海洋平臺疲勞測試試驗臺設(shè)計（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）

海洋平臺疲勞測試試驗臺設(shè)計（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）,海洋,平臺,疲勞,測試,試驗臺,設(shè)計,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單 本科畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 論文（設(shè)計） 題目 海洋平臺疲勞測試試驗臺設(shè)計 院（系、中心） 工程學(xué)院機電系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 年 級 2011級 選題來源 科研 課題 縱向課題（ ） 選題類型 理論研究（ ） 橫向課題（ ） 教師自擬課題（ ） 應(yīng)用基礎(chǔ)研究（ ） 學(xué)生自擬課題（ ） 技術(shù)或工程開發(fā)（ ） 論文（設(shè)計）的基本構(gòu)思和基本任務(wù)： 本課題是設(shè)計一套材料疲勞過程綜合測試系統(tǒng)，包括疲勞試驗臺、傳感裝置和控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)研究不同金屬材料疲勞過程中的特征數(shù)據(jù)。主要內(nèi)容包括： 1、編寫文獻綜述，完成外文翻譯； 2、編寫開題報告； 3、設(shè)計疲勞試驗臺整體機構(gòu)及控制原理； 4、繪制疲勞試驗臺主要零件圖及裝配圖。 目前的基礎(chǔ)（包括資料收集情況、前期工作情況等） 1.高等機構(gòu)學(xué)（第2版).張春林主編/2006-01-01/北京理工大學(xué)出版社 2.機械CAD/CAM技術(shù)——Pro/E應(yīng)用實訓(xùn).熊彥主編/2008年09月/機械工業(yè)出版社. 3.精密運動控制:設(shè)計與實現(xiàn).陳國強,李崇興，黃蘇南著/2011-11/機械工業(yè)出版社 4.Wei Zhan. Robust design of motor PWM control using modeling and simulation[J].Lecture Notes in Electrical Engineering, 2009, ( 14) : 439- 449 5.徐鵬.金屬材料應(yīng)變壽命曲線估算的新方法[D].南京航空航天大學(xué),2012. 論文（設(shè)計）進度安排 第1-2周：文獻檢索、文獻綜述撰寫 第3周：外文翻譯 第4周：開題報告 第5-6周：疲勞試驗臺主要結(jié)構(gòu)設(shè)計 第7-8周：疲勞試驗臺控制系統(tǒng)的選擇及設(shè)計 第9-11周：繪制疲勞試驗臺主要零件圖及裝配圖 第12-13周：畢業(yè)論文撰寫 論文起止時間：自 年 月 日起 年 月 日止 學(xué)生（簽名）： 指導(dǎo)教師（簽名）： 院（系、中心）負責(zé)人（簽名）： 注：表格不夠可另附頁 在線網(wǎng)址www.sciencedirect.com procedia工程54（2013）480-490 第二屆土木工程康復(fù)和維護國際會議 使用基于遺傳算法的有限元模型修正與嘈雜的模態(tài)數(shù)據(jù)對海上導(dǎo)管架平臺進行損傷檢測 H.Malekzehtab和A.A.Golafsham 伊朗謝里夫技術(shù)大學(xué) 摘 要 由于其重要性和生產(chǎn)力，海上平臺是損傷檢測最激勵的結(jié)構(gòu)之一。在這研究中，調(diào)查分析了有限元模型修正在海上導(dǎo)管架平臺損傷檢測的應(yīng)用。這目標(biāo)函數(shù)的方法是基于測量和分析模型的數(shù)據(jù)，包括固有頻率和模型尺寸，然而，測得的數(shù)據(jù)預(yù)計是混雜的。同時，為了避免獲得錯誤的損傷結(jié)果，增加一個懲罰項于目標(biāo)函數(shù)。為了修正模型，利用遺傳算法作為強有力的搜索工具。隨后，這種方法的效率評價在于0，1，2和3幾個損傷案列中噪聲所占比列和測得的模態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示這種方法能足以檢測這類型結(jié)構(gòu)的損傷即使沒有精準(zhǔn)地獲得模態(tài)數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：損傷檢測；結(jié)構(gòu)健康檢測；海上導(dǎo)管架平臺；模型修正；遺傳算法；損傷懲罰。  1.介紹 海上導(dǎo)管架平臺在其使用壽命期間會受到一系列的損傷來源：第一，環(huán)境的損傷破壞來源如波浪，海風(fēng)，地震以及突發(fā)的破壞包括船舶撞擊和爆炸。根據(jù)海上導(dǎo)管架平臺重要性，不讓其在短期間內(nèi)停止工作也是相當(dāng)重要的。因此，非常有必要去檢測顯示海上導(dǎo)管架平臺的安全和可靠性。但是，在海上導(dǎo)管架平臺采用視覺測試和其他現(xiàn)場測試是非常昂貴的，因為測試元件的尺寸和安放位置是在水面上。損傷破壞促使結(jié)構(gòu)危險通常會影響系統(tǒng)的動態(tài)特征，因此，從二十世紀(jì)七十年代開始，在此領(lǐng)域上，已經(jīng)有一些研究采用了測量結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的方法。 這些研究運用許多方法去鑒定損傷位置或者平臺結(jié)構(gòu)元素的損傷程度。其中最好的一種方法則是有限元模型修正，它運用于不同的國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施上。這種方法假設(shè)原來的問題為理想的問題從而在有限元模型輸出傳感器數(shù)據(jù)中提取相關(guān)的測量模態(tài)特性，減小錯誤。然后，通過比較未被破壞的模型和從實際的結(jié)構(gòu)采集到的相關(guān)測量數(shù)據(jù)來優(yōu)化模型的結(jié)果，損傷破壞將會被檢測出來。如果沒有損傷的模型和實際沒有損傷結(jié)構(gòu)之間不對應(yīng)，則應(yīng)該根據(jù)傳感器從沒有損傷的結(jié)構(gòu)中獲得的數(shù)據(jù)來優(yōu)化修正模型。 優(yōu)化方法在模型修正使用中大體被劃分為兩種類型：基于梯度法和智能計算法如粒子群優(yōu)化（PSO）和遺傳計算法（GA）。這些方法是基于自然法和生物學(xué)法，是引起應(yīng)對復(fù)雜多變性和不確定性的一種準(zhǔn)確的方法。例如，對于簡支梁和門架的損傷檢測，遺傳計算基本方法與基于梯度法比較，前者比較有優(yōu)勢。在這研究中，采用遺傳計算法是因為它能夠在紛繁復(fù)雜的領(lǐng)域和不同地方的最低點處搜索全面性的解決方案，而不需要使用多余的約束。再者，相對于基于梯度法，這種強有力的方法可以使用多點去尋找最佳解決方案。一些研究在損傷檢測領(lǐng)域中已經(jīng)成功運用過遺傳計算法。 在本次的海上平臺例子中，另外一個重要的問題是嘈雜的環(huán)境使得難以從傳感器上獲得精確的數(shù)據(jù)。雖然在近些年里，測量裝備和傳感器技術(shù)已經(jīng)得到了快速發(fā)展，這噪聲影響在測量數(shù)據(jù)上無法被忽略，是測量、收集和處理過程的一個固有的錯誤結(jié)果。所以，對于目前實際用途的損傷檢測法，需要調(diào)查現(xiàn)有噪聲的影響。 因此，此次研究的主要目的是評估上面所提及的方法對海上平臺在不同的破壞因素下進行損傷檢測時所使用的模態(tài)數(shù)據(jù)被不同的噪聲影響的能力。 2.定義損傷檢測為優(yōu)化問題 綜上所述，模型修正方法把損傷檢測問題轉(zhuǎn)換為一個優(yōu)化問題。每一個優(yōu)化問題的定義都是基于其可行的搜索區(qū)域，約束和成本函數(shù)。搜索區(qū)域是一組顯示結(jié)構(gòu)元素狀態(tài)的參數(shù)。這類型的搜索領(lǐng)域除了邊界參數(shù)沒有其他約束。成本函數(shù)作為最重要的部分，的確需要考慮在內(nèi)，它也是評估不同解決方案的標(biāo)準(zhǔn)。在此領(lǐng)域中，大量的調(diào)查研究已經(jīng)完成過，還介紹了時域和頻域的許多標(biāo)準(zhǔn)，時域、頻域和模式域可以確定測量結(jié)構(gòu)性能方案的可靠性。在模式域的情況下，固有頻率和模式安全標(biāo)準(zhǔn)是后者描繪相對應(yīng)的模型形狀的共同標(biāo)準(zhǔn)，實際上，在這方面這些標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合是更好的評估工具。參考（Meruane and Heylen 2008）建議對成本函數(shù)增加懲罰項從而消除方案中的錯誤損傷。 3 優(yōu)化算法 根據(jù)前面段落提及的，遺傳算法作為優(yōu)化方法被運用在這次研究中。遺傳算法是一種全方面的搜索過程，基于達爾文的自然選擇和進化原則。一個簡單的遺傳算法包含了三個操作：選擇，遺傳操作和替代。首先，一個最初的人口是隨機生成的；這人口包含了一組染色體，這長期染色體代表著一個可能的問題解并且由許多基因組成；每一個基因代表一個問題中的變量類似于此次研究中結(jié)構(gòu)安全的元素。每一個適合的染色體基于成本函數(shù)來被評估。然后最初的人口通過選擇過程而傳遞。這個選擇是適合于每個人的。這意味著下一代有更高適應(yīng)性的染色體有一個更高的可能性生存。這里有幾種選擇過程如輪盤賭博和賽事。另外，精英能夠直接最好地從當(dāng)代轉(zhuǎn)移到下一代。然后，所有的染色體都可能交叉地應(yīng)用，在次過程，染色體會隨機匹配，最后，新的子女就產(chǎn)生。接著，人口會發(fā)生可能性的突變，這種簡單交叉是單一點交叉。父母隨機選擇點交換基因而形成子女。 4.損傷定義 損傷可以假定為還原在有限元模型的每個元件的彈性模塊，因為減少影響彎曲和軸向剛度的元素在此次研究是很重要的。 在這方面，損傷類型改變結(jié)構(gòu)元件的剛度是可以檢測到的，包括因腐蝕或化學(xué)降解的松動區(qū)域，因循環(huán)載荷的材料軟化，損壞部件和松動元件之間的連接。除此之外，這沒有檢測的損傷包含測試過程中保持封閉的裂縫。 5 噪聲定義 引入噪聲測量，隨機噪聲正態(tài)分布被添加到模擬的模態(tài)數(shù)據(jù)具有零均值和方差 6 數(shù)值實施 6.1 海洋平臺模型描述 本次研究的結(jié)構(gòu)是一個二維導(dǎo)管架海上平臺模型，這平臺模型是一個兩條腿支撐與橫向和對角線組成的鋼鐵架。模型的兩個第一層的主腿具有2層管，其內(nèi)部直徑為90厘米，厚度為2.54厘米。外觀層直徑為98厘米，厚度為2.22厘米。這甲板的腿和第一、第二的外觀層的樁腿一樣，所有的橫向支撐直徑為22.38厘米（厚度為9.5毫米）；第一層的對角線支撐管直徑為37.3厘米（厚度為12.7毫米）。除此之外，甲板支柱直徑為44.7厘米（厚度為19毫米），這第一層，第二層和甲板分別重430噸，136噸和1133噸，甲板橫梁和腿部支撐以及所有的部件嚴(yán)格定義為彈性梁柱。 6.2 獲取測量的模態(tài)數(shù)據(jù)和考慮噪聲 在實際中，傳感器應(yīng)該放置在結(jié)構(gòu)元件上收集振動數(shù)據(jù)，然后，這些信號將被處理而獲得不同的特征，包括作為主要特征而用于模型修正的模態(tài)性能。