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船载流速剖面监测系统甲板收放装置设计

船载流速剖面监测系统甲板收放装置设计

作者：付英群中国海洋大学

学位级别：硕士

海洋资源的开发与利用至今已经历了一个多世纪的时间,我国拥有接近300万平方公里领海面积,蕴藏着丰富的能源资源。研究海上安装施工作业生产海域海面环境要素、作业船舶运动姿态要素、垂直剖面流速监测技术,形成相应监测设备,进行诸要... 详细信息

海洋资源的开发与利用至今已经历了一个多世纪的时间,我国拥有接近300万平方公里领海面积,蕴藏着丰富的能源资源。研究海上安装施工作业生产海域海面环境要素、作业船舶运动姿态要素、垂直剖面流速监测技术,形成相应监测设备,进行诸要素实时监测,对保障海上作业安全具有十分重要意义。深水流速剖面的监测过程中需要进行监测设备投放回收,紧急海况配重快速解脱,此外对于剖面流速监测设备投放过程中缆绳的动态张力分析是辅助系统及解脱装置设计的重要数据依据。(1)投放过程的水动力学研究,深海投放过程中投放设备及缆绳在水中的动力学特性研究是本文研究中辅助系统动力学响应的重要参数依据,深水投放的动力学特性采用集中质量法进行研究,研究针对投放过程中的缆绳的动态张力进行研究,绘制1000米、2000米投放深度的动态张力曲线。(2)监测辅助系统进行设计安装研究,辅助系统中包括两个方面的内容,第一对于辅助系统的集成设计安装,第二对投放吊臂的设计研究。集成安装过程将整体辅助系统集成于20尺集装箱内,集成设计使得系统整体性较强,方便系统的安装运输：吊臂是投放过程中的重要工具,对吊臂的设计包括了吊臂方案的选择,吊臂强度的设计以及吊臂关键部位的接触应力分析等。(3)新型快速解脱装置的设计,快速解脱装置是保证监测设备安全回收的重要结构,通过对传统快速解脱装置的研究,设计适合深海工作的结构,对快速解脱装置的载荷情况进行分析。新型快速解脱装置以悬臂梁的弹性变形为依据,结构采用圆筒形设计,由内外套筒组成,之间通过钢珠连接。结合深沟球轴承在轴向力作用下的接触角的变化情况,研究内套筒的受力及变性情况。利用三维建模软件SolidWorks以及有限元分析仿真工具ANSYS对解脱装置内套筒刚度进行研究以及对接触位置进行接触应力的研究。通过实验方法对新型快速解脱装置进行实验研究,修正前期的理论假设。

关键词：动态张力辅助系统快速解脱接触角接触应力

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深水平台系泊系统冲击载荷计算的应力波方法

深水平台系泊系统冲击载荷计算的应力波方法

作者：李金伦天津大学

学位级别：硕士

深海平台的定位采用缆索系泊,系泊缆在平台浮体带动下发生松弛-张紧运动,导致系缆出现冲击张力,即系缆张力的突然放大。这是导致系缆破坏的重要原因。为了保证深海平台极端海况下的安全,探索平台运动过程缆的冲击张力,研究缆的动力特性... 详细信息

深海平台的定位采用缆索系泊,系泊缆在平台浮体带动下发生松弛-张紧运动,导致系缆出现冲击张力,即系缆张力的突然放大。这是导致系缆破坏的重要原因。为了保证深海平台极端海况下的安全,探索平台运动过程缆的冲击张力,研究缆的动力特性,具有重要的理论和工程意义。本文考虑有限变形的悬垂缆索在松弛-张紧状态时,内部所产生的动态张力。将深海系缆模拟为两端位于同一水平,一端是固定,另一端承受水平简谐激励绳索。考虑缆的阻尼非线性、缆变形的几何非线性和曲率,根据哈密顿原理和变分法建立起对应的二个非线性偏微分运动方程,用应力波方法求解系缆运动的微分方程。编制了求解系缆的二阶偏微分方程计算机程序,计算缆的运动和动态张力。在四种参数组合情况下的数值结果和相关分析表明:沿着缆长传播有两种类型的应力波,纵向波比横向波波速要高,并且随着它们在缆中的传播,速度会逐渐减弱。最大的动态张力发生在端部及其附近区域,随着激励幅值和频率的增大,动态张力也越来越大。最大的动态张力与质点速度及运动大小有关,但是对于张力影响显著的是质点运动的速度。激励端的动态张力在初始时最大,海底锚固点张力较小,但随着时间的推移,锚固点张力会逐渐增大,锚固点的响应要比激励端滞后一段时间。

