海洋平臺疲勞測試試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）,海洋,平臺,疲勞,測試,試驗(yàn)臺,設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 開題報(bào)告 題 目 海洋平臺疲勞測試實(shí)驗(yàn)臺設(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(yùn)藏著豐富的能源資源，據(jù)估計(jì)，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(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、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(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、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(jìn)的海洋平臺已近成為這些國家的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。所以，確保海洋平臺的安全性、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疲勞測試實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的海洋平臺尺寸，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(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)的原理分析對比，海洋平臺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(qiáng)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(shí)驗(yàn)臺設(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_的設(shè)計(jì)制造、安全監(jiān)測、設(shè)備維護(hù)、事故診斷提供實(shí)用的理論支持。對增強(qiáng)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(shí)際意義。 二、文獻(xiàn)綜述 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn) 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?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、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(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。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試，美國的電液高頻疲勞試驗(yàn)臺如圖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 國內(nèi)的疲勞試驗(yàn)機(jī)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(yùn)用的疲勞試驗(yàn)機(jī)仍然是機(jī)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(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，國內(nèi)引進(jìn)了英國研制的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(xiàng)“”產(chǎn)品如圖4，說明我國的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī) 圖3電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī) 從疲勞測試試驗(yàn)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(yùn)用于某個工程上。然而，對于海洋平臺疲勞測試實(shí)驗(yàn)臺。利用應(yīng)變片、聲發(fā)射檢測儀傳感器對整個平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)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(fèi)，同時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(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)臺的分析研究.濟(jì)南大學(xué).機(jī)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(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真.長春理工大學(xué).機(jī)械制造及其自動化.2014.3. [8]陳立群.疲勞試驗(yàn)臺的液壓伺服控制研究.合肥工業(yè)大學(xué).機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)及模型試驗(yàn)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(jìn)萍，肖儀清等.海洋平臺結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展.濟(jì)南大學(xué).機(jī)械工程學(xué)院.山東.濟(jì)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(jī)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(yàn)臺設(shè)計(jì)，按比例縮放模擬建造出海洋平臺疲勞測試試驗(yàn)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(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)射檢測儀、負(fù)載傳感器等來實(shí)時(shí)監(jiān)測海洋平臺在經(jīng)受外載荷作用時(shí)的動態(tài)，傳感器通過與上位機(jī)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(shí)用的理論，為真正的海洋平臺的設(shè)計(jì)制造，安全監(jiān)測、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(jì)一套測試海洋平臺疲勞特性的模型實(shí)驗(yàn)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(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，各動力輸出裝置在相對應(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)的原理以及分析對比海洋平臺現(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)、液壓傳動的知識得出適合本課題設(shè)計(jì)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(jī)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(qiáng)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(shí)際情況。主要的設(shè)計(jì)路線則是： 第一步，設(shè)計(jì)出海洋平臺疲勞測試試驗(yàn)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(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)想的海洋平臺疲勞試驗(yàn)臺模型裝置的三維圖； 第三步，確定個零件的尺寸，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?，嘗試制作三維模型的運(yùn)動仿真； 第四步，選取適合的傳感器和電機(jī)并繪制相關(guān)圖紙。 自升式海洋平臺適用水深為5～90米，運(yùn)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(yàn)臺的動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)動仿真，嘗試運(yùn)動分析，得出運(yùn)動和動力學(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。 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(shí)可召集開題報(bào)告會。 12