深海采矿船A型架布放回收装置敏感环境应力分析方法与流程

深海采矿船a型架布放回收装置敏感环境应力分析方法
技术领域
1.本发明涉及一种深海采矿船a型架布放回收装置敏感环境应力分析方法。


背景技术：

2.海上采矿船是一种安装有采矿、选矿设备，开采海底表层沉积矿产的专用船舶，通常采矿作业水深大于2000m的海上采矿船称为深海采矿船。a型架布放回收装置是深海矿产开发装备重要的布放回收设备，它由两根直立和一根水平的杆件构成并可绕其根部转动，外形似a字母的框形结构。a型架布放回收装置可借液压油缸或其他机械装置将悬挂于其上的调查仪器、装备倒出船外或翻进船内。a型架布放回收装置作业生产环境一般为大洋深海，水面环境异常复杂，恶劣极限环境多发、风浪流、温度、盐度、高压等多类环境应力因素耦合，变化不确定性较强。由极限恶劣环境和不确定环境条件诱发的材料、部件和系统失效概率较高，并且需要在某一位置固定作业长达25年，在发生故障时不能进行陆上的实时支援维修，部分严重失效和故障有可能导致重大的经济损失乃至人员伤亡。
3.从2021年起，世界范围内开始有深海采矿船投入运营，相比于科考船、勘探船等船舶，深海采矿船的a型架布放回收装置设备起重量更大、系统更加复杂、并且远海作业更加频繁。因此，使用常规的方法无法掌握振动、冲击、温度、湿度、盐雾、倾斜摇摆等复杂环境应力作用下深海采矿船a型架布放回收装置的失效模式及特征，存在较大的安全隐患。


技术实现要素：

4.为了掌握复杂环境应力作用下深海采矿船a型架布放回收装置的失效模式及特征，本发明结合深海采矿船的作业任务及地理环境，建立一种深海采矿船舶a型架布放回收装置敏感环境应力分析方法，实现深海采矿船舶a型架布放回收装置敏感环境应力的准确定位及分析，提高深海矿产开发船舶的使用效率和安全性和可靠性。
5.本发明的目的是通过以下方案实现的：
6.一种深海采矿船a型架布放回收装置敏感环境应力分析方法，包括以下步骤：
7.步骤1：根据采挖的不同矿物类型所在的不同海洋区域位置，确定深海采矿船a型架布放回收装置主要工作区域及地理位置。
8.步骤2：根据步骤1确定的主要工作区域及地理位置，确定深海采矿船a型架布放回收装置主要作业任务类型及作业剖面：
9.主要作业任务类型为深海采矿船a型架布放回收装置在特定海洋地理位置区域执行不同类型任务的时间统计量。
10.作业剖面为深海采矿船a型架布放回收装置在特定海洋地理位置区域执行不同类型任务的时间占比。
11.其中，主要作业任务包括：动态定位钻井任务、锚系任务、巡航任务、船坞维修任务、实际钻井作业任务、水下维修任务、动态定位维修任务和恶劣天气等待任务中的一种或几种。
12.步骤3：确定深海采矿船a型架布放回收装置主要自然环境应力和诱发环境应力：
13.其中，自然环境应力根据步骤1中的具体海洋地理位置确定，包括温度环境应力、湿度环境应力和盐雾环境应力中的一种或几种。
14.诱发环境应力为所述自然环境应力诱发产生的应力，参照步骤2中的作业任务类型与作业任务剖面确定，包括振动环境应力和冲击环境应力。
15.步骤4深海采矿船a型架布放回收装置故障数据统计和故障树分析:
16.基于实际的a型架布放回收装置的故障案例统计数据，开展深海采矿船a型架布放回收装置故障数据统计和故障树分析。
17.步骤4.1故障数据统计：对a型架布放回收装置发生故障的具体设备对象、发生故障的具体现象、发生故障的具体原因、发生故障的关联环境应力进行统计。
18.a型架布放回收装置的故障数据统计的类型包括机械故障、液压故障和电气控制故障数据统计。
19.步骤4.2故障树分析：采用故障树分析方法，分别对a型架布放回收装置的主要设备的机械故障、液压故障和电气控制故障开展故障树分析。
20.a型架布放回收装置的子系统包括液压动力系统、a型门架系统、布放回收设备绞车系统、设备控制操纵系统。
21.通过故障统计数据和故障树分析，确定导致故障发生的关联环境应力种类。
22.步骤5：故障发生频率、严重程度模糊聚类分析以及故障-环境应力apriori关联规则分析：
23.根据步骤4分析得到的布放回收系统故障树，建立fcm-ar模型，对故障应力进行定位，具体步骤如下：