关键词：动态张力应力波有限变形曲率粘弹性特征线

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缠绕式永磁外转子提升机动态特性研究

缠绕式永磁外转子提升机动态特性研究

作者：朱丽鹏太原理工大学

学位级别：硕士

永磁外转子提升机作为新一代矿井提升机,以低转速、大扭矩、能耗低、基建少等优点逐步运用于矿井提升系统,其高效性与可靠性直接关系到矿山的生产效率及生产安全。矿山实际生产中,缠绕式永磁外转子提升机提升负载具有吨位大、时变特性,... 详细信息

永磁外转子提升机作为新一代矿井提升机,以低转速、大扭矩、能耗低、基建少等优点逐步运用于矿井提升系统,其高效性与可靠性直接关系到矿山的生产效率及生产安全。矿山实际生产中,缠绕式永磁外转子提升机提升负载具有吨位大、时变特性,外转子滚筒作为直驱机构,负载将直接作用于滚筒上,因此其受载为一种非线性、强耦合、多目标的复杂受力问题,时变负载引起外转子滚筒等关键承载体受载特性发生变化,对其安全性与可靠性造成一定影响。针对上述问题,本文综合运用理论分析、数值模拟和试验的方法,对缠绕式永磁外转子提升机动态特性进行研究与分析。首先,针对单绳缠绕式永磁外转子提升机展开结构与受载分析,阐述了永磁外转子提升机的矢量控制驱动系统原理及组成。结合矿井提升实际工况,对永磁外转子滚筒及定子主轴承载特点进行理论分析。其次,研究了不同负载下永磁外转子提升机动态运行特性。基于矿井提升系统动力学理论与矢量控制原理,利用机电液联合仿真软件Simulation X搭建了永磁外转子提升机电控-机械联合仿真模型,研究了空载-重载实际工况下永磁外转子提升机转速、电磁转矩、钢丝绳动态张力、三相电流等动态变化。研究表明:基于矢量控制系统下大功率永磁外转子提升机的转速、电磁转矩等可快速实现闭环,电流响应平滑,提升机起动扭矩大,运行平稳。然后,针对永磁外转子滚筒运行时非线性、强耦合等复杂受力,综合考虑了重载上提工况下钢丝绳端动态载荷、拉力降低系数、多层缠绕系数、电磁转矩等因素,构建永磁外转子滚筒瞬态动力学分析模型,通过数值模拟获得了外转子滚筒应力及变形变化规律;再结合筒壁径向变形,利用Ansoft建立永磁外转子提升机电磁模型,通过气隙参数化,研究不同气隙变形下的电磁转矩变化;采用隔离环或加强筋将钢丝绳缠绕滚筒与转子轭分离,完成其结构改进。研究表明:整个重载上提工况下,外转子滚筒壁最大等效应力及变形呈现非线性增加,最大应力与变形发生在转子轭两侧的滚筒区域。变形所引起的气隙变形对电磁转矩有一定影响,分离处理的优化方式可有效减小气隙变形。最后,对永磁外转子提升机动力学特性进行研究,通过数值模拟对永磁外转子提升机进行模态及谐响应分析,确定永磁提升机整体结构在承受不同频率范围内载荷时的幅频响应,并完成永磁外转子提升机振动特性试验。研究表明:永磁外转子提升机的敏感频率范围在14Hz,83Hz附近;在加减速运行阶段,其振动信号波动较大,匀速阶段振动信号较为稳定。

关键词：永磁提升机外转子滚筒动态张力电磁转矩动态特性

基于智能诊断的提升钢丝绳张力故障诊断系统研究

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基于智能诊断的提升钢丝绳张力故障诊断系统研究

作者：高鑫宇太原理工大学

学位级别：硕士

提升机是矿井提升系统正常运行的关键设备,钢丝绳作为提升机与其他部件连接的柔性体部件在工作过程中会经受各种载荷的复合作用,并伴随着振动和冲击,通过监测钢丝绳运行过程中的张力变化可以实时监测提升机的运行状态。现有的基于钢丝... 详细信息

