錨泊起重船剛柔耦合動力學建模及其動態(tài)特性研究.pdf

1、起重船是海洋工程設施建設必不可少的工程船舶。起重船在海上作業(yè)或是航行由于受到海浪的作用，會引起船體運動。船體的運動不僅影響船上人員的舒適性，而且直接影響到起吊作業(yè)的效率和安全性。因此，分析起重船動態(tài)特性及其影響因素，并將之應用于起重船的設計和作業(yè)中是十分必要的。國內外學者對船舶在海浪上的運動響應進行了深入的研究，但因為起重船的船型、起吊機械的特殊性，對該系統(tǒng)的理論研究還較缺乏。 隨著海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，起重船為提高作業(yè)效率、降低

2、環(huán)境對作業(yè)的影響，起重量越來越大，運行速度越來越快，其整體動態(tài)特性表現(xiàn)出一些新的特征，主要表現(xiàn)在： (1)吊臂柔性對系統(tǒng)的動力學特性有影響；(2)吊重與船舶之間存在雙向耦合作用。本文在此背景下對該問題進行了深入的探討，取得以下研究成果： （1）將錨泊起重船臂架和吊索看作彈性體，基于柔性多體動力學，針對錨泊起重船首次建立了系統(tǒng)剛柔混合動力學模型，分析了模型的影響因素，詳細討論了剛柔混合彈性模型與剛體模型、平面模型間的相互轉換

3、方法，模型具有良好的通用性。研究了吊物系統(tǒng)采用單擺及球擺模型造成的系統(tǒng)計算差異，確定吊物系統(tǒng)采用空間球擺模型更符合實際情況；探討了船舶與吊重雙向耦合作用的條件； （2）對吊物系統(tǒng)動力響應及吊索中的動張力響應進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)單純的面內激勵會導致吊重面外的較大擺動；在特征頻率附近，吊索中的動張力急劇增大；使用Melnikov 函數(shù)確定了吊重混沌振動的參數(shù)閾值，根據(jù)相圖、Poincare 映射圖和Lyapunov指數(shù)方法對吊物系統(tǒng)

4、中出現(xiàn)的混沌現(xiàn)象進行了分析，確定了吊物系統(tǒng)發(fā)生混沌的影響因素是激勵幅值、激勵頻率和吊索長度，提出了通過合理選擇系統(tǒng)參數(shù)避開發(fā)生混沌的區(qū)域的方法。 （3）依據(jù)有限單元法建立起錨泊系統(tǒng)非線性動力學方程，通過懸鏈線方程確定初始位置，通過靜力分析求得靜平衡位置，在此基礎上對系統(tǒng)動態(tài)特性進行了分析，計算結果表明，采用多項式模擬錨泊力的作用是合理的。在此基礎上設計了一套凸輪機構來模擬錨泊系統(tǒng)對船舶的作用，以便在進行實驗時代替錨索來模擬錨泊系

5、統(tǒng)作用。 （4）采用自由度縮減的DC 增益方法實現(xiàn)吊臂模態(tài)的選擇，減小了系統(tǒng)動力學計算的規(guī)模，并對模態(tài)截斷的精度進行了詳細分析。在此基礎上建立了起重船吊臂的彈性動力學模型，為剛柔耦合整體模型的建立及其動態(tài)特性分析奠定了基礎。 （5）建立了剛柔耦合錨泊起重船虛擬樣機模型，為動態(tài)特性的研究提供了可靠的研究平臺就設計參數(shù)（錨索剛度、吊臂質量、吊臂柔度）對系統(tǒng)特性的影響和典型工況（吊重跌落、起臂工況以及離地起升）下系統(tǒng)的響應特性