24.步骤5.1：故障发生频率、严重程度模糊聚类分析：
25.获取a型架布放回收装置各个设备故障信息，并从中整理提取所述振动环境应力维度、冲击环境应力维度、温度环境应力维度、湿度环境应力维度、盐雾环境应力维度的发生频率和发生严重程度。
26.对故障发生频率、发生严重程度进行模糊聚类分析，得到对应的隶属矩阵，确定样本中各故障严重程度的分类情况。
27.确定聚类中心的个数c，输入故障发生频率和故障发生严重程度的原始数据。
28.其中，聚类中心个数c是一个不断迭代计算隶属度u
i,j
和簇中心cj直到他们达到最优的过程，如式(1)所示：
[0029][0030]
对于单个样本xi，它对于每个簇的隶属度之和为1；其中m为隶属度u
i,j
的个数、n为样本x的个数；
[0031]
当迭代满足式(2)时，停止迭代：
[0032]
[0033]
其中，k是迭代步数，max
ij
为误差阈值、ε为选定的容差值、该过程收敛于目标jm的局部最小值或鞍点。
[0034]
根据模糊聚类算法，计算故障程度的隶属度矩阵，确定各样本发生频率、发生严重程度对应的类别。
[0035]
步骤5.2：确定a型架布放回收装置横向与纵向关联关系，并进行故障-环境应力apriori关联规则分析：
[0036]
a型架布放回收装置横向关联关系为各子系统之间的关系。
[0037]
a型架布放回收装置的子系统包括液压动力系统、a型门架系统、布放回收设备绞车系统、设备控制操纵系统。
[0038]
a型架布放回收装置纵向关联关系为各子系统中的设备之间的影响关系。
[0039]
a型架布放回收装置的设备包括伸缩架、摆动架、对接装置、纵摇缓冲装置、横摇缓冲装置、液压动力站、液压阀柜、机旁控制柜、遥控装置、液压马达、常闭式安全闸、行星减速机、排缆器以及光电滑环。
[0040]
根据a型架布放回收装置的子系统分类和设备分类得到a型架布放回收装置子系统间的横向关联关系和相互设备之间纵向上下游关联耦合关系。
[0041]
设置参数a
vr
表示a型架布放回收装置各子系统中的设备之间的作用程度大小。
[0042]
布放回收子系统中包括的设备为a
ij
，表示设备i对设备j的作用程度大小，并用a
ji
表示设备j对设备i的作用程度大小。
[0043]
通过关系影响矩阵a定义a型架布放回收装置各子系统中设备之间的相互影响程度。
[0044]
a初始如式(3)所示：
[0045][0046]
对于a型架布放回收装置的设备i对设备j的影响程度可以通过设备i的状态值xi与设备之间i
→
j的作用程度a
ij
的乘积进行定义，即xi×aij
，反之，设备j对设备i的作用表示为xj×aji
。
[0047]
设表示a型架布放回收装置各子系统之间影响关系的矩阵为m，由于a
ij
与a
ji
存在不等的情况，因此，矩阵m为非对称矩阵。
[0048]
应用故障-环境应力apriori关联规则分析所述故障事件各维度信息之间的依存关系，得到所述各环境应力因素对各子系故障的影响评估结果f。
[0049]
表示a型架布放回收装置各子系统之间影响关系的矩阵m，通过各环境应力因素对
各子系统故障的影响评估结果f与a型架布放回收装置各子系统中设备之间的关系影响矩阵a点乘得到，m＝f
·
a。
[0050]
根据得到的a型架布放回收装置各子系统之间影响关系，结合故障发生频率、严重程度模糊聚类分析以及故障-环境应力apriori关联分析，得出a型架放回收装置某一子系统故障与敏感环境应力之间的关联关系，从而得出何种敏感环境应力与该子系统故障的发生有较高的关联性。
[0051]
步骤6：敏感环境应力有限元仿真验证：
[0052]
应用有限元仿真，对步骤5得到的分析结果进行验证，a型架布放回收装置的载荷按照5类环境应力分别进行建模仿真分析，通过静态、动态和温度等有限元计算仿真验证该种环境应力。在进行所述有限元分析时，边界条件按照具体的设计图纸进行约束，根据情况选用线性仿真或者非线性仿真。
[0053]