提升机是矿井提升系统正常运行的关键设备,钢丝绳作为提升机与其他部件连接的柔性体部件在工作过程中会经受各种载荷的复合作用,并伴随着振动和冲击,通过监测钢丝绳运行过程中的张力变化可以实时监测提升机的运行状态。现有的基于钢丝绳张力建立的故障诊断系统采用设置阈值及公式表达式对超载、卸载不彻底和张力不平衡等故障进行监测,监测的状态较少,智能化程度较差。因此,研究一种基于智能诊断的提升钢丝绳张力故障诊断系统对完善钢丝绳张力故障诊断系统及煤矿安全生产具有重要意义。智能诊断系统之间的差异化核心在于诊断算法的差异化,而数据是一切算法研究的基础。因此,为了便于本文智能诊断系统的推广,能够快速获得所监测矿井各个状态下的钢丝绳动态张力数据,本文针对某矿建立了正常与典型故障状态下的张力数学模型,提取相应数据进行算法研究。对于正常运行时的张力模型,考虑到钢丝绳耦合振动对动态张力的影响,利用Hamilton原理建立矿井提升系统双激励作用下变长度提升钢丝绳运行过程中的横向-纵向耦合动力学模型,应用有限差分法离散偏微分方程,以某矿参数为例进行Matlab仿真分析。在此基础上推导出提升系统钢丝绳正常运行过程中动态拉力的变化规律并进行实验验证。对于故障发生时的张力模型,本文对提升机建立故障树分析了矿井提升机常见故障原因,针对卡罐、过卷及钢丝绳打滑三类典型故障进行仿真分析,并且对比分析了不同位置,不同速度下故障表现出的张力特性。将典型故障与正常运行时的张力数据结合建立训练数据集,为智能诊断算法研究提供了数据基础。将现场采集的钢丝绳张力数据预处理后作为机器学习算法的预测数据输入,调用训练数据集所生成的训练模型,通过RBF-BP组合神经网络对卡罐、过卷以及钢丝绳打滑等提升系统运行状态进行识别预测,并在选定RBF函数作为LSSVM核函数后与LSSVM算法的预测结果进行对比。在此基础上对较优算法LSSVM中惩罚因子和径向基核参数两个固定参数利用人工蜂群算法进一步优化,形成ABC-LSSVM算法,优化后的预测正确率和均方误差性能得到了进一步提升,可以作为一种智能诊断算法用于钢丝绳张力故障诊断系统的设计。为了将智能诊断算法推广到工业现场中,利用LabVIEW实现了基于ABC-LSSVM诊断算法的提升钢丝绳张力故障诊断系统设计。通过监测钢丝绳张力实时信号,利用ABC-LSSVM智能诊断算法实现了对卡罐、过卷以及钢丝绳打滑等以往难以监测的故障实时监测与智能诊断,并且在故障发生时及时报警并更新故障数据库。在此基础上使用Web技术发布到外网实现了故障诊断系统在外网状态下的远程访问。并且通过双线程程序运行使得智能预测与钢丝绳张力数据实时采集与显示、存储与读取,磁盘管理等功能同时进行。此系统还提供数据接口,与现有的张力监测系统连接即可建立一个完整的钢丝绳张力故障诊断系统。

关键词：钢丝绳横纵耦合动态张力最小二乘支持向量机人工蜂群算法

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Spar平台系缆张力及垂荡运动响应分析

Spar平台系缆张力及垂荡运动响应分析

作者：易丛天津大学

学位级别：硕士

本文研究深海系缆张力的突变规律,以及Spar平台浮体-系泊系统的耦合运动特性,对于深海Spar平台的设计开发具有较重要的理论和工程意义。考虑海底支持力、流体拖曳力、惯性力、结构阻尼等因素建立了系缆的运动方程,研究系缆的动张力变化... 详细信息

