CN110032817A - 一种双吊起重作业仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双吊起重作业仿真建模方法，通过建立双吊系统环境载荷模型，建立双吊吊物系统受力模型，建立双吊吊物系统动力学特征模型，结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。本发明专业化功能的特点，装置适用于海上起重船双吊联合作业的工程仿真；多元化功能的特点，装置还适用于各类陆地吊物作业工程；仿真计算结果精准，贴近实际作业环境；操作简便适应力强，工况可以视情况任意调节。

Description

一种双吊起重作业仿真建模方法

技术领域

本发明属于船舶双吊联合作业领域，具体涉及一种双吊起重作业仿真建模方法。

背景技术

起重船在开发海洋资源的过程中占据着十分重要的地位，在海洋油气资源的钻探和开发、海洋平台模块安装、货物运转以及水上事故救援等方面有广泛应用。由于起重船漂浮在复杂的海洋环境之下，起重船会不可避免地随风浪发生波动，吊物系统也会因此发生摆动使得起吊作业无法进行。当海况恶化时，将会给起重船的运行带来危险，造成人员伤亡和财产损失。

随着吊物重量的增加和起重效率的需求，双吊起重逐渐成为趋势，目相比单吊，双吊系统有着起重能力更强、起重效率及效益更高、对吊物吊点的局部应力更小等优势，且无需起重船拥有较大吨位的起重机，故而双吊联合起重更具优势。目前国内双吊起重吨数使用双6千吨吊机联合作业，可到达1万2千吨。在双吊起重的动力学特性分析中，由于有着双吊绳连接吊物，使得吊物受力更为复杂。

在我国，双吊起重船的使用愈发频繁，如“三航锋范”海上风机安装等工程实际应用。对起重船双吊作业的研究工作虽已起步，现大多数对起重船吊物系统的研究为单吊模式，而相关的理论研究与仿真计算方式并不成熟，难以形成一套简便可靠的仿真系统。本发明能够根据起重船双吊作业的吊物系统进行较好的仿真，并且加入风载荷，能够得到贴近实际海上吊物作业计算结果。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种双吊起重作业仿真建模方法，应用于起重船海上双吊联合作业吊物系统，该方法可以贴近海上实际作业情况精准计算吊物系统动力学特征响应，能够保障实际工程的作业安全。

本发明的目的是这样实现的：

一种双吊起重作业仿真建模方法，具体的实现步骤为：

步骤1.建立双吊系统环境载荷模型；

步骤2.建立双吊吊物系统受力模型；

步骤3.建立双吊吊物系统动力学特征模型；

步骤4.结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。

步骤1所述的双吊系统环境载荷模型的具体内容为：对于吊物系统风载荷的作用，风引起的稳态力为

F_w＝C_w∑(C_sC_hA)V_w ²

其中F_w为风力，C_w为摩阻系数，C_s为形状系数，C_h为高度系数，A为迎风面积，V_w为风速；

吊物所受到的风载荷作用力为

f_xw(t)＝C_wC_sC_hA_xV_w ²cosβ_w

f_yw(t)＝C_wC_sC_hA_yV_w ²sinβ_w

其中f_xw(t)为吊物在大地坐标系下x方向的风力和f_yw(t)为吊物在大地坐标系下y方向的风力，A_x为x方向的迎风面积方向，A_y为y方向的迎风面积，β_w为吊物迎风角。

步骤2所述的双吊吊物系统受力模型的力学平衡方式为

其中m为吊物质量，分别为吊物在大地坐标系中的x、y、z三自由度加速度，T₁为吊绳1的张力，T₂为吊绳2的张力，α₁为吊绳1的内摆角，β₁为吊绳1的外摆角，α₂为吊绳2的内摆角，β₂为吊绳2的外摆角。

步骤3所述的双吊吊物系统动力学特征模型包括吊物系统位置平衡方程、吊物系统速度方程、吊物系统加速度方程，吊物系统位置平衡方程为

其中x_G、y_G、z_G为吊物在大地坐标系下的坐标，x_1A、y_1A、z_1A为第一吊索吊点在大地坐标系下的坐标，x_2A、y_2A、z_2A为第二吊索吊点在大地坐标系下的坐标，l₁为第一吊绳长度，l₂为第二吊绳长度，c₁为吊物自身高度，θ为吊物第一自身转角，φ为吊物第二自身转角；

吊物系统速度方程为

其中为吊物在大地坐标系下运动速度，为第一吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第二吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第一吊绳起重速度，为第二吊绳起重速度，为吊绳1的内摆角的角速度，为吊绳1的外摆角的角速度，为吊绳2的内摆角的角速度，为吊绳2的外摆角的角速度，为吊物第一自身转角的角速度，为吊物第二自身转角的角速度；

