摘要
国家对于海上补给所需要的装备技术进行大力研发支持,使其迅速成为我国军事力量的一种凸显。本文研究的重点是在基于神经网络算法下应用了主动式波浪补偿技术的吊机系统。其中主动式波浪补偿技术是未来海洋补给装备中的一种新型高新技术,能够主动并且及时地补偿船舶因为海洋运动等因素而引起的一系列相对运动,确保在复杂的海洋环境下,船只能安稳顺利的全天候作业。主动式波浪补偿吊机系统的研发有着重大的战略意义和经济效益。
首先,对船用吊机的分类及工作原理进行分析,分析对比不同类型的船用吊机的优缺点,确定船用吊机的吊臂结构方案,对船用伸缩折臂吊机总体方案进行设计,并对其运动和载荷进行了分析。接着,对船用伸缩折臂吊机进行静力学分析,通过Abaqus有限元分析软件对船用伸缩折臂吊机建立有限元模型,并对其刚度、强度、模态分析以及谐响应分析进行计算,研究表明吊机结构的力学性能满足设计要求,工作频率不会引起吊机结构产生共振。然后,基于虚拟样机技术利用Adams软件建立船用伸缩折臂吊机虚拟样机,船用吊机起升工况、不同幅值和不同海况的载荷进行分析,并计算了波浪激励对船用伸缩折臂吊机结构动态响应。起升货物时应尽可能降低钢丝绳幅值,根据海况不同调整起升额定载荷。最后通过船用伸缩折臂吊机的应变实验验证了吊机模型的正确性。在有限元模型正确的基础上,根据实验和有限元计算结果吊机基座结构应力余量较大,基于变密度的连续体结构拓扑优化对船用吊机基座结构进行优化设计,根据拓扑优化结果进行新模型的设计,并对新模型进行有限元计算分析。优化后的新模型刚度和强度均满足设计要求,并减重13.5%,验证了优化设计的可行性。
关键词:静力学分析;虚拟样机;动力学分析;波浪激励;结构优化
一、绪论
1.课题选题背景
伴随着国际金融危机的持续影响,全球的经济发展慢慢放缓了脚步,资源问题尤其是海洋资源,逐渐成为了世界各强国之间的角力。世界各强国必然对海洋装备的研发投入大大加大,用来提高对海洋资源探索以及开采的竞争力,所以未来对于海洋装备的性能要求会越来越高[1]。同时在世界各国关系多变的今天,各国间的争锋竞争不断,导致小范围的摩擦也不断,虽不至于发生大规模的世界战争,但海上军事力量的增强也急需受到重视。此刻海上补给作为一种海上作业及作战的后勤保障,世界各国对海洋补给装备的需求也越来越大并且越来越重视。将海洋装备应用在军事领域中,舰艇的作战半径可以大幅度增加,舰艇的续航能力可以有效地增长,从而降低了作战舰队对基地的依赖程度,同时远航船只的生存能力也得到了大幅度提高,这就形成了强悍的海上军事实力,这种军事能力的增强大大提高国家在未来的世界各强国竞争之中的竞争力与话语权[2]。由于海上补给方式的多样性,从而所需要的海洋补给装备不同,如横向、纵向、并靠以及垂直等不同补给方式的海洋补给装备[3]。随着陆地能源的开采与枯竭,21世纪是将是人类全面开发和使用海洋能源的的新世纪,丰富的海洋资源为人类的发展提供持续的动力。我国是海洋大国,有广阔的海域,我国的临海中蕴藏着丰富的资源。随着全球一些发的国家已经加快了对海洋资源的探测与开采的步伐,各国已经意识到了发展海洋高科技是确保国家的领海安全、资源安全的重要保障。海上远距离补给也是我国由近海走向深蓝的重要保障,也是衡量一个国家海军战斗能力的一项重要指标。船舶在波浪的影响下回产生升沉、撗荡、纵荡、横摇、纵摇和艏摇等六个方向的摇摆运动,极大的影响船用吊机海上作业的安全和补给效率,严重时会危及工作人员的生命安全。迄今为止,已有大量学者对普通工况的吊机静力学、工作空间、动力学进行了研究。但针对特种工况下工作的船用吊机研究较少,根据海上船与船之间补给工作的需求,本文提出了对船用伸缩折臂吊机结构设计及优化的研究,伸缩折臂吊机工作空间大、甲板占地面积小、转运效率高等优点。船用伸缩折臂吊机对海上货物的转运、海上平台的吊装等发挥着重要作用。
2.课题研究目的及意义
