巨型海上作業(yè)機(jī)械風(fēng)浪耦合模型及穩(wěn)定性研究中文摘要

巨型海上作業(yè)機(jī)械是工作在海上的支撐于專用船體上的超大型施工機(jī)械，兼具船舶和高聳結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，但其工況、載荷狀態(tài)、載荷分布和結(jié)構(gòu)外形又獨(dú)具特征，從而使其在風(fēng)浪及工作載荷作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題既不同于船舶，也與高聳結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，有其明顯的特殊性，一般設(shè)計(jì)規(guī)范無(wú)法完全適用于風(fēng)浪耦合狀態(tài)。本項(xiàng)目在理論分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入研究風(fēng)載荷在大型海上作業(yè)機(jī)械總載荷中所占的比例和計(jì)算方法、波浪效應(yīng)的簡(jiǎn)化模型和風(fēng)浪耦合作用下海上作業(yè)機(jī)械穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)描述。研究結(jié)果既可以應(yīng)用于大型海上作業(yè)機(jī)械的研究和設(shè)計(jì)，又可以作為相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和參考，為提高我國(guó)研發(fā)這類機(jī)械的研發(fā)水平發(fā)揮積極作用。

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展對(duì)海上施工、海上救援與巨型機(jī)械系統(tǒng)的海上整機(jī)運(yùn)輸提出了前所未有的需求和挑戰(zhàn)，海上巨型作業(yè)機(jī)械因此應(yīng)運(yùn)而生。這類作業(yè)機(jī)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，但又與之有明顯的區(qū)別，船舶與一般機(jī)械和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范均無(wú)法完全適用。項(xiàng)目研究中，以上海振華重工（集團(tuán)）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(jī)為基本研究對(duì)象，主要從載荷分析、動(dòng)力學(xué)建模、風(fēng)洞試驗(yàn)、瞬態(tài)響應(yīng)分析及動(dòng)力穩(wěn)定性5個(gè)方面對(duì)巨型海上作業(yè)機(jī)械進(jìn)行了系統(tǒng)研究。項(xiàng)目研究中，將波浪對(duì)巨型海上作業(yè)機(jī)械的作用通過(guò)吊重的偏擺來(lái)轉(zhuǎn)化為作用于其上的一種載荷形式，通過(guò)理論推導(dǎo)獲得其解析表達(dá)式，并進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)完成了其時(shí)間歷程的模擬；風(fēng)載荷按照結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中的經(jīng)典風(fēng)速譜，結(jié)合國(guó)際公認(rèn)的一種諧波疊加法獲得風(fēng)速的時(shí)間歷程，進(jìn)一步可得風(fēng)壓的時(shí)間歷程。由于巨型海上作業(yè)機(jī)械與一般機(jī)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(duì)每種工況分立建模，將不得不面臨計(jì)算成本巨大的問(wèn)題。因此項(xiàng)目研究過(guò)程中，基于動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法的思想，首先建立巨型海上作業(yè)機(jī)械各個(gè)主要部件的有限元模型，通過(guò)連接部位的力平衡與位移協(xié)調(diào)完成部件的組裝，通過(guò)在部件上設(shè)置局部坐標(biāo)的形式完成不同工況的轉(zhuǎn)化。研究結(jié)果表明，巨型海上作業(yè)機(jī)械基頻很低，在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的振動(dòng)很容易被激發(fā)，而通過(guò)子結(jié)構(gòu)方法，亦獲得了各個(gè)主要部件的動(dòng)力學(xué)特征對(duì)整體動(dòng)力學(xué)特征的貢獻(xiàn)，為今后類似機(jī)型的設(shè)計(jì)提供了參考。為了進(jìn)一步界定風(fēng)向、幅度及風(fēng)場(chǎng)類型對(duì)巨型海上作業(yè)機(jī)械所承受的風(fēng)載荷的影響，項(xiàng)目研究中制作了7500噸浮式起重機(jī)的1:200風(fēng)洞縮尺模型，在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)。結(jié)合以上幾方面研究，借助商用有限元平臺(tái)，完成了7500噸巨型浮式起重機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)分析。分析、研究、對(duì)比了現(xiàn)有主流結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的數(shù)值模擬方法，選擇時(shí)間凍結(jié)法進(jìn)行了7500噸浮式起重機(jī)的動(dòng)力穩(wěn)定性分析。 2100433B

本項(xiàng)目的主要工作從2011年1月至2013年12月，共歷時(shí)三年。項(xiàng)目按照項(xiàng)目計(jì)劃書擬定的進(jìn)度進(jìn)行，主要開展了以下幾方面的工作：（1）大型渠道系統(tǒng)時(shí)滯參數(shù)及水力學(xué)特性仿真測(cè)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(jī)理分析及濾波算法。研究工作順利實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究目標(biāo)，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(shí)方法，可以基于水力學(xué)仿真程序求解ID模型關(guān)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(biāo)水位差作為控制目標(biāo)，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(guò)濾掉渠池間由于重力波往復(fù)彈射造成的非線性影響。項(xiàng)目發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，其中SCI收錄2篇、EI收錄6篇，參加國(guó)際會(huì)議并做報(bào)告兩人次；獲得軟件著作權(quán)3項(xiàng)，培養(yǎng)博士生三名、碩士生5名。

竹材具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、強(qiáng)度大、彈性好和環(huán)保及可再生等特點(diǎn)，作為現(xiàn)代建筑材料而越來(lái)越受到人們的重視。針對(duì)目前竹材結(jié)構(gòu)建筑研究與應(yīng)用中存在的有關(guān)熱濕傳遞過(guò)程的需急待研究解決的基礎(chǔ)性問(wèn)題，本項(xiàng)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(jié)構(gòu)建筑的熱濕耦合作用下的傳熱傳濕遷移機(jī)理與模型。研究?jī)?nèi)容主要包括：（1）竹材組合墻板及構(gòu)件的熱遷移模型；（2）竹材組合墻板及構(gòu)件的濕遷移模型；（3）竹材組合墻板及構(gòu)件熱濕耦合遷移理論模型及數(shù)值計(jì)算模型；（4）竹結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)用樓房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱傳濕特性及保溫隔熱性能的分析與實(shí)測(cè)。 .通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)研究，建立新型竹材結(jié)構(gòu)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(jì)算與分析方法，為發(fā)展我國(guó)的建筑技術(shù)學(xué)科、進(jìn)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(jì)、社會(huì)和環(huán)境效應(yīng)。 2100433B