本文研究深海系缆张力的突变规律,以及Spar平台浮体-系泊系统的耦合运动特性,对于深海Spar平台的设计开发具有较重要的理论和工程意义。考虑海底支持力、流体拖曳力、惯性力、结构阻尼等因素建立了系缆的运动方程,研究系缆的动张力变化特性以及海底支持力对系缆的影响。根据受力平衡关系得到平台运动方程。将系缆的运动方程与平台运动方程联立,通过在系缆与平台连接点处位移边界条件和力边界条件的满足,建立了基于集中质量法的耦合算法。最后分别采用拟静态方法和耦合算法计算1018m水深情况规则波下Spar平台的运动响应,分析Spar平台运动特性及系缆张力的变化特性,并比较耦合方法和拟静态方法的差别。本文研究表明,系缆因系缆上端点运动而运动时,靠近海底的系缆运动幅值较小,但由于缆与海底的撞击作用,海底系缆张力较大,运动频率较大。系缆张力随系缆上端点的运动而变化,当系缆上端点具有较大的频率和较大的运动幅值时,系缆张力会越来越大,并出现系缆交替松弛-张紧的现象。通过计算平坦海底和不平坦海底的系缆形状和静态张力,表明海底地形变化较大时,对系缆的形状、张力和系泊浮体的运动都有影响。通过分别采用拟静态方法和耦合算法计算规则波时Spar平台运动的响应,表明系缆阻尼可以减小Spar平台的垂荡运动,并且随着水深的增加,垂荡运动减小量越大。在1018m水深时,垂荡运动减小量为6.6%左右,这表明计算平台运动时需要考虑系缆阻尼的影响。当系缆上端点随平台浮体上下振荡时,系缆产生较大的动态张力,改变系缆流体拖曳力系数大小,Spar平台主体运动改变。当流体拖曳力系数较大时,平台主体自由垂荡运动衰减很快。

关键词： Spar平台系缆张力耦合运动海底支持力动态张力张力突变

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碳纤维编织机用携纱锭子设计与分析

碳纤维编织机用携纱锭子设计与分析

作者：王晗东华大学

学位级别：硕士

碳纤维是一种新型的纤维材料,具有优良的材料综合性能,如质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀和耐冲击等,正是由于碳纤维材料具有这些优良的综合性能,碳纤维已经广泛应用到各行各业中,如国防军事、汽车航空、电子产品、医疗器械、装饰品等。编... 详细信息

碳纤维是一种新型的纤维材料,具有优良的材料综合性能,如质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀和耐冲击等,正是由于碳纤维材料具有这些优良的综合性能,碳纤维已经广泛应用到各行各业中,如国防军事、汽车航空、电子产品、医疗器械、装饰品等。编织机是将锦纶复丝、丙纶长丝、涤纶、尼龙、棉线纱、碳纤维等原料编织成人们所用产品的机械装置,携纱锭子作为编织机的末端执行部件对编织产品的质量起着决定性作用。但普通碳纤维编织机携纱锭子存在诸多问题,如碳纤维经过携纱锭子发生打滑磨损、间歇放线、张力不平稳、储纱量少等,直接影响碳纤维编织机编织产品的质量和效率。因此,设计出编织质量好、编织工作效率高的携纱锭子具有十分显著的经济效益。首先,利用SolidWorks软件对现有携纱锭子进行三维建模,分析锭子结构组成和工作状态,建立碳纤维纱线经过的路径,然后建立碳纤维纱线的动力学方程,运用MATLAB软件进行编程求解,得到携纱锭子的碳纤维纱线动态张力曲线。对动态张力曲线进行分析,为优化设计携纱锭子提供了参考依据。其次,针对目前编织机携纱锭子存在的三个问题:第一,碳纤维属于脆性材料,耐磨性低,经过锭子的零部件容易摩擦起毛;第二,目前携纱锭子纱筒的制动模式属于硬性制动模式,张力波动范围大,间歇放线;第三,锭子的容纱量少,停车换线次数多,编制效率低。针对这三个问题,通过对滑轮受力分析后:设计了新的滑轮结构及布局,将碳纤维与滑轮之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦;设计了纱筒摩擦制动方式来代替纱筒铁块弹簧制动方式;根据万向轮原理,设计了导轮代替扣眼的出线口,将碳纤维在出线口处的滑动摩擦转变为滚动摩擦;设计了新的纱筒,增大了直径和宽度,增大了容纱量;设计了调节螺钉,可以根据需要调节弹簧预紧力,进而调节碳纤维张力。对设计的锭子零部件利用SolidWorks软件组合装配,得到新锭子的三维模型。最后,利用MATLAB软件对所设计的锭子进行动态张力分析,张力平稳,没有骤变现象;纱筒长度增加12.5mm,携纱直径增大8mm,比普通纱筒增加了40%的容纱量;利用ANSYS分析软件,对新的锭子结构的主要承载部件锭杆和锭子座,进行静力学和模态分析,结果是:锭杆和锭子座的变形很小,运动平稳、可靠,不与编织机发生共振。对所设计的锭子在生产中进行了试运行,结果是锭子能够携带纱线进行编织,且编织效果比用常规锭子好。