在实际的工程应用中,船用吊机通过螺栓安装在船舶甲板上,受甲板空限制,在设计时应尽可能的减少其空间占用,而且考虑到海上船与船补给需要吊机具有较大的工作半径,因此船用吊机采用伸缩折臂式吊机。船用伸缩折臂吊机通过螺栓固定在船舶甲板上,在船用吊机作业的过程中,船舶会受到波浪的影响而产生摇摆运动,因而吊机会产生剧烈的摇晃。船用吊机在过去的设计中一般采用较为传统的设计方法,通过手工计算的静强度为设计准则,然后乘以安全系数来考虑船用吊机在海上受到的摇摆冲击[3]。这种计算方法准确性较差,使得部分部件强度余量较大,而一些关键部件容易在海上作业时断裂,在船用吊机作业时容易发生严重的事故。因此在设计船用吊机时应考虑船用吊机的动态特性,并船用吊机受力的关键部位进行优化设计,提高船用吊机臂体的力学性能,并减轻吊臂质量。
二、国内外研究现状
1.虚拟样机技术研究现状
现在,流行的虚拟仿真软件多种多样,其中ADAMS最受研究者的青睐。ADAMS软件是由美国一家公司设计研发的一款对多体动力学机械系统进行动力学和运动学仿真分析应用软件[4]。研究者可以按照自己的实际需求来添加零件模型,并通过不同的连接方式将零件连接为一个完整的机械系统,然后对相关部件添加力和驱动形成数字化的机械系统虚拟样机,最后进行仿真计算。与其他动力学分析软件相比较,ADAMS具有显著的优势,其精度高、可靠性高是其最大的优势。YiMingLee等提出通过虚拟样机技术实现运动指令和运动学坐标的方法,利用软件计算和仿真然后通过后处理计算,研究者可以在新型数控机床虚拟样机上看到各轴之间的运动轨迹和运动关系,通过虚拟样机验证了新型数控机床的可以满足作业需求[5]。MareJeanCharles等通过建立航天器点制动器的虚拟样机模型,然后通过设计多级组件的虚拟模组,通过虚拟样机技术对模型在模拟仿真环境中做出的仿真反应进行分析,研究表明虚拟样机技术可以用于机电器的初步设计以及后期的故障分析[6]。
丁云鹏等基于ADAMS对重载起重机动力学分析,通过动力学仿真软件对起重机旋转臂建立虚拟样机模型,并对机械系统进行动力学仿真计算分析,通过后处理得到了起重机重要结构的动态运动特性与末端结构在Z轴方向位移的特征曲线。通过对起重机重要结构在工作时的误差波动以及产生的原因进行分析,其结果验证了起重机虚拟样机模型设计符合实际情况[7]。张沈瞳通过虚拟样机技术对飞机起落架结构着陆时的载荷进行分析,在ADAMS软件中设置着陆时的相关工况参数,对飞机起落架进行动力学仿真分析,其研究结果对起落架载荷计算提供了参考和指导[8]。
2.波浪激励对船用吊机的影响研究现状
船用伸缩折臂吊机在深海作业时,由于波浪引起船舶运动,导致船用伸缩折臂吊机在转运货物时货物产剧烈摇摆运动,甚至与船体发生碰撞,极大影响了转运的效率和安全性。波浪是船用起重机在作业时的主要外载荷,直接影响船用吊机的工作状态和工作性能。研究波浪激励对船用吊机运动的影响对提高船用吊机的效率和安全性具有重要意义。研究者对波浪的研究我们可以将其分为两类:规则波;不规则波。以下将简单介绍各国学者对波浪激励对船舶运动的影响JANGJaeHoon等研究了波浪激励对船舶集装箱起重机的影响,为了减少船用吊机的有效载荷摆动,推导出了船用吊机的分线性动力特性,并提出了基于T-S模糊模型的控制方法,结果表明该方法显著降低了船用吊机货物的摆动[9]。Hui-liREN等对吊船在抛锚状态下波浪激励的动态响应,基于拉格朗日方程推导出吊机在载荷下摆动的动态响应方程,通过有限元法研究了吊臂结构的动态响应。结果表明波浪周期与吊臂结构固有周期相近是易发生大幅度振动响应[10]。Masoud等和Nayfeh等针对船舶受海浪的影响在海上摇摆的运动进行了研究,通过分析船体在海浪的激励下运动时货物的摇摆运动,使用货物摇摆运动的面内角和面外角作为反馈信号,通过控制器进行数据处理然后控制吊臂的运动,以减小货物摆动的幅度达到减摆的作用[11-12]。Sun等针对船用吊机系统的运动不易测量,通过非线性控制器,并对船用吊机进行了系统稳定性分析,实现船舶在持续摇晃的条件下的对货物摇摆的角度进行调节[13]。
