基于林区凝油管道疏通装置的结构设计与仿真分析

作     者：董年鑫 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董喜斌;王希贵

授予年度：2023年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 

主      题：原油管道机器人 运动特性分析 动力学分析 热流固耦合分析 多目标优化 

摘      要：原油作为最基本的能源对国家的经济发展有着重要的意义,但是历经几十年的开发,传统油田的原油存储量越来越少,原油中的含水率越来越高。随着传统油田慢慢走向衰竭,新型的林区油田成为新的开采对象。管道运输是原油的主要运输方式,但是原油作为一种液体混合物在低温下会凝固。由于我国的东北地区冬季经常出现极端低温天气,而且管道穿越的大兴安岭林区地下多为季节性冻土层或多年冻土层,因此管道周围温度较低,原油容易发生过冷凝结。传统的疏通、维修方式成本高、效率低,并且对管道、管道附近的林区和土壤会造成一定的破坏。为了保证原油输送的畅通及管内电伴热的正常工作,本文设计了一种可在原油管道内长距离运动、加热疏通和电伴热线破损检测于一体的管道机器人,并对其相关运动特性和可靠性进行了理论计算和仿真分析,最后对其结构进行了优化。具体的研究内容如下:(1)通过分析国内外对各类管道机器人的研究现状及工作特性,结合原油管道的具体环境及机器人工作内容,确定了原油管道机器人的整体设计方案。在此基础上,通过CREO软件完成对机器人驱动机构,变径机构、越障机构、检测机构和加热机构的设计,最终通过装配完成机器人整体三维模型的建立。(2)对机器人整体及各个机构的运动特性进行了理论分析计算。其中包括:机器人整体的管内通过性分析、轮式驱动机构的力学特性分析、变径机构的变径范围分析和越障机构各工况下的麦克纳姆轮速率关系分析,为相关结构的尺寸设计和选型提供了相关依据。(3)基于ADAMS和FLUENT仿真分析软件对机器人的管内运动特性进行了仿真分析。通过ADAMS对机器人在各工况下的管内通过性进行了仿真分析,验证了机器人的整体设计尺寸满足设计要求。通过FLUENT软件对机器人在管内的流体驱动特性进行了热流固耦合仿真分析,验证了伞式流体驱动机构的驱动可行性和电伴热线在原油发生凝结时的加热疏通可行性。(4)通过ANSYS对机器人在热流固三场耦合作用下的强度和刚度进行了仿真分析,在保证了其强度和刚度的基础上,对机器人的伞面支撑架和壳体结构进行了多目标优化分析,使其结构质量减少了5.688kg,降低了加工设计成本。