在深海石油开采的过程中,受到海浪的影响,浮式钻井装置会产生升沉、横漂、纵漂、纵摇、舶摇、横摇六个自由度的摇荡运动,其中最主要的产生一个周期性的升沉运动,使得钻柱上下往复运动,同时井底钻压发生变化,甚至使钻头脱离井底,降低钻头和钻杆的寿命,造成巨大的经济损失。因此,为了减少不利的影响,降低钻井成本,浮式钻井装置必须采用升沉补偿系统对钻柱升沉运动进行补偿。开展天车型钻柱升沉补偿试验系统的设计研究,可以在实验室条件下,模拟各种工况,研究升沉补偿。本文提出一种基于天车的钻柱升沉补偿装置的补偿方案,补偿缸采用复合式液压缸。首先,根据相似理论,对比天车升沉补偿系统原型参数,确定了试验装置的补偿周期、补偿行程、天车载荷、钻压等参数。根据试验装置的工作原理,分别设计了升沉模拟系统、负载模拟系统、补偿系统的液压系统回路。基于Simulink软件建立了天车的受力模型,分析了天车位移与补偿缸在竖直方向分量的关系,对试验装置的摇摆装置进行了结构设计,并且确定了补偿缸固定绞点的位置。根据Simulink软件建模,分析了蓄能器体积与系统能耗的关系,并确定了蓄能器的体积。研究表明,蓄能器体积越大,系统能耗越低,但随着体积的增大,能耗降低的幅度逐渐减小,考虑到空间和成本的限制,选择合适的蓄能器体积。补偿缸与模拟缸采用了复合式液压缸,负载缸采用了普通活塞缸,根据液压缸的设计方法,确定了液压缸的缸筒内径、壁厚、头部法兰厚度、活塞尺寸、油口尺寸等参数,校核了补偿缸的强度及稳定性,此外,还对钢丝绳、轴承、电机、液压泵等一系列元件进行了选择计算,最终,用SolidWorks软件得到了补偿试验系统的三维立体模型。将三维软件导入ADAMS软件,建立整个补偿试验系统的机械模型,在AMESim软件中建立试验系统的液压模型,然后对整个系统进行联合仿真分析。仿真分析结果表明,被动式补偿方式的补偿效果明显低于主动式和半主动式补偿,而主动式与半主动式补偿效果显著,游车大钩的位移较小,两种升沉补偿方式的效果差别较小,但是主动式升沉补偿方式的能耗明显高于半主动式升沉补偿方式的能耗,半主动升沉补偿方式周期能耗平均为10.7kJ,约为主动式能耗的5.7%,节能较为明显,同时为以后的补偿试验装置样机的测试试验提供了技术支持和保障。