优选的，步骤3中，温度、湿度、盐雾、振动和冲击环境应力按照以下方式进行确定：优先采用实际测量得到的数据，若无实际测量数据，也可以考虑使用规范数据进行分析，参考的规范数据包括gjb/1060.2-1991《舰船环境条件要求：气候环境》、中国船级社《海上浮式装置入级规范》(2020)、gbt13853－1992《船用液压泵液压马达技术条件》等规范。
[0054]
优选的，在步骤6中，有限元分析的边界条件按照具体的设计图纸进行约束，安装在深海采矿船甲板基座上的设备考虑甲板的边界效应，安装在深海采矿船强力结构上的设备设定为固支边界条件。
[0055]
优选的，在步骤6中，有限元分析根据5种环境载荷的强度选择线性或非线性仿真进行验证，确认主要的变形和分布特征，验证设备响应的高风险区域，明确设备的主要失效模式及特点。当环境载荷为强度较小载荷时，采用线性仿真进行验证，确认主要的变形和分布特征，验证设备响应的高风险区域；当环境载荷为大强度载荷时，进行非线性仿真验证，明确设备的主要失效模式及特点。
[0056]
优选的，在步骤6中，使用有限元网格模型进行有限元分析。a型架布放回收装置的cad模型与原始的设计图纸保持一致，采用一般的cad建模软件进行建模，控制有限元网格中三角形和畸形的网格数量在5％以下。有限元分析按照先粗网格模型分析后细网格模型分析的方式进行，粗网格模型按照梁单元 壳体单元的模式进行建模分析，细网格模型按照全部壳体单元的模式进行建模分析。
[0057]
优选的，在步骤6中，仿真分析时优先选用实测数据载荷进行加载，当无实测环境应力载荷时，参照步骤3给出的规范进行加载。
[0058]
优选的，在步骤6中，当采用非线性仿真验证的方法，可以是隐式有限元计算或者显式有限元仿真。
[0059]
本发明的有益效果：
[0060]
本发明通过对a型架布放回收装置故障数据统计，定量建立了a型架布放回收装置故障-敏感环境应力的关联关系，给出了深海采矿船a型架布放回收装置的敏感环境应力分析和验证的通用性方法和流程，对于指导a型架布放回收装置的失效模式，掌握其失效规律具有重要的意义。
附图说明
[0061]
图1为本发明一种深海采矿船a型架布放回收装置敏感环境应力分析方法流程图；
[0062]
图2为本发明中a型架布放回收装置故障树分析步骤示意图；
[0063]
图3为本发明中fcm-ar模型的具体实施步骤示意图；
[0064]
图4为本发明中主要设备子系统之间关系图；
[0065]
图5为本发明实施例中有限元网格模型图。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0067]
如图1所示，本发明提供的一种深海采矿船a型架布放回收装置敏感环境应力分析方法，包括以下各步骤：
[0068]
步骤1：根据所采挖的不同矿物类型所在的不同海洋区域位置，确定深海采矿船a型架布放回收装置主要工作区域及地理位置，设计计算书将具体作业地理位置输入。
[0069]
步骤2：确定深海采矿船a型架布放回收装置主要作业任务类型及主要作业任务剖面：
[0070]
其中，主要作业任务类型为所述深海采矿船a型架布放回收装置在特定海洋地理位置区域执行不同类型任务的时间统计量。
[0071]
作业剖面为深海采矿船a型架布放回收装置在特定海洋地理位置区域执行不同类型任务的时间占比。
[0072]
其中，主要作业任务包括：动态定位钻井任务、锚系任务、巡航任务、船坞维修任务、实际钻井作业任务、水下维修任务、动态定位维修任务和恶劣天气等待任务中的一种或几种。
[0073]
设定深海采矿船的整体运营时间为25年，每种主要作业任务的运营时间按照设计任务书确定。
[0074]
步骤3：确定深海采矿船a型架布放回收装置主要自然环境应力和诱发环境应力：
[0075]
其中，自然环境应力根据步骤1中的具体海洋地理位置确定，包括温度环境应力、湿度环境应力和盐雾环境应力中的一种或几种。
[0076]
诱发环境应力为所述自然环境应力诱发产生的应力，参照步骤2中的作业任务类型与作业任务剖面确定，包括振动环境应力和冲击环境应力。
[0077]
步骤4深海采矿船a型架布放回收装置故障数据统计和故障树分析:
[0078]
基于实际的a型架布放回收装置的故障案例统计数据，开展深海采矿船a型架布放回收装置故障数据统计和故障树分析：
[0079]
