深海海底环境下钻机并联斜撑系统稳定性分析与控制

Deep seafloor drill is the key equipment for exploration and science research of mineral resources in ocean. The support system is the premise of efficient and reliable drilling in deep sea. In order to fulfill the requirement of two hundreds long hole drilling under two thousands meters sea level，the study on stability analysis, design and control of incline parallel support system for deep seafloor drill is carried on with body structure reference of manatee drill used for sixty meters long hole drilling, and the main content is shown as follows: (1)Based on analysis of environment loads for current, wave and benthic geology in deep sea, the stability of incline parallel support system for deep seafloor drill with centroid position changing under multiple heavy loads is investigated; (2)The fluid solid coupling dynamic model including benthic geology, drilling float, armored cable and incline parallel support system for the drill is established. The dynamic response and stability of support system under strong disturbance is discussed; (3)The mathematical model of hydraulic system for incline parallel support system is erected, and the fast leveling control strategy with position/force hybrid decoupling under distribution rule of three legs support and others following is put forward. The developed design method and fast balance control strategy of incline parallel support system provide theoretical basis and technical support for deep sea drilling technology and equipment development, and also lead a great significance to research of benthic geology, exploration of benthic resource and development of exploration technology.

深海海底钻机是海洋资源开发和科学研究的关键装备，钻机支撑系统是深海海底高效可靠钻进的前提。本项目面向2000米以上海深、200米以上钻进深度的高效可靠深海海底钻进需求，以海牛号60米钻机本体结构为参考，围绕深海海底钻机并联斜撑系统稳定性开展分析、设计与控制研究，具体包括：(1)以深海海底钻机的并联斜撑系统为研究对象，深入分析海流、波浪、海底底质等深海环境载荷特性，研究多重载荷下钻机变质心并联斜撑系统稳定性；(2)建立包括海底底质、钻头钻进的浮球—铠装缆—钻机并联斜撑系统流固耦合动力学模型，研究强干扰下钻机支撑系统响应特性和稳定性；(3)构建并联斜撑液压驱动系统数学模型，提出三点支撑冗点随动的力/位复合解耦控制快速调平策略；发展钻机并联斜撑系统设计方法和快速平衡控制策略，为深海海底钻进技术与装备开发提供理论基础和技术支撑，这对深海海洋地质科学研究、资源勘探与开发技术发展具有重要意义。

项目面向 2000 米以上海深、200 米以上钻进深度的高效可靠深海海底钻进需求，以海牛号钻机为依托，围绕深海海底钻机液压驱动支撑系统稳定性展开了研究，深入研究了海底钻机支撑系统稳定性与动力学特性规律，发展了深海海底钻机斜撑式、直撑式和移动式支撑系统设计方法和控制策略，为深海海底超孔深钻机开发提供了理论和技术支持。主要研究内容与成果如下：（1）深入分析了深海海底底质载荷特性，建立了深海海底钻机着底动力学模型，分析了钻机着底冲击力及其影响因素，为面向深海海底底质支撑系统支撑构型设计提供了理论依据；（2）通过对深海海底钻机本体支撑、支撑系统多种工况支撑情况的分析，提出了海底钻机稳定性系数，并推导出了钻机质心位置、底盘长度、支腿支撑长度、支腿支撑高度以及支腿长度等参数的设计域；（3）建立了深海海底钻机三支腿支撑系统着底碰撞全过程动力学模型，分析了深海海底钻机着底稳定性，重点分析了钻机初始姿态角和海底底质倾角对钻机着底稳定性的影响，提出了深海海底钻机单支腿着底、双支腿着底和三支腿着底稳定域；（4）提出了三点支撑步履式支撑系统六支腿机构设计方法和液压驱动系统控制方法，研制了一种既具有三点支撑方式的调平方便、稳定性好的特点，又具有行走移动功能的步履式支撑试验装置；（5）针对深海高压环境下密封要求，基于非线性有限元接触理论，利用有限元分析软件ABAQUS建立组合密封结构有限元模型，开展了不同滑环槽形以及O形圈材料硬度对组合密封结构密封性能的影响分析和结构优化；（6）建立了波浪-船舶-铠装脐带缆-海底钻机动力学模型，分析了在规则波浪激励下海底钻机用铠装脐带缆张力的动态响应；提出了高精度的有限元网格划分方法，应用有限元软件ANSYS对铠装脐带缆主要承载部件进行应力应变分析。