然而，在這里，測量的模態(tài)性能產(chǎn)于已損傷的有限元模型的動態(tài)分析，數(shù)據(jù)的來源是通過控制損傷情況而不是傳感器。 另外，假設(shè)傳感器是被安放于橫向方向的每一個節(jié)點；再者，作為噪聲數(shù)據(jù)的結(jié)果，其通?？赡苓m當(dāng)?shù)孬@得一些模型結(jié)構(gòu)的模態(tài)性能。通常，噪聲在提取特征如固有頻率和模型尺寸上比從傳感器應(yīng)用不同的信號處理方法得到的原始數(shù)據(jù)小。 6.3 模型修正步驟 在決定用于修正模型相關(guān)的測量數(shù)據(jù)的方法上添加不同的噪聲水平就是遺傳算法。由于其高性能和靈活性，考慮到這個事實，遺傳算法的計算成本是要比常規(guī)的方法高，模型修正步驟采用編寫C++語言。同時，OpenSees被用作一個強大和迅速工具去分析有限元模型，它是基于每個染色體計算其模態(tài)特性上建成的，然后，這模態(tài)信息用于計算每個染色體的成本。 雖然對于遺傳操作，不同的選擇都是可靠的，但是一些考慮可以獲得更好的結(jié)果如編碼類型，人口規(guī)模，交叉和變異的概率問題，交叉的精英和類型。例如，對于本次研究的編碼類型，選擇真正的遺傳算法編碼因為它更加適用于大型區(qū)域的問題，包括損傷檢測問題。遺傳算法的其他設(shè)置：假設(shè)人口規(guī)模為80，交叉概率為0.85，變異概率為0.06，世代的數(shù)量為60。在大多數(shù)的研究情況下，這種方法可獲得其前幾代的結(jié)果。 原始人口（隨機減少因素）——每個染色體的計算成本——因每個染色體而形成已損壞的FE模型——動態(tài)分析——基于動態(tài)性能使用成本函數(shù)計算個人的成本 新人口 進行遺傳操作 交叉/復(fù)制 變異 精英 檢查停止標(biāo)準(zhǔn)是否獲得（后代數(shù)量） 是 否 結(jié)束 選擇父母進行遺傳復(fù)制 6.4 出于成本的方面考慮選擇重量 在權(quán)重因子為代價函數(shù)的情況下，前兩個因素被假定為等于一而在優(yōu)化過程中具有的優(yōu)先級相同。關(guān)于第三項，該項的作用是消除由設(shè)置后的前兩項已經(jīng)收斂到穩(wěn)定數(shù)值損害的假損傷值。因此，要實現(xiàn)之一目標(biāo)應(yīng)該根據(jù)前兩項收斂后的數(shù)字順序設(shè)置第三項的順序。如果這個項目是不準(zhǔn)確的，它會影響搜索全過程并導(dǎo)致結(jié)果無效。所以，在這里，第三項設(shè)置為0.001。 6.5結(jié)果和討論 每個損傷情況在模型修正過程之后，最好的相關(guān)實例如圖3到8。單一元件損傷的情景結(jié)果如圖3到6所示，兩元件損傷情景的結(jié)果如圖7到8所示，而各圖顯示了在4個狀態(tài)的所有元素的楊氏模量的降低因素。1圖代表了無噪音加在模態(tài)數(shù)據(jù)上時模型修正過程的結(jié)果；另外，2，3和4圖分別代表了在模態(tài)數(shù)據(jù)上有%1，2%和3%噪聲污染的模型修正過程的結(jié)果。 根據(jù)無噪音狀態(tài)，很明顯這方法是一種通過定位和定點測量結(jié)構(gòu)破壞的強有力方法，因為它能夠在圖3到圖8的所有損傷情況中檢測出所有損傷而且?guī)缀鯖]有錯誤；除此之外，這些結(jié)果證明使用懲罰項去避免錯誤的損傷結(jié)果的效率；可以獲得另外一個重要特征就是圖5的模態(tài)數(shù)據(jù)足以確定案列中的損傷。 對于有噪聲的狀態(tài)，這類型的損傷在每個噪聲水平下都可以被精確地檢測到；但是，當(dāng)噪聲比例增加時，錯誤也隨之增加，然而，這些錯誤都不會超過20%。總體來看，即使使用的模態(tài)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)確測量，結(jié)果也可以接受并且能反映結(jié)構(gòu)的狀況。 另外一個重要的信息則是在更高噪聲和不同的損傷情況下元素7和元素8與其他元素比較有更大的差異，而原因在于元件放置的位置。 這些元素是平臺的兩條腿之間的水平梁里少參加整個結(jié)構(gòu)模態(tài)行為的元件，特別是只有水平傳感器可靠的時候；因此，噪聲的影響在模態(tài)數(shù)據(jù)上主要主宰他們的那部分，使結(jié)果更可能不準(zhǔn)確。 2.結(jié)論 這里介紹了一個遺傳算法的過程來評估海上導(dǎo)管架平臺損傷破壞的程度和位置。運用遺傳算法和真正的編碼作為優(yōu)化工具從修正有限元模型中匹配損傷結(jié)構(gòu)的噪聲固有頻率和模型尺寸，幾乎沒有簡化是考慮到以常規(guī)的方法，系統(tǒng)的動態(tài)行為是相反的，同時，在成本函數(shù)中運用懲罰項是為了在結(jié)果中避免錯誤損傷；再有，根據(jù)工作需要，提出一個技術(shù)來估計該懲罰項的權(quán)重因子，這種方法是考慮了多個噪聲水平在測量模態(tài)數(shù)據(jù)的情況下對單一和多個元素損壞進行測試的，結(jié)果顯示，更高的噪聲水平會降低結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是，結(jié)果仍然是在可接受的范圍，顯示的損傷類型結(jié)果也令人滿意。然后，值得注意的是沒有參加模態(tài)數(shù)據(jù)的成員損傷強度一般都可能是不準(zhǔn)確的。 參考文獻 【1】 Chou JH and Ghaboussi J 2001.在結(jié)構(gòu)的損傷檢測，計算和結(jié)構(gòu)中的遺傳算法，第79卷.第335-1353頁. 【2】 Doebling SW，F(xiàn)arrar CR and Prime MB 1998.振動型損傷識別方法的總結(jié)回顧，沖擊和振動消化，第30卷..第91-105頁. 【3】 F Herrera，M Lozano，and JL Verdegay 1998，套結(jié)實數(shù)編碼遺傳算法：對行為分析和人工智能審核的運營商和工具，，第12卷，第265-319頁. 【4】 Golafshani AA，Ebrahimian H and Bagheri Baygi V 2010.第五屆伊朗國際工程會議，技術(shù)框架對波斯灣現(xiàn)有海洋平臺在極端環(huán)境負載的概率評估. 【5】 Gomes HM and Silva NRS 2008.通過數(shù)學(xué)建模，利用遺傳算法和模態(tài)靈敏度法對結(jié)構(gòu)損傷檢測進行一些比較。第32卷，第22頁. 【6】 Meruane V and Heylen W 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近年來，隨著社會的發(fā)展，各種各樣的機器如汽車、飛機、船舶、工業(yè)設(shè)備農(nóng)業(yè)機器等得到了普及。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，為了更好的促進和保持社會的平穩(wěn)發(fā)展，向海洋開采更多的資源已經(jīng)亟不可待。 海洋占有整個地球的70%的面積，蘊藏著豐富的能源資源，據(jù)估計，海底石油的儲量約有1350億噸，是世界石油總儲量的2/3,另外，天然氣的總儲量約有140萬億平方米，約是世界總儲量的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)備根本無法開采[2]。種種原因，不得不使人們想方設(shè)法向海洋這個大資源市場進軍，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，如水下機器人、波浪能發(fā)電機、水下自主航行器、潮汐能發(fā)電機、海洋鉆井平臺、海底探測器等。 而海洋平臺是海上資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，它為在海上進行鉆井、采油、集運、觀測、導(dǎo)航、施工等活動提供生產(chǎn)和生活設(shè)施提供了便利。世界許多國家如日本、韓國、美國、英國、挪威等都是與海洋相鄰，擁有很多海洋領(lǐng)域，這些國家相當(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或者開創(chuàng)更先進的海洋平臺已近成為這些國家的重點項目之一。所以，確保海洋平臺的安全性、可靠性、經(jīng)濟性和實用性不僅能夠避免因重大事故而造成的巨大經(jīng)濟損失，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疲勞測試實驗臺設(shè)計，根據(jù)實際的海洋平臺尺寸，按規(guī)定比例縮放創(chuàng)建出實驗?zāi)Ｐ偷目傮w結(jié)構(gòu)，模擬海洋平臺在惡劣的環(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，為真正的海洋平臺的安全監(jiān)測、設(shè)備維護、事故診斷提供實用的理論支持。 前期已開展的工作，包括各種疲勞測試實驗機如旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機、電磁諧振疲勞試驗機和電液伺服疲勞試驗機的原理分析對比，海洋平臺自升式的原理和采用的機構(gòu)，海洋環(huán)境各種作用力的計算方法，模擬海風(fēng)力、海浪力、海流力的動力輸出裝置的液壓控制原理。 課題研究目的、學(xué)術(shù)價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值 疲勞試驗機應(yīng)用廣泛，通常對車輛、船舶、飛機、管道和機床的關(guān)鍵部位進行試驗，確保零件的耐用性、可靠性和安全性等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機械零件的失效，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，通過實驗研究金屬材料抗疲勞的性能是有實際意義的。 而海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，重量大，建造費用高，并且處在一個惡劣的海洋環(huán)境當(dāng)中，同時受到多種隨機載荷，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、機械損傷和疲勞磨損積累等不利因素，直接影響海洋平臺的安全性和使用壽命[3]。 歷史上出現(xiàn)過許多海洋平臺的事故，而引起這些事故的直接原因無非就以下幾種：1.結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度不足，2.浮力儲備和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠，3.平臺管理和生產(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。 如今海洋鉆井平臺大致可分為導(dǎo)管架固定式平臺，自升式平臺，半潛式平臺，鉆井船，張力腿平臺。研究海洋平臺疲勞測試實驗臺設(shè)計，設(shè)計實驗?zāi)Ｐ偷目傮w結(jié)構(gòu)，分析相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，能夠為真正的海洋平臺的設(shè)計制造、安全監(jiān)測、設(shè)備維護、事故診斷提供實用的理論支持。