海底管道回填犁是用于掩埋海底石油管道的专用水下机械设备,主要作用是对布放在海底沟槽里的石油管道进行掩埋,达到保护管道的目的。本文将海底管道回填犁作为主要对象来研究,同时考虑拖缆对回填犁拖曳运动过程的影响,建立完整的回填犁拖曳过程的数学模型,并对回填犁拖曳系统数学模型进行数值计算并得出相关结论。提出了回填犁结构设计方案,通过对回填原理的分析,明确了回填犁拖曳回填过程。分析了拖缆、回填犁和惯性三者坐标系之间的关系,为参数在不同坐标系的传递建立转换方程。建立了回填犁与拖缆运动的数学模型及其边界条件。在该数学模型中,拖缆的运动等式是基于Ablow and Schechter拖缆运动数学模型,回填犁的运动则是基于Abkowitz的拖体运动数学模型,并在缆绳和回填犁的连接点处建立参数传递方程,由此回填犁拖曳系统的方程组封闭可解。拖曳系统运动方程主要是描述拖缆和回填犁受力与运动之间的等式,是求解回填犁拖曳力及其他参数的方程主体。边界条件主要是对不同坐标系方程的参数进行的关联,将拖缆最上端(与拖船的铰接点)定义为一个参数边界,将拖缆下端(即与回填犁的铰接点)为一个参数转换边界,将回填犁回填状态定义为末端参数边界。边界除了传递参数,还使待方程方程组进一步简化。分析了回填犁在回填作业过程中受到的力和力矩,给出了回填犁所受到力及力矩的可求解的计算公式。由于回填犁的结构外形复杂,没有回填犁相对应的流体冲击阻力的经验计算公式,所以针对回填犁的模型特点,利用CFD软件求解流场得到回填犁受到的流体冲击阻力。拖缆和回填犁的控制方程是含有六个未知数的非线性偏微分方程组,由于是通式形式,直接计算求解非常困难。在列出拖曳系统控制方程组的基础上,需要先对非线性偏微分方程组进行离散化处理,将非线性偏微分方程组转换为非线性差分方程组的形式;其次对差分方程组进行线性化;再次将线性化后的差分方程组转化为可以用于麦考马克方法计算的时间推进的形式;最后用麦考马克方法计算出方程的值。将拖缆、回填犁的化简求解后的方程组进行联立并编辑为MATLAB语言,利用MATLAB软件对计算方程进行解算,并达到分析和出图像的目的。讨论了拖曳初始值一定时,回填犁拖曳系统各个参数随时间的收敛情况;讨论了不同拖曳初始值时,回填犁拖曳系统各个参数随时间的变化及收敛情况;讨论了回填犁重量对运动仿真参数的影响;讨论了在仿真过程中为了保证回填过程中回填犁的机体稳定而对回填犁抬升角的调节过程。最后将试验得出的结果与拖曳系统得出的结果进行对比,进而验证数学建模与仿真的正确性。研制了回填犁试验样机,对回填犁进行陆地试验,以验证回填工作原理。对试验数据进行分析,并将机构进行改进。针对试验的效果和仿真的出现的状况,分别在增强回填犁侧向稳定性、减少回填犁犁体泥土附着两个方面进行讨论。