海洋石油平台数控切割系统研究

论文摘要

海洋石油平台数控切割系统,是海洋工程装备的关键设备,其完成的工序质量直接影响整个平台的可靠性。然而,我国的管材相贯线切割技术起步较晚[1],将该技术投入海洋石油平台建造领域的企业更是寥寥无几,国内该领域依旧主要依赖进口设备。见诸报道的也只是为国外进口切割机度身定制的软件系统[2],尤其相关管材切割工艺还停留在基于多年前相贯线切割机割炬单倾角摆动的构型基础上的切割角近似切割的陈旧工艺,工艺并不完全遵循曲面的几何性质,不利于管节点焊接时的曲面匹配,显然无法跟上海洋石油深水、超深水平台日益提高的管节点强度要求。进一步的,海洋石油平台是一项浩大的工程,其复杂结构往往需要大量高强度且原材料成本昂贵的钢管件搭建而成。然而,基于工程省料目的、基于三维空间的钢管件数控切割套料模块在国内尚属技术空白点[3],无形中使企业在管材切割过程中浪费了大量的毛坯料,增加了高昂的不必要的成本开销。通过与国内数控相贯线切割机制造企业合作,本课题研发了与国产五轴联动数控相贯线切割机相匹配的海洋石油平台数控切割系统,包揽了:从DXF单线图以及辅助的特殊管节点几何模型补充模块获取模型参数、管节点精确几何建模、管件数控切割仿真及割炬运动控制、数控切割套料优化完整的制造过程。其中,基于现今国产数控相贯线切割机普遍配备双倾角构型割炬的技术特点,对传统的切割工艺进行了改进——将传统切割工艺中的几何近似部分进行精确几何建模,获得精确几何解,并以双倾角构型割炬实现基于该精确解的切割角的精准切割,使工艺完全遵循曲面的几何性质。进一步的,通过软件实例仿真,表明使用该切割工艺能有效减少管件端面的有效切割长度,提高切割速度及切割时间效率。其次,本课题针对这种新工艺设计了一种能实现该工艺的结构简单、自重小、性能可靠的双倾角构型割炬回转装置。另外,创新性的研发了管材切割套料模块,操作简便,经过软件仿真实验证明,算法稳定可靠并有效减少了毛坯料消耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 海洋石油平台数控切割系统研究现状
• 1.3 课题意义
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 系统总体设计
• 2.1 系统总体模块化组成
• 2.2 系统模块细分
• 2.2.1 钢结构工程图处理模块
• 2.2.2 数据库模块
• 2.2.3 几何计算模块
• 2.2.4 人机交互模块
• 2.2.5 套料处理模块
• 2.2.6 数控切割文件处理模块
• 2.3 小结
• 第三章 海洋石油平台模型获取及几何参数标准化
• 3.1 石油平台模型几何参数获取
• 3.1.1 基本几何参数获取
• 3.1.2 几何参数补充
• 3.1.3 管件编号
• 3.2 管节点模型获取
• 3.2.1 主、支管及管件权重定义
• 3.2.2 权重判定
• 3.2.3 权重修改
• 3.2.4 管节点相贯管簇及主、支管选定
• 3.3 石油平台几何参数标准化
• 3.3.1 石油平台管节点几何参数定义
• 3.3.2 石油平台管节点几何参数标准化
• 3.4 石油平台管节点几何模型补充
• 3.4.1 补充管节点—管、板相贯
• 3.4.2 板件标准几何参数定义
• 3.5 小结
• 第四章 管节点数控切割精确几何建模
• 4.1 几何参考面定义
• 4.2 数控切割精确几何建模计算
• 4.2.1 支管相贯线的计算
• 4.2.2 二面角ψ的计算
• 4.2.3 坡口角φ的计算
• 4.2.4 理论切割角ρ的计算
• 4.2.5 割炬转角及有效切割长度计算
• 4.3 实例计算结果和分析
• 4.3.1 石油平台数控仿真结果
• 4.3.2 与传统单倾角切割方法切割效果对比
• 4.4 小结
• 第五章 数控相贯线切割套料优化
• 5.1 基本原理及意义
• 5.2 套料操作方法
• 5.2.1 自动套料操作
• 5.2.2 手动套料操作
• 5.3 套料计算方法
• 5.3.1 套料计算原理
• 5.3.2 相邻切割曲面间最小距离计算
• 5.4 实例计算结果
• 5.5 小结
• 第六章 相贯线切割机床割炬回转机构设计
• 6.1 概述
• 6.2 运动模型建立
• 6.2.1 理想切割角ρ的割炬位姿分解
• 6.2.2 割炬回转机构广义连杆抽象
• 6.3 机构设计
• 6.3.1 机构简图设计
• 6.3.2 机构实现
• 6.3.3 机构在机床上的装配
• 6.4 相似割炬回转机构对比
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