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锚泊起重船刚柔耦合动力学建模及其动态特性研究

任会礼  
【摘要】: 起重船是海洋工程设施建设必不可少的工程船舶。起重船在海上作业或是航行由于受到海浪的作用,会引起船体运动。船体的运动不仅影响船上人员的舒适性,而且直接影响到起吊作业的效率和安全性。因此,分析起重船动态特性及其影响因素,并将之应用于起重船的设计和作业中是十分必要的。国内外学者对船舶在海浪上的运动响应进行了深入的研究,但因为起重船的船型、起吊机械的特殊性,对该系统的理论研究还较缺乏。 随着海洋开发事业的发展,起重船为提高作业效率、降低环境对作业的影响,起重量越来越大,运行速度越来越快,其整体动态特性表现出一些新的特征,主要表现在:(1)吊臂柔性对系统的动力学特性有影响;(2)吊重与船舶之间存在双向耦合作用。本文在此背景下对该问题进行了深入的探讨,取得以下研究成果: (1)将锚泊起重船臂架和吊索看作弹性体,基于柔性多体动力学,针对锚泊起重船首次建立了系统刚柔混合动力学模型,分析了模型的影响因素,详细讨论了刚柔混合弹性模型与刚体模型、平面模型间的相互转换方法,模型具有良好的通用性。研究了吊物系统采用单摆及球摆模型造成的系统计算差异,确定吊物系统采用空间球摆模型更符合实际情况;探讨了船舶与吊重双向耦合作用的条件; (2)对吊物系统动力响应及吊索中的动张力响应进行了详细研究,发现单纯的面内激励会导致吊重面外的较大摆动;在特征频率附近,吊索中的动张力急剧增大;使用Melnikov函数确定了吊重混沌振动的参数阈值,根据相图、Poincare映射图和Lyapunov指数方法对吊物系统中出现的混沌现象进行了分析,确定了吊物系统发生混沌的影响因素是激励幅值、激励频率和吊索长度,提出了通过合理选择系统参数避开发生混沌的区域的方法。 (3)依据有限单元法建立起锚泊系统非线性动力学方程,通过悬链线方程确定初始位置,通过静力分析求得静平衡位置,在此基础上对系统动态特性进行了分析,计算结果表明,采用多项式模拟锚泊力的作用是合理的。在此基础上设计了一套凸轮机构来模拟锚泊系统对船舶的作用,以便在进行实验时代替锚索来模拟锚泊系统作用。 (4)采用自由度缩减的DC增益方法实现吊臂模态的选择,减小了系统动力学计算的规模,并对模态截断的精度进行了详细分析。在此基础上建立了起重船吊臂的弹性动力学模型,为刚柔耦合整体模型的建立及其动态特性分析奠定了基础。 (5)建立了刚柔耦合锚泊起重船虚拟样机模型,为动态特性的研究提供了可靠的研究平台就设计参数(锚索刚度、吊臂质量、吊臂柔度)对系统特性的影响和典型工况(吊重跌落、起臂工况以及离地起升)下系统的响应特性进行了全面详细的分析。发现船舶运动幅值和吊重摆角并不总是随着锚索刚度的增加而减小;吊臂质量对船舶运动的影响与其绝对质量密切相关,与其相对于船的相对质量无关。 最后,研制了船舶运动模拟实验平台,编制了相应的数据采集软件和平台运动控制程序,通过该平台可以模拟船舶的纵荡、垂荡运动,在该平台上进行了吊重振动试验,分析吊重摆振特性,验证了理论计算的正确性。


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