巨型海上作業(yè)機械風浪耦合模型及穩(wěn)定性研究

我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展對海上施工、海上救援與巨型機械系統(tǒng)的海上整機運輸提出了前所未有的需求和挑戰(zhàn)，海上巨型作業(yè)機械因此應運而生。這類作業(yè)機械因工作條件的要求，需要支撐于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(qū)別，船舶與一般機械和結構的設計規(guī)范均無法完全適用。項目研究中，以上海振華重工（集團）股份有限公司研究開發(fā)的7500噸海上全回轉(zhuǎn)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(tài)響應分析及動力穩(wěn)定性5個方面對巨型海上作業(yè)機械進行了系統(tǒng)研究。項目研究中，將波浪對巨型海上作業(yè)機械的作用通過吊重的偏擺來轉(zhuǎn)化為作用于其上的一種載荷形式，通過理論推導獲得其解析表達式，并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(jīng)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。由于巨型海上作業(yè)機械與一般機械系統(tǒng)類似，需要根據(jù)工作環(huán)境、工作條件的需求變換工作幅度、高度、回轉(zhuǎn)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，基于動態(tài)子結構方法的思想，首先建立巨型海上作業(yè)機械各個主要部件的有限元模型，通過連接部位的力平衡與位移協(xié)調(diào)完成部件的組裝，通過在部件上設置局部坐標的形式完成不同工況的轉(zhuǎn)化。研究結果表明，巨型海上作業(yè)機械基頻很低，在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的振動很容易被激發(fā)，而通過子結構方法，亦獲得了各個主要部件的動力學特征對整體動力學特征的貢獻，為今后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(yè)機械所承受的風載荷的影響，項目研究中制作了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，借助商用有限元平臺，完成了7500噸巨型浮式起重機的瞬態(tài)響應分析。分析、研究、對比了現(xiàn)有主流結構動力穩(wěn)定性的數(shù)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(wěn)定性分析。 2100433B

巨型海上作業(yè)機械是工作在海上的支撐于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(tài)、載荷分布和結構外形又獨具特征，從而使其在風浪及工作載荷作用下的穩(wěn)定性問題既不同于船舶，也與高聳結構有明顯區(qū)別，有其明顯的特殊性，一般設計規(guī)范無法完全適用于風浪耦合狀態(tài)。本項目在理論分析、計算機數(shù)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(yè)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(yè)機械穩(wěn)定性的數(shù)學描述。研究結果既可以應用于大型海上作業(yè)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(fā)這類機械的研發(fā)水平發(fā)揮積極作用。

本項目的主要工作從2011年1月至2013年12月，共歷時三年。項目按照項目計劃書擬定的進度進行，主要開展了以下幾方面的工作：（1）大型渠道系統(tǒng)時滯參數(shù)及水力學特性仿真測試；（2）渠池狀態(tài)變量耦合算法；（3）耦合ID建模及魯棒性分析；（4）渠池諧振機理分析及濾波算法。研究工作順利實現(xiàn)了預期的研究目標，得到的主要研究成果有：（1）建立了大型渠系狀態(tài)空間ID模型參數(shù)的模型辨識方法，可以基于水力學仿真程序求解ID模型關鍵的As和τ；（2）基于渠池間耦合特性，建立了耦合狀態(tài)空間模型，采用相鄰渠池間的控制目標水位差作為控制目標，提高了模型的魯棒性以及控制的靈活性；（3）開發(fā)了渠池諧振濾波算法，可以過濾掉渠池間由于重力波往復彈射造成的非線性影響。項目發(fā)表學術論文8篇，其中SCI收錄2篇、EI收錄6篇，參加國際會議并做報告兩人次；獲得軟件著作權3項，培養(yǎng)博士生三名、碩士生5名。

竹材具有生長快、產(chǎn)量高、強度大、彈性好和環(huán)保及可再生等特點，作為現(xiàn)代建筑材料而越來越受到人們的重視。針對目前竹材結構建筑研究與應用中存在的有關熱濕傳遞過程的需急待研究解決的基礎性問題，本項目基于非穩(wěn)態(tài)多孔介質(zhì)熱濕傳輸理論，主要研究和分析新型竹材結構建筑的熱濕耦合作用下的傳熱傳濕遷移機理與模型。研究內(nèi)容主要包括：（1）竹材組合墻板及構件的熱遷移模型；（2）竹材組合墻板及構件的濕遷移模型；（3）竹材組合墻板及構件熱濕耦合遷移理論模型及數(shù)值計算模型；（4）竹結構實驗用樓房圍護結構的傳熱傳濕特性及保溫隔熱性能的分析與實測。 .通過理論分析與實驗及實測研究，建立新型竹材結構建筑的熱濕耦合作用下的傳熱傳濕遷移理論模型及其數(shù)值計算與分析方法，為發(fā)展我國的建筑技術學科、進一步開發(fā)和利用竹材為新型建筑材料將具有十分重要的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效應。 2100433B