吊物系统加速度方程为

其中为吊物重心大地坐标系下的加速度，为吊绳1的内摆角的摆角加速度，为吊绳1的外摆角的摆角加速度，为吊绳2的内摆角的摆角加速度，为吊绳2的外摆角的摆角加速度，为吊物第一自身转角的转角加速度，为吊物第二自身转角的转角加速度。

步骤4所述的结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型的步骤为：

步骤4.1.建立双吊吊物系统仿真模型，模型包括作业环境参数模块、吊机模块、吊物模块；

步骤4.2.将风载荷参数输入至作业环境参数模块，其中包含摩阻系数C_w、形状系数C_s、高度系数C_h、吊物迎风面积A_x和A_y、吊物迎风角β_w、风速V_w，由下面的公式求得风载荷作用于吊物上的x轴分力f_xw、y轴分力f_yw并将其输出

f_xw(t)＝C_wC_sC_hA_xV_w ²cosβ_w

f_yw(t)＝C_wC_sC_hA_yV_w ²sinβ_w；

步骤4.3.输入吊机参数，包括吊绳1的长度l₁、吊绳2的长度l₂、第一吊索吊点的初始位置、第二吊索吊点的初始位置、第一吊索吊点的移动速度、第二吊索吊点的移动速度；

步骤4.4.输入吊物参数，包括吊物质量m、吊物边长c₁c₂c₃、吊物初始位置坐标，将吊绳1的内摆角α₁、吊绳1的外摆角β₁、吊绳2的内摆角α₂、吊绳2的外摆角β₂、吊物第一自身转角θ、吊物第二自身转角φ输入至吊物系统转摆角模块；

步骤4.5.建立求解器模块，将双吊吊物系统加速度方程和双吊吊物受力平衡方程联立，采用四阶-五阶Runge-Kutta单步算法ODE45进行求解，并将吊绳1的张力T₁、吊绳2的张力T₂、吊绳1的内摆角α₁、吊绳1的外摆角β₁、吊绳2的内摆角α₂、吊绳2的外摆角β₂、吊物第一自身转角θ、吊物第二自身转角φ、吊物第三自身转角ψ的结果输出；

步骤4.6.将输出结果导入后处理模块，设置采样时长，将双吊吊物系统的摆角、转角、张力绘制图像，能够清晰显示出双吊吊物作业过程中动力学特征。

本发明的有益效果在于：专业化功能的特点，装置适用于海上起重船双吊联合作业的工程仿真；多元化功能的特点，装置还适用于各类陆地吊物作业工程；仿真计算结果精准，贴近实际作业环境；操作简便适应力强，工况可以视情况任意调节。

附图说明

图1为双吊吊物系统动力学示意图。

图2为双吊仿真系统的功能架构图。

图3为仿真系统使用流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种应用于起重船海上双吊联合作业吊物系统的仿真建模方法，包含双吊系统吊物、吊绳、吊臂三者的整体仿真建模。本发明是实现过程如下：

(1)双吊起重系统模型的建立。由于本发明针对作业环境更为复杂及载荷变化较大的海上双吊，故外环境载荷模型建立中引入风载荷，这是其他吊物仿真中不具备的。

对于吊物系统风载荷的作用，根据API规范，风引起的稳态力可由下式得到：

F_w＝C_w∑(C_sC_hA)V_w ²

式中：F_w为风力；C_w为摩阻系数其值为0.615；C_s为形状系数；C_h为高度系数；A为迎风面积；V_w为风速。

对于吊物系统风载荷作用力的计算，假设风力作用在吊物的重心G，那么吊物所受到的风载荷作用力为

f_xw(t)＝C_wC_sC_hA_xV_w ²cosβ_w

f_yw(t)＝C_wC_sC_hA_yV_w ²sinβ_w

式中：f_xw(t)和f_yw(t)分别为吊物在大地坐标系下x和y方向的风力，A_x和A_y为两方向的迎风面积，β_w为吊物迎风角。

(2)将吊物系统进行力学平衡分析，根据牛顿第二定律，对吊物进行受力分析，吊绳对吊物、风力对吊物及吊物重力应保持平衡，其力学平衡方式应为：

其中m为吊物质量，分别为吊物在大地坐标系中的x，y，z三自由度加速度，T₁为吊绳1的张力，T₂为吊绳2的张力，α₁，β₁分别为吊绳1的摆角，α₂，β₂分别为吊绳2的摆角。

(3)在双吊系统作业过程中，以吊物的重心坐标作为整体的移动依据，从而对整个吊物系统的位置变化进行确定，从而达到对整体位置变化的计算，该方程即位置平衡方程，如下

其中x_G，y_G，z_G为吊物在大地坐标系下的坐标，x_1A，y_1A，z_1A和x_2A，y_2A，z_2A为吊索吊点的在大地坐标系下的坐标，l₁，l₂分别为两吊绳长度，c₁为吊物自身高度，θ，φ为吊物自身转角。

