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载有柔性吊杆起重泊船的动态响应分析
摘要:目前,正在研究的起重泊船的动态响应,在Lagrange方程的基础上得到了起重泊船的动态响应控制方程,而这种动态响应伴随着有效载荷下的摇摆运动。吊杆模型是基于有限元方法建立的,同时,用大量节点的平面摆作为有效载荷的模型。用数值分析方法来分析动态响应过程,计算结果表明,大幅度的动态响应发生在波动期的有效载荷接近自然期的有效载荷。附带灵活吊杆的起重吊船与吊杆固定的起重吊船相比具有更小的载荷旋转角。对于附带灵活吊杆的起重船来说船体的晃动会给吊杆带来较大的震动,这在附带固定吊杆的起重船上是观察不到的。因此,本课题就是要找出与此相关的重要参数并且找到合理的方法来设计体系以适应各种不同的工作情况。
关键词:动态响应,起重泊船,有限元方法,刚—柔连接动态模型。
引言:可移动的起重机在近海的工程项目中起到很重要的作用。然而,海浪的起伏给起重船带来很大的波动,给吊运工作带来很大的难度。对于大型物体的起吊,即使海面相对平静,也会带来额外的附加载荷。在一些情况当中,船体或被吊物体的波动程度会成为起重船动态行为的主要参数。一个小小的波动可能会引起船体跟物体的碰撞。除此之外,船体的波动要控制在一个微小的范围内以获得一个相应的配置来适应整个工作区域的体系。
本课题是在大量与之相关的报道基础上进行的。(Dong and Han, 1993; Masoud et al., 2004; Ellermann, 2005).在起重载荷系统中引入了一个刚性不计质量的钢索以及大量的点载荷。同时,通过计算机模拟使用3个自由度的船体运动模拟平台,这一点已通过实验得到了验证。使用多重标度的方法来分析钢索悬荷的动态分布。结果表明,当钢索卸载回绕时,当应激反应的参变量达到自然频率的两倍时会导致船体突然跳动。研究人员使用马里兰索具系统研究了起重吊船弹性吊索吊动货物时的摆动控制。用一个多模型问题来描述起重船的动态响应问题,而这个多模型问题与钢索的长度以及船体的转舵角密切相关。模型和实验结果显示,高速控制方法对抑制不同操作情况以及不同有效负载质量有重要影响。
本课题使用线性理论模型作为评估起重吊船动态响应的第一种方法。在不考虑恢复力以及小振幅的假设基础上建立不同的线性运动方程。动态模型的建立应用了多体动力学方法,同时也分析了起重机的动力学行为。与此同时,对钢索吊挂货物时的摆动行为进行了研究,研究过程假设起重船为刚体,吊杆运动为平面摆动,结果显示出钢索的摆动行为为非线性的。
几乎在所有的研究当中都没有考虑钢索的柔性。其中假设对短的起重吊臂以及小的荷重比可能基本上有效,但是对长的起重吊臂以及大的荷重比来说,钢索的柔性就不得不考虑了。
就本文作者所知,到目前为止,还没有关于考虑柔性钢索的影响来建立模型的相关报道。本课题研究的目的是建立一种刚—柔连接动态模型对泊船起重及有效载荷的动力学行为进行预测。这种预测既是动力学设计的基础又是对吊船起重设备剩余服役寿命的一个评估。
模型的描述
泊船起重系统的简要模型如图1所示。当考虑起重船体的尺寸以及弹性性能时,只把吊杆作为柔性构件来处理已经足够了。在分析过程中做了如下假设:
①起吊运动只发生在与海平面垂直的平面上,载荷集中在一点上,运动轨迹可以在垂直平面上发生摆动,但不考虑转动;
②绳索作为刚性体来考虑