关键词：碳纤维编织机携纱锭子动态张力容纱量

输电线路脱冰跳跃动态特性与光纤光栅监测技术研究

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输电线路脱冰跳跃动态特性与光纤光栅监测技术研究

作者：冯展浩华南理工大学

学位级别：硕士

覆冰导线在气温升高、自然风力作用或者振动敲击下发生覆冰均匀或非均匀脱落而引起脱冰跳跃。研究输电线路脱冰跳跃动态位移、张力特性以及动态力荷载的监测对其结构和绝缘配合设计、运行状态评估具有重要意义。本文首先搭建耐张段输电... 详细信息

覆冰导线在气温升高、自然风力作用或者振动敲击下发生覆冰均匀或非均匀脱落而引起脱冰跳跃。研究输电线路脱冰跳跃动态位移、张力特性以及动态力荷载的监测对其结构和绝缘配合设计、运行状态评估具有重要意义。本文首先搭建耐张段输电线路脱冰跳跃试验平台,利用集中荷载法模拟导线覆冰,进行了不同脱冰方式、悬跨比、覆冰厚度下脱冰试验。利用位移采集模块及动态张力采集模块获得导线脱冰跳跃动态响应数据。实验结果表明,线路覆冰厚度越大,脱冰后能量消散越快,跳跃能力越强。而在相同覆冰条件下,悬跨比较大的导线脱冰后能量消散较快,导线跳跃能力较弱。并且当SSR较大时,张力衰减曲线不规则,最大张力不在第一个周期,出现3个振动半波,在每个周期内出现两个张力的峰值,说明导线振动形态影响张力变化。导线发生局部脱冰时,脱冰位置越靠近档距中部,其动张力波动幅值越大且静张力越小。在1/2档脱冰时,脱冰段导线向上跳跃而非脱冰段导线反向跳跃,形成不规则的动张力波形,严重时可导致闪络事故的发生。接着,本文提出采用光纤光栅复合绝缘子进行输电线路脱冰跳跃动态荷载的测量。制作了光纤光栅复合绝缘子芯棒,并分析了光纤光栅传感器中心波长变化与应力、温度之间的线性关系,提出了温度-应变交叉敏感解决方案。然后,结合有限元法分析了光纤光栅复合绝缘子应变传递模型,结果表明采用两点粘贴法的平均应变传递率比全粘贴法更高,粘贴时应增加粘贴层宽度、粘贴长度以及粘贴层弹性模量,减小中间层厚度。最后,进行了标定试验与脱冰跳跃监测试验,利用光纤光栅复合绝缘子芯棒分别测量了输电导线在脱冰跳跃过程中垂直荷载与水平荷载的变化,并将中心波长转换为应力值与传统的电阻式拉力传感器进行对比。试验结果表明:光纤光栅复合绝缘子芯棒可实现脱冰跳跃动态荷载监测,其效果受增加施加于芯棒的轴向荷载的大小、粘贴参数等影响;当FBG用于测量水平张力时,其有效震荡信号长度较测量垂直荷载时长;粘贴中间层厚度较小的FBG有效衰减震荡信号可达12个振动周期,与拉力传感器相比峰/谷值差异可达30%以内。

关键词：输电线路脱冰跳跃动态张力光纤光栅应变传递