對增強海洋平臺的可靠性和提高海洋平臺的使用壽命有著極大的實際意義。 二、文獻綜述 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) [1]研究材料的疲勞現(xiàn)象需要適當(dāng)?shù)脑囼灆C，早在1860年，一位著名的工程師通過調(diào)試首批旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機，便揭開了材料疲勞的規(guī)律特性，這種機械疲勞試驗機雖然機構(gòu)簡單，但仍然沿用至今，并具有巨大的使用價值。隨著技術(shù)的進步，計算機技術(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機，相比之下，它擁有以下的優(yōu)點： 1.頻率范圍廣、功能強大，控制系統(tǒng)的性價比高 2.負荷變化廣、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)或隨機波 4.響應(yīng)速度快，測量以及控制負荷、行程的速度快，而且精度高 5.通過配有上位機，可以進行復(fù)雜的程序控制，數(shù)據(jù)存儲、處理分析，打印和顯示結(jié)果 目前，擁有生產(chǎn)這種先進電液伺服疲勞試驗機能力的國家主要有美國、英國、日本、德國等，這些國家制造的電液伺服疲勞試驗機具有高精度，功能強大，性能良好，性價比高的優(yōu)點，因此，占據(jù)了大部分的市場。電液伺服疲勞試驗機是集機械、電子、計算機技術(shù)、液壓技術(shù)為一體的設(shè)備，可以準(zhǔn)確完成測試試驗力、變形、位移等變化并進行數(shù)據(jù)分析處理，顯示試驗結(jié)果。為了滿足工程材料的高頻疲勞測試，美國的電液高頻疲勞試驗臺如圖1，最大的負載能力達到25KN，試驗的工作頻率可達到1000HZ；日本在研制疲勞試驗機方面也是世界一流的，不僅研制了超高頻試驗機，該頻率可達15000HZ—30000HZ，最大應(yīng)力可達65Kg/m2，同時還推出了極具代表性的超聲波疲勞試驗機如圖2，超聲波疲勞試驗機的創(chuàng)建大大縮短了試驗周期，不僅節(jié)省了試驗成本，還在短時間內(nèi)得出試驗結(jié)果，為工程的建造贏得了寶貴的時間。 圖2日本的超聲波疲勞試驗機 圖1 MTS公司的電液高頻疲勞試驗臺 國內(nèi)的疲勞試驗機相對外國來說，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，國內(nèi)運用的疲勞試驗機仍然是機械式振動臺，后來，為了滿足國防工業(yè)壞人航空工業(yè)的需求，長春材料試驗機研究所成功研制出了高頻疲勞試驗機，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機，并取得了相應(yīng)的成果。在70年代末，國內(nèi)引進了英國研制的1603型電磁諧振高頻疲勞試驗機如圖3，并借鑒了其中的一些先進技術(shù)，研制出新型的高頻疲勞試驗機，當(dāng)時，國內(nèi)主要采用的疲勞試驗機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，國內(nèi)的科研單位開始重視電液伺服疲勞試驗機的研發(fā)和生產(chǎn)，把電液伺服技術(shù)融入到疲勞試驗機上。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試驗系統(tǒng)并順利通過驗收。而在2014年9月，在廣西桂林舉行了第十七屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會議”，會議上還展出了國家科技部重大科儀專項“”產(chǎn)品如圖4，說明我國的電液伺服疲勞試驗機的生產(chǎn)技術(shù)上升了一個高度。 圖4電液伺服動態(tài)疲勞試驗機 圖3電磁諧振高頻疲勞試驗機 從疲勞測試試驗臺的各個種類可以知道，都是通過測試單個零件，然后根據(jù)測試結(jié)果，得出相應(yīng)理論，并確定該零件是否適合運用于某個工程上。然而，對于海洋平臺疲勞測試實驗臺。利用應(yīng)變片、聲發(fā)射檢測儀傳感器對整個平臺進行實時監(jiān)測，但測試系統(tǒng)也往往比較復(fù)雜；不管是國內(nèi)還是國外，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，同時還會受到復(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，要對整個海洋平臺進行實時的監(jiān)測，無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 [1]趙玉建，王旭東等.電液伺服疲勞試驗機的計算機控制研究.濟南大學(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臺的分析研究.濟南大學(xué).機械制及其動化.2011.5 [3]劉國昊，何莎，王文韜.海洋油氣鉆采中海洋平臺環(huán)境載荷分析.2012. [4]Cannavaciuolo A.FPSO Technology and development.Procedure of the 8th Deep Offshore Technology.Rio de Janeiro，Brazil，1995. [5]Luo Yunrong，Wang Qingyuan，and Yang Bo.Low cycle fatigue tests on low carbon steel.College of Agriculture and Environment Sichuan University. [6]GU Fan，ZHOU Jing，LI Lin-pu.Study on fatigue test of submarine oil pipeline.School of Civil and Hydraulic Engineering.Dalian university of Technology. [7]裴雨霞.電液伺服疲勞試驗機的設(shè)計與仿真.長春理工大學(xué).機械制造及其自動化.2014.3. [8]陳立群.疲勞試驗臺的液壓伺服控制研究.合肥工業(yè)大學(xué).機械設(shè)計及理論.2012.4. [9]蔡宏.海洋鉆井平臺穩(wěn)定性分析研究.西安石油大學(xué).機械工程.2011.11. [10]周利.半潛式鉆井平臺動力定位推力系統(tǒng)理論設(shè)計及模型試驗研究.上海交通大學(xué).船舶海洋與建筑工程學(xué)院.2009.2. [11]歐進萍，肖儀清等.海洋平臺結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測系統(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/劉延俊主編.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.12 [13]Alok K.Jha.Nonlinear stochastic models for ocean wave loads and responses of offshore structures and vessels.Stanford university.January 1997 [14]安延濤等.海洋平臺相似模型實驗研究進展.濟南大學(xué).機械工程學(xué)院.山東.濟南.2008.10. [15]黃悅?cè)A，任克忍.我國海洋石油鉆井平臺現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展分析.寶雞石油機械有限責(zé)任公司.2007. 三、研究內(nèi)容 1．學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究內(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疲勞測試試驗臺設(shè)計，按比例縮放模擬建造出海洋平臺疲勞測試試驗臺的模型，通過在海風(fēng)層、海浪層和海流層上安裝動力輸出裝置，來模擬海洋平臺在海洋環(huán)境中受到的各種隨機或恒定的載荷，應(yīng)用傳感器如應(yīng)變花、熱敏傳感器、聲發(fā)射檢測儀、負載傳感器等來實時監(jiān)測海洋平臺在經(jīng)受外載荷作用時的動態(tài)，傳感器通過與上位機連接，把測試的結(jié)果經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換輸送到控制系統(tǒng)上，在控制裝置中存儲數(shù)據(jù)，并分析處理，得出相應(yīng)結(jié)果和實用的理論，為真正的海洋平臺的設(shè)計制造，安全監(jiān)測、設(shè)備維護、事故診斷提供實用的理論支持，盡可能避免海洋平臺發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂，疲勞破壞，平臺傾斜倒塌或下陷等事故。 主要研究內(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)計一套測試海洋平臺疲勞特性的模型實驗裝置，主要的研究內(nèi)容包括，海風(fēng)層、海浪層和海流層動力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)、海洋平臺的模型結(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類型的選擇。 1.擬解決的關(guān)鍵問題： （1）模擬海風(fēng)層的動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)的計算）； （2）模擬海浪層的動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)的計算）； （3）模擬海流層的動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)的計算）； （4）海洋平臺的自升式模型機構(gòu)，尺寸計算，強度校核； （5）傳感器的選取、電機的選取，包括傳感器的原理，電機的參數(shù)等； （6）四層圓環(huán)形鋼板結(jié)構(gòu)的確定，各動力輸出裝置在相對應(yīng)鋼板層的安裝問題； （7）上位機的選擇，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機的原理以及分析對比海洋平臺現(xiàn)有的升降機構(gòu)，從中總結(jié)并根據(jù)已學(xué)的機械原理、機械設(shè)計、液壓傳動的知識得出適合本課題設(shè)計的整體方案。所有的動力輸出裝置，都采用液壓傳動的結(jié)構(gòu)。與機械傳動、電力傳動、氣壓傳動相比，在同等功率的情況下，液壓傳動裝置體積小，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，對材料的要求較高，材料的剛度和強度都需要很高才能保證平臺的安全和穩(wěn)定性，使用重量輕的裝置，可以更好地符合實際情況。主要的設(shè)計路線則是： 第一步，設(shè)計出海洋平臺疲勞測試試驗臺模型主要結(jié)構(gòu)的工作原理示意圖； 第二步，調(diào)查分析海洋平臺的實際尺寸，按適當(dāng)?shù)谋壤s放得出模型的設(shè)計尺寸，通過三維軟件UG建立初步設(shè)想的海洋平臺疲勞試驗臺模型裝置的三維圖； 第三步，確定個零件的尺寸，進行相關(guān)計算，校核重要的裝置結(jié)構(gòu)，驗證三維圖模型是否得當(dāng)并作出適當(dāng)?shù)男薷?