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原文传递锚泊起重船刚柔耦合动力学建模及其动态特性研究

论文题名：	锚泊起重船刚柔耦合动力学建模及其动态特性研究
关键词：	锚泊起重船;刚柔耦合动力学;动态特性;工程船舶;起吊机械;动张力响应;有限单元法;虚拟样机
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。
作者：	任会礼
专业：	机械设计及理论
导师：	李成刚;胡于进
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文