙。
自升式海洋平臺(tái)適用水深為5~90米,運(yùn)用很廣,因此擬定海洋平臺(tái)的模型尺寸:
表2初定矩形平臺(tái)模型的主要尺寸(單位:cm)
平臺(tái)總長(zhǎng)
80
四層圓形鋼板的外徑
160-180
平臺(tái)總寬
64
圓形鋼板的厚度
0.6
平臺(tái)厚度
1.5
與圓形鋼板相連接的圓柱直徑
5
圓形立柱直徑
5
與圓形鋼板相連接的圓柱倒角半徑
0.2
圓形立柱總長(zhǎng)
200
平臺(tái)圓柱總長(zhǎng)
240
圓形立柱倒角半徑
0.2
入泥深度
3
四層圓形鋼板的內(nèi)徑
140
露水面高度
28
整個(gè)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力輸出裝置原理圖如下:
四、論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度安排
起止時(shí)間
主要內(nèi)容
預(yù)期目標(biāo)
2015.3.9-2015.3-20
查找國(guó)內(nèi)外與課題相關(guān)的文獻(xiàn),閱讀有關(guān)的論文,翻譯相關(guān)的英文文獻(xiàn),認(rèn)識(shí)了解疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)特別是電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作原理
深刻理解國(guó)內(nèi)外疲勞試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r和先進(jìn)技術(shù),初步確定課題研究方向并完成開題報(bào)告,得出初步的工作原理圖
2015.3.21-2015.3.31
確定裝置的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵的機(jī)構(gòu),繪制零件和裝配的三維模型,初步確定模型相關(guān)的尺寸
用UG建立三維模型,進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)仿真,嘗試運(yùn)動(dòng)分析,得出運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)
2015.4.1-2015.4.25
進(jìn)行相關(guān)尺寸的計(jì)算,校核關(guān)鍵部位的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度,確定所有零部件的基本尺寸和裝配尺寸
解決前期遇到的問題,完成有關(guān)的計(jì)算,選擇標(biāo)準(zhǔn)零件并確定相關(guān)參數(shù),繪制零件和裝配圖紙
2015.4.26-2015.5.15
修改完善設(shè)計(jì)資料,完成結(jié)題報(bào)告的書寫
整理形成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
2015.5.16-2015.5.26
準(zhǔn)備論文答辯
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯PPT
五、審核意見
導(dǎo)師意見
導(dǎo)師簽字:
年 月 日
審核小組意見
審核小組成員簽字:
年 月 日
注:1、表格不夠可加附頁(yè)。
2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級(jí)職稱的教師組成;必要時(shí)可召集開題報(bào)告會(huì)。
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編號(hào):1119929
類型:共享資源
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格式:RAR
上傳時(shí)間:2019-10-07
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海洋
平臺(tái)
疲勞
測(cè)試
試驗(yàn)臺(tái)
設(shè)計(jì)
優(yōu)秀
優(yōu)良
cad
圖紙
說明書
仿單
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海洋平臺(tái)疲勞測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)(優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書),海洋,平臺(tái),疲勞,測(cè)試,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單
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