，嘗試制作三維模型的運動仿真； 第四步，選取適合的傳感器和電機并繪制相關(guān)圖紙。 自升式海洋平臺適用水深為5～90米，運用很廣，因此擬定海洋平臺的模型尺寸： 表2初定矩形平臺模型的主要尺寸（單位：cm) 平臺總長 80 四層圓形鋼板的外徑 160-180 平臺總寬 64 圓形鋼板的厚度 0.6 平臺厚度 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 200 平臺圓柱總長 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 整個疲勞試驗臺的動力輸出裝置原理圖如下： 四、論文（設(shè)計）進度安排 起止時間 主要內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 2015.3.9-2015.3-20 查找國內(nèi)外與課題相關(guān)的文獻，閱讀有關(guān)的論文，翻譯相關(guān)的英文文獻，認識了解疲勞試驗機機特別是電液伺服疲勞試驗機的工作原理 深刻理解國內(nèi)外疲勞試驗機的發(fā)展?fàn)顩r和先進技術(shù)，初步確定課題研究方向并完成開題報告，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，進行裝配和運動仿真，嘗試運動分析，得出運動和動力學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù) 2015.4.1-2015.4.25 進行相關(guān)尺寸的計算，校核關(guān)鍵部位的機構(gòu)強度，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)計資料，完成結(jié)題報告的書寫 整理形成畢業(yè)設(shè)計論文 2015.5.16-2015.5.26 準(zhǔn)備論文答辯 完成畢業(yè)設(shè)計答辯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。 2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時可召集開題報告會。 12 本科畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)答辯,海洋平臺疲勞測試試驗臺設(shè)計,匯報內(nèi)容,一.裝置的整體方案,,二.裝置的三維模型,三.重要機構(gòu)的設(shè)計和運動仿真,四.強度校核和有限元分析,五.二維圖,1.1 工作原理圖,一、裝置的整體方案,1.2 動力輸出裝置原理圖,二.裝置的三維模型,,2.1 總?cè)S裝配圖,1-海風(fēng)層和海流層液壓元件 2-旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 3-海洋平臺 4-試驗臺 5-升降機構(gòu) 6-海浪層液壓元件,圖2-1 三維圖,2.2 液壓元件三維圖,圖 2-2 海風(fēng)層和海流層液壓元件,,2.3液壓元件三維圖,圖 2-3 海浪層液壓元件,三.重要機構(gòu)的設(shè)計和運動仿真,3.1旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和運動仿真,1-試驗臺 2-滑塊架 3-液壓缸 4-小電機 5-錐齒輪1 6-錐齒輪2 7-連接軸 8-滾輪,圖 3-1 旋轉(zhuǎn)機構(gòu),3.2升降機構(gòu)和運動仿真,1-套筒1 2-液壓缸 3-小電機 4-齒輪 5-齒條 6-套筒2,圖 3-2 升降機構(gòu),四.強度校核和有限元分析,4.1懸臂梁校核,撓線方程：,轉(zhuǎn)角方程：,,圖 4-1 懸臂梁受力分析,4.1.1懸臂梁有限元分析,圖 4-2 位移-節(jié)點,圖 4-3 應(yīng)力-單元節(jié)點,4.1.1懸臂梁有限元分析,圖 4-4 反作用力,4.2 鍵連接校核,強度校核公式：,圖 4-5 鍵連接受力分析,4.3螺栓連接校核,螺栓的預(yù)緊力：,最大摩擦力滿足以下公式：,最大作用力為,，,圖 4-6 螺栓連接受力分析,4.4錐齒輪校核,校核公式：,圖 4-7 錐齒輪受力分析,4.4.1 錐齒輪有限元分析,圖 4-8應(yīng)力-單元節(jié)點,圖 4-9 反作用力=120.08N,4.1.1 錐齒輪有限元分析,X方向應(yīng)力,Y方向應(yīng)力,Z方向應(yīng)力,圖 4-10 X、Y、Z方向應(yīng)力,強度條件（第三強度理論）,4.5 連接軸校核,圖 4-11 連接軸受力分析,4.5.1連接軸有限元分析,圖 4-12 應(yīng)力-節(jié)點47.64MPa,圖 4-13 剪切應(yīng)力-節(jié)點,五.二維圖,見圖紙,請各位老師批評指正！, 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 海洋平臺疲勞測試試驗臺設(shè)計 摘 要 茫茫的海洋里蘊藏著豐富的石油、天然氣等資源，而海洋平臺是開發(fā)海洋資源的主要紐帶。然而，海洋平臺所處的環(huán)境非常復(fù)雜且惡劣，最上層有海風(fēng)侵襲，中間層有海浪拍打，最底層有海流腐蝕，在多個外載荷的影響下，海洋平臺的抗疲勞能力明顯下降。海洋平臺出現(xiàn)失效破壞會影響平臺的安全性和使用壽命，因此，對海洋平臺進行實時檢測顯得至關(guān)重要。 本課題通過研究海洋平臺疲勞測試試驗臺，根據(jù)海洋平臺的實際尺寸，按規(guī)定比例縮放創(chuàng)建出海洋平臺疲勞測試實驗臺模型的總體結(jié)構(gòu)，模擬海洋平臺在惡劣的環(huán)境條件下，受到海風(fēng)力、海浪力以及海流力的共同作用而出現(xiàn)疲勞損失和結(jié)構(gòu)斷裂，記錄好數(shù)據(jù)以及發(fā)生的原因并及時進行數(shù)據(jù)分析和處理。 總體提出了海風(fēng)、海浪、海流三層試驗臺工作的方案，確定了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)，校核了螺栓、鍵、懸臂梁和軸的強度，滿足設(shè)計要求。 為實際海洋平臺的安全監(jiān)測、設(shè)備維護、事故診斷提供實用的理論支持，對增強海洋平臺的可靠性和提高海洋平臺的使用壽命有著極大的幫助。 關(guān)鍵詞：海洋平臺；疲勞測試；試驗臺；外載荷； Abstract The vast ocean is rich in oil, natural gas and other resources and it is the main link between the exploitation of marine resources.However，the offshore platform encounters a complex and bad environment，there is wind in its topmost and its intermediate layer is patted by the waves and its lowest level is corroded by the ocean current.Under the influence of a plurality of external loads, the resistance to fatigue of offshore platform decreases significantly,besides，structural elements of the platform will be a variety of aging because of service life. Therefore,it is very important to test the safety of offshore all the time. This study is to design a piece of equipment of offshore platform fatigue test platform，depending on the actual size of the offshore platform and according to the provisions of scaling to create the overall structure of the offshore platform fatigue test bench model. Simulating offshore platform in harsh environmental conditions and it is forced by the sea wind, waves and currents force which leads to fatigue damage and fracture structure.Recording the data as well as the cause and timely analyzing and processing it. The test bench program of work of sea level, sea level, ocean current layer are proposed，determining the rotation mechanism and the lifting mechanism and checking the strength of bolts, keys, cantilever and shaft that meets the designing requirements. It provides theoretical and practical support for the safety monitoring, equipment maintenance and accident diagnostics of the offshore platforms that it is very helpful to enhance the reliability and improve the life of offshore platforms. Key words: offshore platform；fatigue test ；test bench；external load； 目 錄 1 緒論...... 1 1.1 引言 1 1.1.1 研究背景和意義 2 1.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.1.3 本文研究的內(nèi)容 4 2 海洋平臺疲勞測試試驗臺研究方案 6 2.1 工作原理及方案 6 2.1.1 工作原理 6 2.1.2 方案一 7 2.1.3 方案二 8 2.2 最后采用方案 10 2.2.1 海風(fēng)層工作原理 10 2.2.2 海流層工作原理 11 2.2.3 海浪層工作原理 12 2.3 小結(jié) 13 3 海洋平臺主要外載荷計算 16 3.1 確定模型所受外載荷 16 3.1.1 風(fēng)載荷計算 16 3.1.2 海浪載荷計算 18 3.1.3 海流載荷計算 18 3.2 小結(jié) 19 4 各元件的選擇及計算 20 4.1 海風(fēng)層與海流層的液壓缸選擇 20 4.2 海浪層液壓缸選擇 21 4.3 電機的選擇 22 4.4 傳感器的選擇 23 4.5 小結(jié) 25 5 關(guān)鍵部位的強度校核 26 5.1 液壓缸強度校核 26 5.2 錐齒輪強度校核 27 5.3 平臺立柱強度校核 31 5.5 鍵連接的強度校核 34 5.6 螺栓強度校核 35 5.7 連接軸的強度校核 36 5.8 小結(jié) 39 結(jié)論與展望 40 參考文獻 41 致 謝 43 III 1 緒論 1 緒論 1.1 引言 目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟，各個國家都更加注重海洋資源的開發(fā)和利用，而更多地建立新型的海洋平臺是開采海洋資源的主要渠道之一。