韩伟通过建立船用折臂吊机运动模型,研究了船用折臂吊机在静态坐标系以及风浪环境下的运动分析,分析了在船体晃动的影响下船用吊机的运动情况,并设计波浪补偿算法对其进行补偿,通过仿真软件验证了补偿的可行性[14]。王学林等通过建立船用吊机与货物耦合的多体动力学仿真模型,研究了规则波对起重船作业的影响,分析了不同波浪激励幅值和频率对起重船作业定位和就位的影响,通过分析可得作用在船体上的非线性载荷对船体和货物的摇摆运动有较大的影响[15]。张秀凤等运用傅汝德-克雷诺夫假设,通过将船体简化为箱体结构,计算出波浪力对船体结构产生的六个自由度上的力和力矩,通过将波浪产生的力和力矩施加到是船体运动的虚拟模型中,建立了船体在海浪作用下的六个自由度的运动模型,通过仿真计算得出了船舶在5级海况下的运动曲线。其研究将船舶运动数学模型由3自由度提升到6自由度,提高了模拟的真实性与精确度[16]。杜一豪研究了船体在不规则波的作用下的响应特性,通过运用势流理论和边界方法,使用流体仿真软件对船体在不规则波作用下的升沉、横摇和纵摇运动响应进行仿真计算,船体在不规则波的影响下,船体的运动振幅呈现不规则状态其运动的概率密度分布符合高斯分布[17]。杨晓蓉等研究了不规则波对起重船吊机钢丝绳动力特性的影响作用,依据Pierson-Moskowitz谱表示不规则波面升高,将其时间历程作为外部激励施加在船体上,通过仿真分析计算出了船体的运动数据,然后在船用吊机上施加船体的运动响应模拟海洋环境计算出钢丝绳的张力,波高对钢丝绳动张力的影响为明显,在共振区域钢丝绳的动张力快速增大,匀速起升或下降货物时,没有明显增加钢丝绳的张力,在非共振区钢丝绳的动张力的波动范围较大,在共振区张力波动范围较小,钢丝绳张力的峰值特性比较明显[18]。
3.船用吊机优化设计研究现状
船用吊机时为了满足海上作业,特别是深海作业而设计的,其结构与陆地车载吊机结构类似,但由于船用吊机作业环境的特殊,船用吊机安装在甲板上随着船舶的摇摆而产生剧烈振动,臂体会产生附加的质量和惯性矩;吊臂结构材料防腐能力也应满足相关规定,因此船用吊机的结构强度、工作载荷分析、防腐能力等都应高与普通车载吊机[19]。船用起重机是安装在船舶甲板上的特种起重机,主要负责船与船之间的货物补给工作以及完成海上平台的吊装任务,是船舶海上运输的重要海工装备。船舶受到风浪影响会发生摇荡运动,摇荡运动影响船用起重机的工作安全性,因此对船用吊机吊臂结构强度、刚度和动态特性的要求更加严格[21]。在传统船用吊机的设计中,往往整机结构强度余量较大,增加了制造成本。传统方法对船用起重机吊臂结构的计算通常用经验公式手工计算,由于计算的物理模型过于简化,使得计算结果与实际相差过大,现在有限元分析技术已经非常成熟,借助电脑有限元软件来计算复杂结构,可以提高计算速度和精度[22]。分析船用起重机吊臂结构的力学特性,并对起重机吊臂结构的关键位置进行应变测试验证与结构优化,对提高船用起重机作业时的安全可靠性具有重要意义。QINDongchen使用移动渐近线法对对起重机进行优化设计,在保持良好性能的同时有效地降低箱梁的重量[23]。
