巨型海上作業機械風浪耦合模型及穩定性研究

《巨型海上作業機械風浪耦合模型及穩定性研究》是依託同濟大學，由張氫擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：巨型海上作業機械風浪耦合模型及穩定性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張氫
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

巨型海上作業機械是工作在海上的支撐於專用船體上的超大型施工機械，兼具船舶和高聳結構的特點，但其工況、載荷狀態、載荷分布和結構外形又獨具特徵，從而使其在風浪及工作載荷作用下的穩定性問題既不同於船舶，也與高聳結構有明顯區別，有其明顯的特殊性，一般設計規範無法完全適用於風浪耦合狀態。本項目在理論分析、計算機數值模擬和風洞試驗的基礎上，深入研究風載荷在大型海上作業機械總載荷中所占的比例和計算方法、波浪效應的簡化模型和風浪耦合作用下海上作業機械穩定性的數學描述。研究結果既可以套用於大型海上作業機械的研究和設計，又可以作為相關國家標準的補充和參考，為提高我國研發這類機械的研發水平發揮積極作用。

結題摘要

我國國民經濟的迅猛發展對海上施工、海上救援與巨型機械系統的海上整機運輸提出了前所未有的需求和挑戰，海上巨型作業機械因此應運而生。這類作業機械因工作條件的要求，需要支撐於專用船體之上以便在海上工作且體型龐大，兼具一般船舶與高聳、大跨結構的特點，但又與之有明顯的區別，船舶與一般機械和結構的設計規範均無法完全適用。項目研究中，以上海振華重工（集團）股份有限公司研究開發的7500噸海上全迴轉浮式起重機為基本研究對象，主要從載荷分析、動力學建模、風洞試驗、瞬態回響分析及動力穩定性5個方面對巨型海上作業機械進行了系統研究。項目研究中，將波浪對巨型海上作業機械的作用通過吊重的偏擺來轉化為作用於其上的一種載荷形式，通過理論推導獲得其解析表達式，並進一步通過計算機完成了其時間歷程的模擬；風載荷按照結構風工程中的經典風速譜，結合國際公認的一種諧波疊加法獲得風速的時間歷程，進一步可得風壓的時間歷程。由於巨型海上作業機械與一般機械系統類似，需要根據工作環境、工作條件的需求變換工作幅度、高度、迴轉角度等，工況眾多。若按照一般的建模方式，對每種工況分立建模，將不得不面臨計算成本巨大的問題。因此項目研究過程中，基於動態子結構方法的思想，首先建立巨型海上作業機械各個主要部件的有限元模型，通過連線部位的力平衡與位移協調完成部件的組裝，通過在部件上設定局部坐標的形式完成不同工況的轉化。研究結果表明，巨型海上作業機械基頻很低，在迴轉平面內的振動很容易被激發，而通過子結構方法，亦獲得了各個主要部件的動力學特徵對整體動力學特徵的貢獻，為今後類似機型的設計提供了參考。為了進一步界定風向、幅度及風場類型對巨型海上作業機械所承受的風載荷的影響，項目研究中製作了7500噸浮式起重機的1:200風洞縮尺模型，在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室完成了相關風洞試驗。結合以上幾方面研究，藉助商用有限元平台，完成了7500噸巨型浮式起重機的瞬態回響分析。分析、研究、對比了現有主流結構動力穩定性的數值模擬方法，選擇時間凍結法進行了7500噸浮式起重機的動力穩定性分析。