為了適應(yīng)復(fù)雜多變，更加危險的深海區(qū)域，海洋平臺的種類也在逐步變化，縱觀海洋平臺的發(fā)展歷程，海洋平臺的發(fā)展會經(jīng)歷簡單到復(fù)雜再到簡單的過程。不僅結(jié)構(gòu)變化，海洋平臺建造時所采用的材料也在變化，從木材建造到鋼材建造，再到鋼筋混泥土建造；結(jié)構(gòu)形式由固定式到移動式，作業(yè)水深由淺水發(fā)展到幾千米深的海域。 按照用途分，海洋平臺可分為[1]：1.石油鉆井平臺 2.海上石油儲存平臺 3.油氣處理平臺 4.生活用以及船舶停靠平臺。 按照能否移動可分為：移動式和固定式海洋平臺。前者還能分為坐地式海洋平臺、自升式海洋平臺、半潛式海洋平臺，而后者也可以分為導(dǎo)管架海洋平臺、混泥土重力式海洋平臺、張力腿式海洋平臺和牽索塔式海洋平臺。 按照材質(zhì)則可以分為：木質(zhì)平臺、鋼質(zhì)平臺、鋼筋混泥土平臺和混搭式平臺。 不管是哪種海洋平臺，它都處于一個及其復(fù)雜，難以預(yù)估的環(huán)境當(dāng)中，這種沒有規(guī)律的外界干擾極大影響了海洋平臺的安全性。在海洋平臺建造和使用的過程中，歷史上也發(fā)生了很多次重大事故，這些事故發(fā)生的直接原因無非就以下幾種:1.結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度不足，2.浮力儲備和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠，3.平臺管理和生產(chǎn)操作不當(dāng)， 結(jié)構(gòu)破壞的形式又分為：⑴屈服失效破壞，⑵疲勞失效，⑶脆性斷裂失效[1]。 這些事故發(fā)生的原因通常情況不會是瞬間就發(fā)生的，而是長期積累的結(jié)果，是需要一個發(fā)展過程的，如果我們能夠在事故發(fā)生之前，通過一套裝置來檢測到平臺存在的危險情況，對于現(xiàn)有的災(zāi)難性問題，就能及時提出更好的解決方案，從而降低事故的發(fā)生率，經(jīng)濟的損失和人員傷亡也會及時得以控制。 當(dāng)今，國內(nèi)外對海洋平臺疲勞失效的實時檢測沒有深入的研究，一方面，研究的問題復(fù)雜多變，無規(guī)律；另一方面，需要大量的經(jīng)濟來源和技術(shù)支持；所以，開發(fā)一套能實時檢測平臺安全狀況的裝置迫在眉睫，并具有實用性和極大的價值意義。 1.1.1 研究背景和意義 近年來，隨著社會的發(fā)展，各種各樣的機器如汽車、飛機、船舶、工業(yè)設(shè)備農(nóng)業(yè)機器等得到了普及。然而，這些交通工具或其他機械設(shè)備也需要越來越多的能源，陸地上的石油、天然氣、煤炭等資源已經(jīng)不能完全滿足人類的需求，因為大部分的陸上油田開采量已經(jīng)超過可開采儲量的70%，可以說，大陸架油氣資源的開發(fā)已經(jīng)度過黃金期。為了更好地促進和保持社會的平穩(wěn)發(fā)展，向海洋開采更多的資源已經(jīng)亟不可待。 在地球上，有70%的面積屬于海洋，它蘊藏著豐富的能源資源，據(jù)估計，海底石油的總含量約有1350億噸，占據(jù)了世界石油總儲量的2/3。另外，海底約有140萬億平方米的天然氣，約是世界總天然氣的1/3。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)備根本無法開采。種種原因，不得不使人們想方設(shè)法向海洋這個大資源市場進軍，各種開采和利用海洋資源的工具設(shè)備被創(chuàng)造出來，如水下機器人、波浪能發(fā)電機、水下自主航行器、潮汐能發(fā)電機、海洋鉆井平臺、海底探測器等。 海洋平臺是海上資源開發(fā)的橋梁，在海上實施鉆井、開采石油、集中運輸、海上觀測、遠距離導(dǎo)航等各種海上作業(yè)都需要依靠海洋平臺。世界許多國家如日本、韓國、美國、英國、挪威等都是與海洋相鄰，擁有很多海洋領(lǐng)域，這些國家都看重海洋資源的開發(fā)和利用。因此，建造更多的海洋平臺或者開創(chuàng)更先進的海洋平臺已經(jīng)成為這些國家的重點項目之一。所以，確保海洋平臺的安全性、可靠性、經(jīng)濟性和實用性不僅能夠避免重大事故的發(fā)生，而且還能夠順利、方便、快捷、高效地利用海上資源。 疲勞試驗機應(yīng)用廣泛，通常對車輛、船舶、飛機、管道和機床的關(guān)鍵部位進行疲勞試驗，確保零件的耐用性、可靠性和安全性等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機械零件在工作時，大部分的零件失效是疲勞導(dǎo)致的，而最后出現(xiàn)的結(jié)果往往會產(chǎn)生極大的危害。因此，通過實驗研究金屬材料抗疲勞的性能是有實際意義的。 海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，并且它處在一個惡劣的海洋環(huán)境當(dāng)中，同時受到多種隨機載荷，包括海風(fēng)力、海浪力、海流力、 海冰、地震等聯(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、機械損傷和疲勞磨損積累等不利因素，直接影響海洋平臺的安全性和使用壽命[2]。 本課題通過研究海洋平臺疲勞測試實驗臺，提出解決問題的可行方案，為實際海洋平臺的安全監(jiān)測、設(shè)備維護、事故診斷提供實用的理論支持，保證海洋平臺能夠處于一個良好的工作狀態(tài)。 1.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 海洋平臺疲勞測試試驗臺的工作原理與一般的疲勞測試試驗機的工作原理大致相同。疲勞測試試驗機有機械式、超聲波式、電磁諧振高頻疲勞式等種類，隨著科技的進步，計算機技術(shù)的逐步成熟，液壓控制系統(tǒng)的日臻完善,如今，良好的頻率跟隨性是電液伺服疲勞試驗機的特點之一，它擁有以下的優(yōu)點： 1.頻率范圍廣、功能強大，控制系統(tǒng)的性價比高 2.負荷變化廣、可靠性高 3.可加載各種波形，如正弦波、方波、三角波等及任意函數(shù)波 4.響應(yīng)速度快，測量以及控制負荷、行程的速度快，而且精度高 5.通過配有上位機，可進行復(fù)雜的程序控制，數(shù)據(jù)存儲、處理分析，打印和顯示結(jié)果 以上這些優(yōu)點，正好可以滿足模擬海風(fēng)力、海流力和海浪力的輸出。 目前，擁有生產(chǎn)這種先進電液伺服疲勞試驗機能力的國家主要有美、英、日、德等國，這些國家制造的電液伺服疲勞試驗機具有高精度，功能強大，性能良好，性價比高的優(yōu)點。電液伺服疲勞試驗機是集機械、電子、計算機技術(shù)、液壓技術(shù)為一體的設(shè)備，可以準(zhǔn)確完成測試試驗力、變形、位移等變化并進行數(shù)據(jù)分析處理，顯示試驗結(jié)果。為了滿足工程材料的高頻疲勞測試，美國研制出了電液高頻疲勞試驗臺如圖1-1，最大的加載力達到25KN，試驗的工作頻率高達1000HZ；日本在研制疲勞試驗機方面也是世界一流的，不僅研制了超高頻試驗機，該頻率可達15000HZ—30000HZ，最大應(yīng)力可達65Kg/m2，同時還推出了極具代表性的超聲波疲勞試驗機如圖1-2，超聲波疲勞試驗機的創(chuàng)建大大縮短了試驗周期，不僅節(jié)省了試驗成本，還在短時間內(nèi)得出試驗結(jié)果，為工程的建造贏得了寶貴的時間。 國內(nèi)的疲勞試驗機相對外國來說，起步比較晚，技術(shù)落后，性能差，但發(fā)展快。在20世紀(jì)50年代，國內(nèi)采用的疲勞試驗機仍是機械式振動臺；到70年代，國內(nèi)引進了英國研制的1603型電磁諧振高頻疲勞試驗機如圖1-3，并借鑒了其中的一些先進技術(shù)，研制出新型的高頻疲勞試驗機。在2014年9月，在廣西桂林舉行了第十七屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會議”，會議上還展出了國家科技部重大科儀專項“”產(chǎn)品電液伺服疲勞試驗機如圖1-4，說明我國的電液伺服疲勞試驗機的生產(chǎn)技術(shù)提升了一個高度。 從疲勞測試試驗臺的各個種類可以知道，都是通過測試單個零件，然后根據(jù)測試結(jié)果，得出相應(yīng)理論，并確定該零件是否適合運用于某個工程上。然而，對于海洋平臺疲勞測試實驗臺，是利用應(yīng)變片、聲發(fā)射檢測儀等傳感器對整個平臺進行實時監(jiān)測，但測試系統(tǒng)也往往比較復(fù)雜；在國內(nèi)外，現(xiàn)有的技術(shù)成果較少，相關(guān)的研究又需要大量的經(jīng)費，同時還會受到復(fù)雜多變的環(huán)境問題的影響，平臺受到的載荷往往是不規(guī)律的，多因素造成的，另外，要對整個海洋平臺進行實時監(jiān)測，也是具有很大難度的，這些都給研發(fā)帶來了巨大的困難。 圖 1-1 MTS公司的電液高頻疲勞試驗臺 圖 1-2 日本的超聲波疲勞試驗機 圖 1-3 電磁諧振高頻疲勞試驗機 圖 1-4 電液伺服動態(tài)疲勞試驗機 1.1.3 本文研究的內(nèi)容 本課題主要研究的目的是設(shè)計一套測試海洋平臺疲勞特性的模型實驗裝置，主要的研究內(nèi)容包括，海風(fēng)層、海浪層和海流層動力輸出裝置的液壓回路結(jié)構(gòu)、海洋平臺的模型、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、升降機構(gòu)和四層圓環(huán)形鋼板結(jié)構(gòu)以及傳感器和電機的選擇。 1. 擬解決的關(guān)鍵問題： （1）模擬海風(fēng)層的動力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)； （2）模擬海浪層的動力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)； （3）模擬海流層的動力輸出裝置的液壓結(jié)構(gòu)； （4）海洋平臺的模型，尺寸計算，強度校核； （5）傳感器的選取、電機的選取，包括傳感器的原理，電機的參數(shù)等； （6）四層圓環(huán)形鋼板結(jié)構(gòu)的確定，各動力輸出裝置在相對應(yīng)鋼板層的安裝問題； (7) 轉(zhuǎn)動機構(gòu)和升降機構(gòu)的確定。 43 2 海洋平臺疲勞測試試驗臺研究方案 2 海洋平臺疲勞測試試驗臺研究方案 2.1 工作原理及方案 2.1.1 工作原理 海洋平臺疲勞測試試驗平臺主要由動力裝置、傳動裝置、執(zhí)行裝置、工作對象和控制裝置五部分組成，其原理框圖如圖2-1： 圖 2-1 試驗臺工作原理框架圖 各個實驗層均由液壓回路控制，電機或氣動馬達作為動力源，通過液壓回路中的各個元件如液壓泵、換向閥、溢流閥和壓力繼電器等進行控制，改變壓力的大小、流量的多少和方向來實現(xiàn)所需要求。液壓缸作為動力輸出的執(zhí)行機構(gòu)，作用在固定的試驗臺上，根據(jù)實際的外載荷情況，模擬載荷按照一定規(guī)律輸出。