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 開題報告 題 目 海洋平臺疲勞測試實驗臺設(shè)計 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)價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值 課題來源、選題依據(jù)和背景情況 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