陆果研通过有限元分析研究了动载荷系数对船用吊机的影响,动载荷系数的主要影响因素是船用吊机的整机刚度,首先对整机的刚度进行分析,结果表明钢丝绳直径对动载荷系数影响最大,其次是吊机基座对动载荷系数影响较大,而其他部件对动载荷系数影响较小。通过进一步分析,部件的尺寸、材料的弹性模量以及安装位置都对动载荷系数有一定的影响,本研究为船用吊机的设计提供了有益的参考[24]。王欣将在对吊机的设计中应用了结构拓扑优化法,解决了吊机伸缩臂结构的最优分布问题,提高了吊机伸缩臂的力学性能[25]。焦洪宇在对起重机进行周期优化设计,通过建立以优化域内单元相对密度为设计变量,以体积约束下最小柔度为目标函数的数学模型,获得周期性的拓扑结构,得到了易于加工的起重机的拓扑结构[26]。郭立新在对重型车底盘车架的设计中,提出二次局部优化的整体拓扑优化方法,针对不同的工况对车架进行局部二次优化,验证了二次拓扑优化的有效性[27]。宋秋红通过有限元技术对船用吊机的吊臂结构进行优化设计,并对优化设计结果进行分析和实验验证[28]。吴青龙研究了基于连续体拓扑优化的尺寸优化方法,并将此放法应用于起重机臂架的优化中,通过拓扑优化、尺寸优化两个优化过程,在减轻了臂架质量的同时,并提高了臂架结构的整体刚度和强度等力学性能[29]。周奇才对起重机进行起重机臂架进行周期性拓扑优化,在提高臂架强度、刚度、稳定性的同时减轻了重量[30]。尹小磊对船用起重机吊臂结构振动问题进行优化,以及分析了在环境载荷作用下船用起重机动态特性[31]。丁振东对船用起重机在海浪作用下进行结构静动态特性分析,对起重机吊臂结构在静态和动态下强度的考查和性能的分析,检验了起重机吊臂结构设计的合理性,为船用起重机的优化设计提供了参考[32]。
船用吊机在货物吊补给运输及海洋平台的吊装发挥着重要的意义,可以有效的提高转运效率保证工作人员的安全。随着货物转运的不断增加和海洋资源开发的加快,对船用吊机的需求不断增加。目前船用吊机发展趋势质量轻、工作范围大、额定载荷大、稳定高效适应高海况。新型船用伸缩折臂吊机可以提高货物的转运效率,为战舰提供高效的补给。可以提高海洋资源的开采和转运效率,加快对海洋资源的开发与利用。目前,我国设计的船用起重机大多数笨重不灵活,相比之下通过采用优化设计对吊机结构进行结构优化设计,可以有效减轻吊机的重量,并且不影响吊机的性能。船用伸缩折臂吊机所需安装空间小、重量轻和作业范围大等优点。所以对船用伸缩吊机的优化设计的研究具有非常重要的实用价值。
三、分析
船用吊机在海上作业时,由于波浪的影响极大的影响了作业的安全性与效率。本课题以船用伸缩折臂吊机为原型,首先对船用吊机结构进行总体设计,重点通过有限元技术对吊机结构进行了静力学分析和模态分析,并通过虚拟样机技术进行动力学分析,同时考虑波浪对船舶运动的影响,最后实验验证有限元模型并对基座结构进行优化设计,主要完成工作如下:(1)通过对比船用吊机的吊臂形式的优缺点,确定吊臂选用折臂伸缩结构,根据实际作业需求确定船用吊机的技术参数,并通过SOLIDWORKS软件对船用吊机整体结构进行建立三维模型,最后对船用吊机的运动参数和载荷进行分析。(2)通过ABAQUS有限元仿真软件建立船用吊机有限元模型,包括添加材料属性、施加载荷约束、网格划分,通过有限元计算得出船用吊机的刚度和强度均满足设计要求。并对吊机结构进行模态分析、谐响应分析,通过对吊机工作频率进行计算发现不会产生共振。(3)利用ADAMS软件对船用吊机进行动力学仿真,通过船用吊机吊装过程进行分析,将整个吊装过程分为起升、匀速上升、制动三个阶段进行分析。分别对虚拟样机的刚体和柔体部分进行建模,对整个起升过程、不同幅值和不同工况的受力进行计算分析。(4)研究了波浪激励对船用吊机的影响,建立规则波波浪模型,分析波浪载荷及船体受到的其他外部载荷。对船体施加外部载荷,得到在波浪激励下船用吊机的动态响应。(5)通过应力试验验证了有限元模型的正确性。在此基础上对船用吊机基座结构进行优化设计,首先通过有限元软件对基座结构进行拓扑优化,根据优化结果和原有模型的设计基础,对基座结构重新建模,并进行有限元静力学分析其结构的刚度和强度,验证了优化设计满足设计需求并达到了减重的目的。
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