同時，海洋平臺上安裝有傳感器，實時檢測海洋平臺的變形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，采用上位機作為控制裝置，上位機的控制原理如圖2-2，把檢測到的信號輸送到上位機，上位機對這些信號進行分析、處理和保存。 圖 2-2 上位機控制原理圖 2.1.2 方案一 對于一種機械設(shè)備來說，通常有不同的設(shè)計方案，那么就需要根據(jù)需要滿足的功能，制造成本，現(xiàn)有技術(shù)等條件，分析各個方案的優(yōu)缺點，最后取長補短，得出最佳方案。對于設(shè)計海洋平臺疲勞測試試驗臺，重點是設(shè)計疲勞試驗臺而并非海洋平臺，試驗層應(yīng)該滿足兩個功能：第一，實際的外載荷方向不定，液壓缸輸出載荷時，應(yīng)盡可能在各個角度工作，即可以旋轉(zhuǎn)；第二，外載荷的作用點也不確定，試驗層應(yīng)該滿足升降功能。 圖 2-3 圓弧導(dǎo)軌 圖 2-4 齒輪齒條升降機構(gòu) 方案一所采用的圓弧導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)機構(gòu)原理如圖2-3，液壓缸穩(wěn)穩(wěn)地安裝在圓弧導(dǎo)軌滑塊上，滑塊能夠順著圓弧導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)，并在不同位置上定位。 采用的升降機構(gòu)如圖2-4，整個機構(gòu)主要由電機、齒輪、齒條、液壓缸組成，齒輪由電機帶動，并使大齒條帶動平臺實現(xiàn)上升和下降功能，液壓缸起鎖緊作用。 2.1.3 方案二 方案二的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖2-5，機構(gòu)由三個輪子、錐齒輪、滑塊架和電機組成，電機帶動錐齒輪，錐齒輪通過軸驅(qū)動輪子運轉(zhuǎn)并繞著圓弧試驗臺旋轉(zhuǎn)，推動滑塊架一起轉(zhuǎn)動，液壓缸固定于滑塊架上，這樣就可以讓液壓缸在不同的角度位置停留固定。 圖 2-5 旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 1-試驗臺 2-滑塊架 3-液壓缸 4-電機 5-錐齒輪1 6-錐齒輪2 7-連接軸 8-滾輪 圖 2-6升降機構(gòu) 1-套筒1 2-液壓缸 3-小電機 4-齒輪 5-齒條 6-套筒2 升降機構(gòu)如圖2-6，由液壓缸、小電機、齒輪齒條組成，升降時，上套筒的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動齒條，把與齒條焊接的鎖緊桿拔出，液壓缸工作，到某個位置并停止，則鎖緊桿又往回運動，實現(xiàn)鎖緊。接著，下套筒的鎖緊桿慢慢拔出，之后，試驗臺上升到指定位置，鎖緊桿恢復(fù)原來狀態(tài)，實現(xiàn)鎖緊固定。 （1） 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)的運動仿真 對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)進行運動仿真，可以更好地理解這兩個主要機構(gòu)的工作過程。如圖2-7、圖2-8、圖2-9、圖2-10分別是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作位置一、位置二、位置三和位置四。所有位置的過程如下：滑塊架固定——液壓缸活塞桿伸出工作——液壓缸停止工作——電機、錐齒輪旋轉(zhuǎn)工作——滑塊架固定。 圖 2-7 位置一 圖2-8位置二 圖 2-9 位置三 圖2-10位置四 升降機構(gòu)的仿真工作過程如圖2-11、圖2-12、圖2-13、圖2-14、圖2-15、圖2-16代表動作一、動作二、動作三、動作四、動作五、動作六。整個工作流程是周而復(fù)始的，依次順序是：上面的小電機和齒輪動作，齒條拔出——液壓缸和套筒1上升——上面的小電機和齒輪動作，齒條插入鎖緊——下面的小電機和齒輪動作，齒條拔出——試驗臺和套筒2上升——下面的小電機和齒輪動作，齒條插入鎖緊。 圖 2-11 動作一 圖 2-12 動作二 圖 2-13 動作三 圖 2-14 動作四 圖 2-15 動作五 圖 2-16 動作六 2.2 最后采用方案 從兩個方案來看，各有優(yōu)缺點，經(jīng)過對比分析可知道，方案一的優(yōu)點：1.可以實現(xiàn)精確定位；2.升降機構(gòu)的升降行程大，穩(wěn)定性高。 不足之處：旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)的一些零件加工困難，質(zhì)量重，成本高。 方案二的優(yōu)點：1.加工簡單，質(zhì)量輕，成本低；2.控制方便，裝配、拆卸等簡單。 不足：定位的精確度沒有方案一高。 本次設(shè)計的目的是做出模型，并可以順利工作；從優(yōu)缺點對比可知，方案二的設(shè)計不僅可以節(jié)約大量成本，節(jié)約資源，還能滿足模型的各種功能要求，所以，決定選擇方案二。 2.2.1 海風(fēng)層工作原理 海風(fēng)層工作原理如圖2-17，海風(fēng)層動力輸出裝置為脈沖力氣動裝置，其包括氣馬達1、電磁換向閥2、壓力繼電器3、氣缸4，開啟后，電磁換向閥的左位工作，同時氣馬達工作為整個工作回路加壓，當(dāng)壓力達到預(yù)定值時壓力繼電器工作，導(dǎo)致氣缸瞬間輸出一個可控的脈沖力，然后電磁換向閥換到右位工作，整個工作回路卸載，完成一次動作。 圖 2-17 海風(fēng)層動力輸出裝置原理 2.2.2 海流層工作原理 海流層工作原理如圖2-18，海流層動力輸出裝置為恒力液壓裝置，其包括過濾器、單向定量液壓泵、三位四通電磁換向閥、單作用式液壓缸。定量液壓泵工作回路中的液壓油經(jīng)過濾器進入該回路中，三位四通電磁換向閥的左位工作，導(dǎo)致單作用式液壓缸工作而輸出一個恒力，單作用式液壓缸工作完成后三位四通電磁換向閥的右位工作，工作回路卸載完成一次動作。 圖 2-18 海流層動力輸出裝置原理 2.2.3 海浪層工作原理 海浪層工作原理如圖2-19，海浪層動力輸出裝置為正弦液壓裝置，此正弦液壓裝置有快進、慢進、工進和快退四種工作模式，具體的工作順序如下： a.快進:按下啟動開關(guān)，電磁鐵1YA得電，三位四通換向閥左位工作，形成差動回路以實現(xiàn)快進。 進油路：油箱→過濾器→單向定量液壓泵→三位四通換向閥→液壓缸左腔 回油路：液壓缸右腔→行程閥→三位四通換向閥→液壓缸左腔 此快進過程中，溢流閥起安全閥作用，由于采用定量泵，所以液壓缸活塞桿勻速前進。 b.慢進:當(dāng)液壓缸活塞桿伸出到規(guī)定行程，行程閥被觸動，右位工作。 進油路：油箱→過濾器→單向定量液壓泵→三位四通換向閥→液壓缸左腔 回油路：液壓缸右腔→調(diào)速閥→油箱 由于調(diào)速閥的作用而實現(xiàn)慢進。 c.工進:當(dāng)液壓缸活塞桿到達受力體后，液壓缸左腔積壓，第一壓力繼電器動作，此時3YA，4YA同時動作，I電流信號經(jīng)過電流放大器輸入，第一、第二電磁換向閥、分別下位、右位工作。在保證油路安全的條件下，調(diào)節(jié)直動式溢流閥溢流壓力始終大于先導(dǎo)式溢流閥的溢流壓力。 進油路：油箱→過濾器→單向定量液壓泵→三位四通換向閥→液壓缸左腔 回油路：液壓缸右腔→第二電磁換向閥→油箱 工進時，先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)定壓力由其先導(dǎo)閥的開關(guān)量大小決定，將溢流閥的遙控口連接到比例溢流閥，輸入電流經(jīng)電流放大器來控制閥的溢流量大小從而控制閥的溢流量大小，最終達到調(diào)節(jié)P處壓力的目的，這樣就可以通過編程控制電流的變化來獲得液壓缸輸出不斷變化的壓力。 d.快退:按下快退按鈕，電磁鐵2YA通電，3YA斷電，4YA斷電，三位四通換向閥右位工作，第二換向閥左位工作，第一換向閥上位工作，此時，溢流閥的遙控口與比例溢流閥斷開。 進油路：油箱→過濾器→單向定量液壓泵→三位四通換向閥→單向閥→液壓缸右腔 回油路：液壓缸左腔→三位四通換向閥→油箱 當(dāng)活塞桿退回原位置后，液壓缸右腔積壓，第二壓力繼電器動作，整個裝置停止工作，恢復(fù)到原始狀態(tài)，系統(tǒng)卸荷。 圖 2-19海浪層動力輸出裝置原理 整個裝置按照裝配來分，可以分為海洋平臺、試驗臺、升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和動力輸出裝置如圖2-20，海洋平臺與試驗臺通過圓柱套和立柱套固定在地面上，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上的液壓缸工作時作用在平臺上，海風(fēng)層和海浪層的液壓元件如圖2-21和海浪層的液壓元件如圖2-22。 2.3 小結(jié) 本章節(jié)在傳統(tǒng)的疲勞測試試驗機的測試原理基礎(chǔ)上，確定了各動力輸出裝置的工作原理，采用電液伺服控制系統(tǒng)相對機械式、電磁式的控制或驅(qū)動方式來說，有明顯的優(yōu)勢。另外，通過比較借鑒齒輪齒條的升降原理以及圓弧導(dǎo)軌的滾動方式，得出了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)的最終方案，滿足了整個裝置升降和在任意角度工作的要求的設(shè)計。 圖 2-20 三維裝配圖 1-海風(fēng)層和海流層的液壓元件 2-旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 3-海洋平臺 4-試驗臺 5-升降機構(gòu)6-海浪層液壓元件 圖 2-21 海風(fēng)層和海流層的液壓元件 圖 2-22 海浪層液壓元件 3 海洋平臺主要外載荷計算 3 海洋平臺主要外載荷計算 3.1 確定模型所受外載荷 海洋平臺受到的外載荷通常是多種多樣且不規(guī)律的，如風(fēng)載荷、海流載荷、海浪載荷和冰載荷，在特殊情況下，還可能受到地震載荷和外來的撞擊載荷。在這里，為了方便模擬，僅僅計算主要的載荷:風(fēng)載荷、海浪載荷和海流載荷。 3.1.1 風(fēng)載荷計算 海洋平臺所受風(fēng)載荷采用模塊化的計算方法，也就是把整個結(jié)構(gòu)分散成各個易于計算的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件模塊，最后把各構(gòu)件所受的載荷疊加在一起得到總載荷。模塊化計算法得到的載荷是一個范圍值，如果要得到較準(zhǔn)確的值，則需要進行風(fēng)洞試驗。 