步骤4.1故障数据统计：对a型架布放回收装置发生故障的具体部件对象、发生故障的具体现象、发生故障的具体原因、发生故障的关联环境应力进行统计，通过故障统计数据和故障树分析，确定导致故障发生的关联环境应力种类：
[0080]
故障数据统计的类型包括机械故障、液压故障和电气控制故障数据统计。
[0081]
表1给出了故障数据统计的范例：
[0082]
表1故障数据统计范例
[0083][0084]
步骤4.2故障树分析：如图2所示采用故障树分析方法，分别对a型架布放回收装置的主要设备如液压动力系统、a型门架系统、布放回收设备绞车系统、设备控制操纵系统的机械故障、液压故障和电气控制故障开展故障树分析。
[0085]
步骤5：故障发生频率、严重程度模糊聚类分析以及故障-环境应力apriori关联规则分析：
[0086]
如图3所示，根据步骤4分析得到的布放回收系统故障树，建立fcm-ar模型，对故障应力进行定位，具体步骤如下：
[0087]
步骤5.1：故障发生频率、严重程度模糊聚类分析：
[0088]
获取a型架布放回收装置各个设备故障信息，并从中整理提取所述振动环境应力维度、冲击环境应力维度、温度环境应力维度、湿度环境应力维度、盐雾环境应力维度的发生频率和发生严重程度。
[0089]
对故障发生频率、发生严重程度进行模糊聚类分析，得到对应的隶属矩阵，确定样本中各故障严重程度的分类情况。
[0090]
确定聚类中心的个数c，输入故障发生频率和故障发生严重程度的原始数据。
[0091]
其中，聚类中心个数c是一个不断迭代计算隶属度u
i,j
和簇中心cj直到他们达到最优的过程，如式(1)所示：
[0092][0093]
对于单个样本xi，它对于每个簇的隶属度之和为1；其中m为隶属度u
i,j
的个数、n为样本x的个数；
[0094]
当迭代满足式(2)时，停止迭代：
[0095][0096]
其中，k是迭代步数，max
ij
为误差阈值、ε为选定的容差值、该过程收敛于目标jm的局部最小值或鞍点。
[0097]
根据模糊聚类算法，计算故障程度的隶属度矩阵，确定各样本发生频率、发生严重程度对应的类别。
[0098]
步骤5.2：确定a型架布放回收装置横向与纵向关联关系，并进行故障-环境应力apriori关联规则分析：
[0099]
a型架布放回收装置横向关联关系为各子系统之间的关系。
[0100]
a型架布放回收装置的子系统包括液压动力系统、a型门架系统、布放回收设备绞车系统、设备控制操纵系统。
[0101]
a型架布放回收装置纵向关联关系为各子系统中的设备之间的影响关系。
[0102]
a型架布放回收装置的设备包括伸缩架、摆动架、对接装置、纵摇缓冲装置、横摇缓冲装置、液压动力站、液压阀柜、机旁控制柜、遥控装置、液压马达、常闭式安全闸、行星减速机、排缆器以及光电滑环。
[0103]
如图4所示，根据a型架布放回收装置的子系统分类和设备分类得到a型架布放回收装置子系统间的横向关联关系和相互设备之间纵向上下游关联耦合关系。
[0104]
设置参数a
vr
表示a型架布放回收装置各子系统中的设备之间的作用程度大小。
[0105]
布放回收子系统中包括的设备为a
ij
，表示设备i对设备j的作用程度大小，并用a
ji
表示设备j对设备i的作用程度大小。
[0106]
通过关系影响矩阵a定义a型架布放回收装置各子系统中设备之间的相互影响程度。
[0107]
a初始如式(3)所示：
[0108][0109]
对于a型架布放回收装置的设备i对设备j的影响程度可以通过设备i的状态值xi与设备之间i
→
j的作用程度a
ij
的乘积进行定义，即xi×aij
，反之，设备j对设备i的作用表示为xj×aji
。
[0110]
设表示a型架布放回收装置各子系统之间影响关系的矩阵为m，由于a
ij
与a
ji
存在不等的情况，因此，矩阵m为非对称矩阵。
[0111]
应用故障-环境应力apriori关联规则分析所述故障事件各维度信息之间的依存关系，得到所述各环境应力因素对各子系故障的影响评估结果f。
[0112]
表示a型架布放回收装置各子系统之间影响关系的矩阵m，通过各环境应力因素对各子系统故障的影响评估结果f与所述a型架布放回收装置各子系统中设备之间的关系影响矩阵a点乘得到，m＝f