標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件受到的風(fēng)載荷可以用公式[3]: （3-1） 公式中：P0為基本風(fēng)壓，Ch為平臺距離水平面的高度系數(shù)，Cx為平臺的形狀系數(shù)，A為平臺各標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的垂直投影面積 （3-2） 公式中：g是重力加速度g=9.8m/s2，r是空氣比重r=12N/m3，V是設(shè)計風(fēng)速V=51.5m/s 由（3-1）和（3-2）得[3]: （3-3） 表3-1 海上風(fēng)壓高度變化系數(shù)Ch 海平面以上高度，m ≤2 5 10 15 20 30 40 Ch 0.64 0.84 1.00 1.10 1.18 1.29 1.37 海平面以上高度，m 50 60 70 80 90 100 150 Ch 1.43 1.49 1.54 1.58 1.62 1.64 1.79 表3-2 模型物理量的轉(zhuǎn)換關(guān)系 表3-3 風(fēng)壓的系數(shù)K值 構(gòu)件形狀 Cx 球形 0.4 圓柱形 0.5 大的平面 1.0 甲板室或類似結(jié)構(gòu) 1.1 鋼索 1.2 鉆機井架 1.25 甲板下面積 1.30 獨立的結(jié)構(gòu)形狀 1.50 表3-4 實際風(fēng)載荷與模擬風(fēng)載荷 序號 模塊名稱 高度系數(shù) Ch 形狀系數(shù) Cx 垂直投影面積m2 實際載荷N 模擬載荷N 1 海洋平臺 1.18 1 120 230217.5 230.218 2 甲板室1 1.18 1 89 170744.6 170.745 3 甲板室2 1.18 1 16.5 31654.9 31.655 4 井架1 1.1 1.25 41.74 92706.9 92.707 5 井架2 1.18 1.25 67.49 161847.7 161.878 6 井架3 1.29 1.25 28.8 75503.6 75.504 7 固樁室 1.1 1.1 163.2 321055.8 321.056 8 樁腿1 1 0.5 195.2 158681.0 158.681 9 樁腿2 1 0.5 195.2 158681.0 158.681 10 樁腿3 1 0.5 195.2 158681.0 158.681 11 樁腿4 1 0.5 195.2 158681.0 158.681 12 起重機底座 1.1 0.5 9.12 8155.2 8.155 13 起重機把桿 1.1 1.25 30.72 27470.0 27.470 14 起重機1 1.18 1.5 21.6 62158.8 62.159 15 起重機2 1.29 1.25 43.2 113255.3 113.255 16 直升機甲板 1.18 1.25 8.64 20719.6 20.720 17 直升機甲板支撐座 1.18 1.25 6.50 15587.7 15.588 總計 1998421.6 1998.422 由此可知：模型樁腿受到的風(fēng)載荷為158.681N 3.1.2 海浪載荷計算 小尺度結(jié)構(gòu)的海洋平臺，其單位長度上的波浪載荷通常用莫里森公式[3](3-4)計算，主要計算拖拽力和慣性力，繞射力可以忽略不計， （3-4） 公式中：ρ為海水密度取值1.025g/cm3，Cv為拖拽力系數(shù)取值0.7，Cm為慣性力系數(shù)取值2.0，u為水質(zhì)點水平速度，因為時正時負，所以用絕對值|u|u來代替正負，?為水質(zhì)點的加速度。 A為單位長度投影面積，若為圓形，則A=Dx1=D m2，D為圓形構(gòu)件直徑取值為5m。 則作用于單個圓柱件上的波浪載荷[3]： （3-5） S為最大浪高。 用Stokes波浪理論方程（3-6）和（3-7）確定水質(zhì)點速度u及w，公式如下： （3-6） （3-7） 得到模型海浪載荷為408.23N。 3.1.3 海流載荷計算 作用在圓形樁腿單位長度上的海流力[3]： （3-8） 公式中：ρ為海水密度取值1.025g/cm3，A為單位長度投影面積，若為圓形，則A=Dx1=D m2， D為圓形構(gòu)件直徑取值為5m，CD為阻力系數(shù)取值為1.05，u2c為自海底以上高度為Z出的海流速度。 則海流力[3]： （3-9） （3-10） 公式中：d為海水深度，取值為122m，U為海面的海流速度值0.77m/s，Z為距離海底的高度，所以： 則轉(zhuǎn)化為模擬海流載荷為255.31N。 3.2 小結(jié) 本章節(jié)的工作主要是通過弗勞德相似原則確定計算了模型的主要尺寸以及運用相關(guān)的公式如莫里森公式，計算了模型受到的外載荷，計算是基于實際的平臺受到的外載荷經(jīng)過簡化外界影響因素而縮放得到的結(jié)果，在一定程度上，具有足夠的可靠性，同時，確定了液壓缸工作的加載規(guī)律。 4 各元件的選擇及計算 4 各元件的選擇及計算 4.1 海風(fēng)層與海流層的液壓缸選擇 海風(fēng)層的液壓缸，需要的最大負載為F1=158.681N，相對來說，負載比較小，所以初步選擇液壓缸的進口壓力為P1=0.2MPa?；赜蛪毫榇髿鈮篜2=0.101325MPa，由公式[7]： （4-1） （4-2） （4-3） 公式中：A1為無桿腔的有效面積，A2為有桿腔的有效面積，D為液壓缸缸筒直徑，d為活塞桿直徑，所以： （4-4） 令 （4-5） 則d=0.5345，求得D=34.4mm d=18.37mm。圓整為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，取D=40mm，d=20mm， 此時： 為了滿足輸出力的大小，現(xiàn)在取P1=0.3MPa，壓力損失為0.02MPa。 此時F=281.49N>158.681N(符合要求），同時F=281.49N>255.31N 最小導(dǎo)向長度H的確定： 最小導(dǎo)向長度是指活塞桿完全伸出時活塞支撐面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離。液壓缸的初始撓度會因過短的導(dǎo)向長度而增大，此時，液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性也受到影響。所以，在設(shè)計時應(yīng)該確保液壓缸有一個合適的最小導(dǎo)向長度H如圖4-1。 圖 4-1 液壓缸 最小導(dǎo)向長度計算公式： （4-6） 公式中:L--最大工作行程,D--缸筒內(nèi)徑。 液壓缸的最大升起高度為300mm，依據(jù)課本《液壓與氣壓傳動》第二版表3-4選取液壓缸工作行程為：L=160mm。 故L=0.8m,D=0.08m,代入公式(4-6)得： 活塞寬度B的計算： 取B=30mm。 導(dǎo)向套滑動面的長度A=（0.6~1.0）d，由已知的數(shù)據(jù)，d=20mm，故取，取A=15mm。 中隔圈K的長度C，由公式 （4-7） 得：。 另外，管接頭選擇扣壓式，油管采用塑料管或低壓橡膠管，用O型密封圈。 4.2 海浪層液壓缸選擇 海浪層的液壓缸有快進、慢進、工進、快退四個工作階段，為滿足快進和快退的速度相等，選用單出桿式活塞缸，快進時用差動連接的方式，設(shè)液壓缸的兩個有效面積為A1和A2。且A1=2A2，即d=0.707D。 取慣性負載為40牛，重力負載為0，摩擦阻力10N，液壓缸機械效率為0.9，啟動加速時F=（40+10）/0.9=55.56N， 快進F=10/0.9=11.1N，工進F=（408.23+10）/0.9=464.7N，快退F=11.1N，取回油背壓P2=0.25Mpa，而液壓缸快退時背壓取0.18MPa，壓力損失為0.1MPa，取最大負載時的工作壓力為0.4MPa。 液壓缸內(nèi)徑： 對D圓整取D=50mm，由，經(jīng)過圓整得d=36mm，所以A1=19.325cm2，A2=10.174cm2 工進時采用的調(diào)速閥調(diào)速，其最小穩(wěn)定流量,根據(jù)設(shè)計要求最低工進速度,滿足要求。 表4-1海浪層四個工作模式 工作循壞 計算公式 負載F/N 回油背壓P2/MPa 進油壓力P1/MPa 輸入流量q1/L/min 輸入功率 P/W 快進 啟動加速 55.6 P2=P1+0.1 0.172 —— —— 恒速 11.1 P2=P1+0.1 0.123 5.49 11.25 工進 464.7 0.25 0.372 0.038~0.232 0.23~1.41 快退 啟動加速 55.6 0.1 0.244 —— —— 恒速 11.1 0.1 0.200 6.10 20.41 系統(tǒng)的泄漏系數(shù)取K=1.2，則 選額定流量為8L/min,快退時，功率最大，壓力損失為0.1MPa，所以此時壓力為3.008MPa，液壓泵總效率為ηp=0.8，則液壓泵驅(qū)動快退快進的功率P。 為滿足要求，電機與海風(fēng)層的相同即可。 4.3 電機的選擇 電機作為動力源，對整個裝置有較大的影響，選擇電機時，主要根據(jù)整個輸出機構(gòu)的功率，扭矩，轉(zhuǎn)速等參數(shù)來計算電機的參數(shù)。如果電機的功率過大，則會造成不必要的能源浪費，但電機功率過小，有不能滿足所需，所以，必須選擇正確的電機。 （1）海風(fēng)層與海流層的電機選擇 在海風(fēng)層與海流層中，液壓缸的工作速度取3m/min,啟動換向時間t=0.2s，液壓缸機械效率為0.9，全程壓力損失0.2MPa，則進入無桿腔的流量 （4-8） 得 泄漏系數(shù)取K=1.1，則液壓泵的理論流量值 選型GB-B4，額定流量為6L/min，轉(zhuǎn)速為1450r/min。 理論功率： 則電機功率： 為滿足要求，選擇型號為YS5614，功率p=60W，轉(zhuǎn)速n=1400r/min的電機。 （2）其他小電機的選擇 帶動錐齒輪的小電機選擇型號-XD-37GB520，DC12V，功率為60W，空載速度n=30r/min,額定轉(zhuǎn)速為21r/min，扭矩T=12Kg.cm。帶動小齒輪的小電機選擇型號為37GB90-500.功率為10W，轉(zhuǎn)速70r/min,扭矩7Kg/cm。 4.4 傳感器的選擇 傳感器是準(zhǔn)確采集系統(tǒng)信息的首選零件，是完成測量和自動控制的主要階段。其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測、航天航空、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中都被高度重視。傳感器的檢測原理流程圖如圖4-2： 圖 4-2 傳感器檢測流程 傳感器的種類相當(dāng)多，在本次設(shè)計中，采用的傳感器是應(yīng)變花和聲發(fā)射檢測儀。 應(yīng)變花也叫應(yīng)變片，它通常貼在被測的物體上，在被測物體發(fā)生應(yīng)變時一起伸縮變化，而讓應(yīng)變片里的金屬箔材料伸長或縮短，金屬箔材料的微小變形都會引起電阻的變化，外力作用于物體而產(chǎn)生的應(yīng)力通過測量應(yīng)變來計算： （4-9） K為比例常數(shù)，由材料而定，R為電阻值,通常為以質(zhì)量，ΔR為變化值 只要能測出電阻的微小變化，就可以知道物體的應(yīng)變，從而算出應(yīng)力。檢測電阻的微小變化一般用惠斯通電橋，如圖4-3所示，R1、R2、R3和R4四個電阻組成電橋的橋臂。流過R1的電流： (4-10) R1兩端的壓差： (4-11) R3兩端的壓差： (4-12) 則電橋的輸出電壓： (4-13) 由該公式可知：當(dāng)R1R4=R2R3時，U0=0，此時，電橋處于平衡狀態(tài)。ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4是處于平衡狀態(tài)的電橋各橋臂的電阻增量，則電橋輸出的電壓： (4-14) 圖 4-3 電橋原理 聲發(fā)射檢測的原理如圖4-4，是采用聲發(fā)射儀器接收采集來自聲發(fā)射源的聲波信號，并對這些信號進行分析處理，顯示達到檢測出聲發(fā)射源的目的。聲發(fā)射源有裂紋開裂聲信號/機械故障聲信號/泄漏聲信號等。 圖 4-4 聲發(fā)射檢測框圖 4.5 小結(jié) 該章節(jié)依據(jù)液壓缸輸出外載荷時所需的功率及壓力的大小，通過計算，得到各元件的基本參數(shù)從而選擇了電機、液壓缸和傳感器等重要的標(biāo)準(zhǔn)元件，節(jié)約了設(shè)計成本，同時，確保裝置工作可靠，安全。 5 關(guān)鍵部位的強度校核 5 關(guān)鍵部位的強度校核 5.1 液壓缸強度校核 液壓缸的強度校核包括活塞桿強度校核和彎曲穩(wěn)定性校核兩方面，在此之前，應(yīng)該確定液壓缸的壁厚和螺栓。按照每個試驗層的工作情況，液壓缸最大的輸出力為408.23N。 缸筒的長度L取300mm，假設(shè)壁厚δ為3mm，壁厚應(yīng)該滿足D/δ≥10， （5-1） 公式中：δ--缸筒的壁厚，--缸筒的內(nèi)徑，Pmax--缸筒試驗壓力，當(dāng)液壓缸的額定壓力Pn≤16MPa時，Pmax=1.5Pn，額定壓力Pn>16MPa時，Pmax=1.25Pn,[δ]--材料許用應(yīng)力。 σb為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù),n=3.5~5,在這取n=5。材料選45，并調(diào)質(zhì)241-285HB，45號鋼的抗拉強度為σb=530-598MPa，現(xiàn)取σb=598MPa，故： 因液壓缸的最大工作壓力P=0.3MPa<16MPa,故，Pmax=1.5Pn=0.45MPa,所以 因為3mm>0.075mm，故強度足夠。取固定螺栓直徑取ds=6mm。 液壓缸活塞桿的受力分析如圖5-1： 圖 5-1 液壓缸受力分析 (1) 活塞桿強度校核 由公式: （5-2) 式中：F-活塞桿上的作用力，d-活塞桿的直徑，σ-材料許用應(yīng)力，σ=σb/n，σb為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，取n≥1.4。 45號鋼的許用應(yīng)力， 所以，已知，即活塞桿滿足強度要求。 （2）按彎曲穩(wěn)定性校核 當(dāng)活塞桿完全伸出后，起外端到液壓缸支撐點的距離l>10d時，應(yīng)進行穩(wěn)定性校核。 當(dāng)一根受壓直桿的軸向載荷超過臨界受壓載荷Fk時，即可能改變原有直線狀態(tài)的平衡，稱為失穩(wěn)，其穩(wěn)定條件為: (5-3) 式中:F-最大輸出力,Fk-臨界受壓載荷,取穩(wěn)定安全系數(shù)nk=2-4。 活塞桿和缸體的材料、剛度、長度以及兩端支撐狀況會影響液壓缸臨界受壓載荷Fk。Fk的計算如下公式： (5-4) 式中:l-活塞桿的計算長度，n-端點安裝形式系數(shù)，兩端固定，故n=4,E-材料的彈性模量，鋼材的；J--活塞桿的橫截面轉(zhuǎn)動慣量，實心桿的。而，l=300mm， 故 ， 當(dāng)取4時，， 所以，活塞桿彎曲穩(wěn)定性符合要求。 5.2 錐齒輪強度校核 設(shè)計的錐齒輪參數(shù)（模數(shù)m=3，齒數(shù)z=21，）齒形角=20度。錐齒輪采用1:1的傳動比，即不改變轉(zhuǎn)速，只改變傳動方向，假設(shè)摩擦系數(shù)u=0.1，傳動機構(gòu)的總重量G=100N，則f=u·G=10N，取圓錐齒輪的傳動效率為0.92，被驅(qū)動的輪子半徑R=30mm，轉(zhuǎn)速n1=20r/min,所以速度： (5-5) 通常情況下，啟動的力較大，即啟動扭矩要比傳遞扭矩大，為滿足要求，假設(shè)啟動力為F1=500N。 表 5-1 錐齒輪參數(shù) 各部分名稱 代號 公式 結(jié)果 分錐角 45 分度圓直徑 d 63 齒頂高 =m 3 齒根高 3.6 齒頂圓直徑 da 68.20 齒根圓直徑 df 57.91 齒寬 B 15 齒根角 4.6 頂隙 c 0.6 分度圓齒厚 s 4.71 錐距 R 44.547 選擇小電機型號-XD-37GB520，DC12V，功率為60W，空載速度n=30r/min, 額定轉(zhuǎn)速為21r/min，扭矩T=12Kg.cm，電機效率取n2=0.84。 則輸出力F=Pn1n2/V1=60x0.9x0.84/0.0628=722.48N>F1=500N，滿足啟動要求。 錐齒輪的受力分析如圖5-2，傳動時錐齒輪之間會有各種疲勞現(xiàn)象如齒根彎曲疲勞，齒面接觸疲勞，力的作用是相互的，則；； 圖 5-2 錐齒輪受力分析 （1）齒根彎曲疲勞強度計算 校核公式[8]： (5-6) 錐齒輪的載荷系數(shù)為，KA可由《機械設(shè)計》 查得KA=1.5，動載荷系數(shù)Kv可由《機械設(shè)計》第八版圖10-8中低一級的精度線和速度查取Kv=1.1，齒間載荷分配系數(shù)Kα和Kβ可取1，所以K=1.65。 YFa和Ysa分別是齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)，按當(dāng)量齒數(shù)Zv查《機械設(shè)計》表10-5得： 滿足齒根彎曲疲勞強度要求。又因為： (5-7) (5-8) (5-9) 所以：ΦR=0.3代入（5-8）公式中可得： 設(shè)計計算公式，其中u=3.2 (5-10) 所以 而m=3mm，符合要求。 （2）齒面接觸疲勞強度計算 齒面接觸疲勞強度的計算公式為[8]： (5-11) 對于α=20度的直齒錐齒輪，ZH=2.5，則有 符合要求。 (5-12) 而d=63mm>51.26mm，所以，滿足要求。 上述公式中：σF 和[σF]的單位均為MPa，m和d1的單位均為mm。 為了更好地得出錐齒輪工作時的所受的應(yīng)力，對錐齒輪進行簡單的有限元分析，檢驗實際的受力狀況如圖5-3、圖5-4和圖5-5。 圖 5-3 應(yīng)力-單元節(jié)點 圖 5-4 剪切應(yīng)力圖 5-5 反作用力 5.3 平臺立柱強度校核 假設(shè)平臺上的載荷G=1000N,平臺長80cm寬64cm，高0.5cm，平臺自重 g-重力加速度取g=9.8m/s2，所以總重量G=1201.16N，在這里取1300N，平臺立柱高度為2.4m。 在工程或一般的機械機構(gòu)中，最常見的，是桿件的拉伸或壓縮，在這里，很明顯，立柱受到壓縮，平臺的總載荷的作用線方向與桿件的軸線方向重合。 壓桿受到的壓力不足以使其失去穩(wěn)定性時，壓桿處于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，隨著壓力的增大，壓桿穩(wěn)定性不足，發(fā)生變形，此時，壓力是極限壓力，壓桿的直線形狀開始轉(zhuǎn)變?yōu)榍€形狀，稱為桿件失穩(wěn)，壓桿的受力如圖5-6。壓桿的材料均為Q235，壓桿的臨界壓力統(tǒng)一公式： (5-13) 其中E-彈性模量E=210GPa，I-慣性矩 (5-14) u是長度因子，l是桿件長度， 在這里是一端固定，一端自由的情況，D-外徑40mm，d-內(nèi)徑30mm，所以 穩(wěn)定的安全系數(shù)，臨界壓力比實際最大壓力，為壓桿的工作安全因數(shù)，即，規(guī)定的穩(wěn)定安全因數(shù),則圓形立柱滿足穩(wěn)定要求。 圖 5-6 壓桿受力分析 （1）試驗臺的固定校核： 表 5-2 長度因子 壓桿的約束條件 長度因子u 兩端鉸支 1 一端固定、另一端自由 2 兩端固定 0.5 一端固定、另一端鉸支 0.7 試驗臺與圓柱的連接方式為懸臂梁連接，懸臂梁長0.2m，寬0.04m，高0.01m，受力如圖5-7： 圖 5-7 懸臂梁受力分析 每個試驗臺的重量： ， 試驗臺是圓形，外徑為1.4m，內(nèi)徑1.2m，所以導(dǎo)軌質(zhì)量： 試驗臺的總質(zhì)量： 加上滑塊（包括電機，錐齒輪，滾子和滾輪的質(zhì)量），所以，取G=300N 其中E-彈性模量E=210GPa，慣性矩： (5-15) （因為試驗臺由四根立柱支撐，所以取平均每根立柱的受力F1=0.5F=150N，彎矩M=F1l=150x0.2N·m=30N·m） 撓線方程 (5-16) 轉(zhuǎn)角方程 (5-17) 最大的撓度： 抗彎截面系數(shù)： (5-18) 最大撓度，通常取w/l=1/250~1/1000。 則，，即滿足剛度要求。 對懸臂梁進行有限元分析，其分析結(jié)果如圖5-8、圖5-9、圖5-10，可以看出懸臂梁在受到200N力的情況下，其最大的節(jié)點位移在右端為0.177mm，最大的節(jié)點應(yīng)力和最大的反作用力均在左端，分別為15.77MPa和215.81N。這些極限位移和應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，說明懸臂梁的設(shè)計方案可以采用。 圖 5-8 位移-節(jié)點 圖 5-9 應(yīng)力-節(jié)點 圖 5-10 反作用力-節(jié)點 5.5 鍵連接的強度校核 在這里，主要校核關(guān)鍵部位設(shè)計到的鍵連接，鍵的受力分析如圖5-11所示，此次采用圓頭普通平鍵，材料是45或，取，其強度條件[8]： (5-19) 式中：T為傳遞的扭矩，T=Fd/2,N·m，為滿足啟動要求，取F=100N，K-鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，一般k=0.5h，h為鍵的高度，mm；l鍵的工作長度mm，對于圓頭平鍵，l=L-b，L為公稱長度，b為鍵寬度，單位均為mm，d為軸的直徑，由設(shè)計可知道，d=30mm，根據(jù)《機械設(shè)計》第八版表6-1得到鍵的尺寸，b=8，h=7，L=（1.5~2）d，取L=45mm。 則 由此可知，鍵滿足強度要求。 圖5-11 鍵的受力分析 5.6 螺栓強度校核 螺栓連接的強度校核，可分為四種情況，第一種,松連接僅受軸向載荷F；第二種，松連接受橫向載荷F；第三種，緊連接僅受預(yù)緊力F0；第四種，緊連接受軸向力F作用。在這里，螺栓與試驗臺和套筒連接時需預(yù)緊力，同時受到較小的軸向力，螺栓受力如圖5-12所示： 圖5-12 螺栓受力分析 螺栓采用的材料是35，其屈服極限：，抗拉強度極限：，取安全系數(shù)，，則螺栓的許用剪切應(yīng)力為： 螺栓的許用擠壓應(yīng)力為： 這次校核的螺栓直徑d=12mm，則螺栓的預(yù)緊力 (5-20) 式中：σs是材料的屈服極限，A是螺栓危險截面面積，，則 擰緊力矩用公式計算，對于普通螺栓連接，應(yīng)保證連接預(yù)緊后，結(jié)合面產(chǎn)生的最大摩擦力滿足以下公式[8]： (5-21) 式中：z為螺栓數(shù)目，在這里取z=2，f是接合面的摩擦系數(shù)，取f=0.06，i為接合面數(shù)，i=2，Ks-防滑系數(shù)，Ks=1.1~1.3，取Ks=1.3，力的作用是相互的，已知液壓缸的最大作用力為， 所以，預(yù)緊力 螺栓受到重力的作用，方向與軸向相同，F(xiàn)=G=300N。 Cb、Cm-螺栓和被連接件的剛度，取 則總拉力 螺栓危險截面的拉伸強度條件公式為 (5-22) 則 螺栓桿的剪切強度條件 (5-23) 所以 綜上計算，所選螺栓滿足強度要求。 5.7 連接軸的強度校核 軸受到不同的載荷和應(yīng)力情況，有不同的計算方法。如果軸只承受扭矩，就按扭轉(zhuǎn)強度條件計算；如果軸只承受彎矩，就按彎曲強度計算；如果兩者都承受，則采用彎扭合成強度計算。 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件通常應(yīng)用在只受到扭矩或者同時受到不大彎矩的情況，公式[8]: (5-24) 式中：τT為扭矩切應(yīng)力，MPa，T為軸受到的扭矩，N·mm，WT軸的抗扭截面系數(shù)，mm3，n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min，P為軸的傳遞功率，d為計算截面處軸的直徑，單位mm，[τT]為許用扭矩切應(yīng)力，MPa，軸的材料是45號鋼，取[τT]=25MPa，許用應(yīng)力， 軸的受力分析如圖5-13和扭矩、彎矩如圖5-14所示，電機功率P=60W；轉(zhuǎn)速n=21r/min, 取錐齒輪的傳動效率η=0.97軸的輸出功率 扭矩 受力是Fr=100N，F(xiàn)=500N， Xy平面內(nèi)