·
a。
[0113]
根据得到的a型架布放回收装置各子系统之间影响关系，结合故障发生频率、严重程度模糊聚类分析以及故障-环境应力apriori关联分析，得出a型架放回收装置某一子系统故障与敏感环境应力之间的关联关系，从而得出何种敏感环境应力与该子系统故障的发生有较高的关联性。
[0114]
步骤6：敏感环境应力有限元仿真验证：
[0115]
应用有限元仿真，对步骤5得到的分析结果进行验证，a型架布放回收装置的载荷按照5类环境应力分别进行建模仿真分析，通过静态、动态和温度等有限元计算仿真验证该种环境应力。在进行有限元分析时，边界条件按照具体的设计图纸进行约束，根据情况选用线性仿真或者非线性仿真。
[0116]
在本发明的一些实施例中，在步骤6中，有限元分析的边界条件按照具体的设计图纸进行约束，安装在深海采矿船甲板基座上的设备考虑甲板的边界效应，安装在深海采矿船强力结构上的设备设定为固支边界条件。
[0117]
在本发明的一些实施例中，在步骤6中，有限元分析根据5种环境载荷的强度选择线性或非线性仿真进行验证，确认主要的变形和分布特征，验证设备响应的高风险区域，明确设备的主要失效模式及特点。当环境载荷为强度较小的载荷时，采用线性仿真进行验证，确认主要的变形和分布特征，验证设备响应的高风险区域；当环境载荷为大强度的载荷时，进行非线性仿真验证，明确设备的主要失效模式及特点。
[0118]
在本发明的一些实施例中，在步骤6中，使用有限元网格模型进行有限元分析。a型架布放回收装置的cad模型与原始的设计图纸保持一致，采用一般的cad建模软件进行建模，控制有限元网格中三角形和畸形的网格数量在5％以下。有限元分析按照先粗网格模型分析后细网格模型分析的方式进行，粗网格模型按照梁单元 壳体单元的模式进行建模分析，细网格模型按照全部壳体单元的模式进行建模分析。
[0119]
在本发明的一些实施例中，在步骤6中，仿真分析时优先选用实测数据载荷进行加载，当无实测环境应力载荷时，参照步骤3给出的规范进行加载。
[0120]
在本发明的一些实施例中，在步骤6中，当采用非线性仿真验证的方法，可以是隐式有限元计算或者显式有限元仿真。
[0121]
在本发明的一些实施例中，液压动力子系统的敏感环境应力分析过程如下：
[0122]
经过历史过往故障案例统计分析发现，液压动力子系统经常发生的故障包括摩擦裂纹故障、漏油故障、振动声音过大故障等故障类型。液压动力站的传动轴为液压动力子系统液压马达设备的关键部件之一，是上述故障类型发生的主要部位和部件。由于液压动力子系统受到的环境应力较为复杂，有温度应力、振动应力、冲击应力等多种类型。通过质量问题报告数据和文献统计资料，统计分析得到液压动力子系统的发生频率，然后按照步骤5.1中模糊聚类计算模型和方法得到液压动力子系统各故障严重程度的聚类结果，包括故障发生的类型(漏油、短路、断裂、摩擦故障、结构塑性变形、发热严重等)和故障严重程度(一般故障、较严重故障、严重故障和致命故障4个等级)，按照步骤5.2进行故障定位分析得到其中摩擦故障主要发生的部件为液压动力子系统的传动轴部件，然后通过故障-环境应力的apriori关联分析得到致命和严重摩擦故障事件与温度应力作用关联最高，因此判断轴向温度作用力是液压动力站的传动轴部件的主要敏感环境应力。
[0123]
通过有限元仿真进行上述结论的验证：
[0124]
参照gbt13853－1992《船用液压泵液压马达技术条件》和液压动力站的传动轴部件几何尺寸、材料特性等作为初始输入条件，建立相应的有限元仿真模型，按照gbt13853－1992《船用液压泵液压马达技术条件》估算得到轴向的温度载荷f＝20kn，将估算得到的轴向温度载荷施加到液压动力站的传动轴部件端面，经过求解器计算得到液压动力站的传动轴部件的变形云图如图5所示，可判断其轴向的接触部分变形较大，容易发生摩擦故障，验
证了本发明技术方案中的分析方法得出的分析结果。
[0125]
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。