(4)由位置平衡方程求解双吊系统的速度与加速度方程，对位置平衡方程求一阶导数，可以得到吊物系统速度方程，如下

其中为吊物在大地坐标系下运动速度，和为吊索吊点的在大地坐标系下移动速度，分别为两起重机起重速度， 为吊物自身转角速度。

进一步对速度方程进行求导，可以得到吊物系统加速度方程。

由于在起重机起重过程中，吊机的起吊速度为匀速，即起吊加速度恒为0，则有和均为0；由于起吊过程中吊点的移动也为匀速运动，故而在方程式中和 为0。

则吊物系统加速度方程如下：

其中为吊物重心大地坐标系下的加速度，为吊绳1的摆角加速度，为吊绳2的摆角加速度，为吊物自身的转角加速度。

(5)建立仿真系统，完成双吊系统动力学特征响应的计算过程应将其力学平衡方程及加速度平衡方程进行连列求解。

本发明针对起重船海上双吊联合起重作业进行研究，得到一种贴近实际作业工况且仿真结果精准的仿真建模方法，首先针对吊物系统动力学特征(如图1)，建立了双吊系统的数学模型(如图2)，其次创建了双吊起重作业系统的仿真模型(如图3)。最后，本发明实现了对双吊起重作业系统的仿真建模功能。

如图1，本发明中的仿真建模方法，能够模拟针对双吊联合起重过程中吊物系统的动力学特征。图1中，双吊起重吊物系统主要组成为，两吊机吊点O_1A和O_2A；吊绳l₁和l₂连接起吊吊物；吊物为长方体边长为c₁c₂c₃；风载荷作用力为F_w，其作用于吊物上的分力为f_xw和f_yw；对两吊机吊点建立坐标系分别为x_1A y_1A z_1A和x_2A y_2A z_2A；吊绳l₁的内外摆角分别为α₁和β₁，吊绳l₂的内外摆角分别为α₂和β₂；吊物重心为G，于吊物重心建立坐标系为x_G y_G z_G；吊物的自身转角为θ，φ，ψ。

本发明的实现过程具体步骤如下：

第一步，将双吊系统模型参数(包括吊物质量m、吊绳1和吊绳2长度l₁和l₂、吊物边长c₁c₂c₃、两吊机起吊速度和吊物初始位置坐标x_G，y_G，z_G、吊索吊点移动速度 和等)，双吊作业环境参数(摩阻系数C_w、形状系数C_s、高度系数C_h、迎风面积A_x和A_y、吊物迎风角β_w、风速V_w等)输入至双吊联合起重作业系统仿真模型中。

第二步，将风载荷参数输入至作业环境参数模块，其中包含摩阻系数C_w、形状系数C_s、高度系数C_h、吊物迎风面积A_x和A_y、吊物迎风角β_w、风速V_w等。由公式求得风载荷作用于吊物上的分力为f_xw和f_yw并将其输出。

f_xw(t)＝C_wC_sC_hA_xV_w ²cosβ_w

f_yw(t)＝C_wC_sC_hA_yV_w ²sinβ_w

第三步，将吊绳1和吊绳2长度l₁和l₂，两吊机起吊速度和吊点初始位置x_1A，y_1A，z_1A和x_2A，y_2A，z_2A，吊机吊点移动速度和输入至吊机模块。

第四步，将两吊绳内摆角α₁和α₂，外摆角β₁和β₂、吊物转角θ，φ，ψ输入至吊物系统转摆角模块。

第五步，建立求解器模块，将双吊吊物系统加速度方程和双吊吊物受力平衡方程联立，采用四阶-五阶Runge-Kutta单步算法ODE45算法进行求解，并将两吊绳内摆角α₁和α₂，外摆角β₁和β₂、吊物转角θ，φ，两吊绳张力T₁和T₂结果输出。其中公式为：

第六步，将输出结果导入后处理模块，设置采样时长，将双吊吊物系统的摆角、转角、张力绘制图像，能够清晰显示出双吊吊物作业过程中动力学特征。

Claims (5)

1.一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，具体的实现步骤为：

步骤1.建立双吊系统环境载荷模型；

步骤2.建立双吊吊物系统受力模型；

步骤3.建立双吊吊物系统动力学特征模型；

步骤4.结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型。

2.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤1所述的双吊系统环境载荷模型的具体内容为：对于吊物系统风载荷的作用，风引起的稳态力为

F_w＝C_w∑(C_sC_hA)V_w ²

其中F_w为风力，C_w为摩阻系数，C_s为形状系数，C_h为高度系数，A为迎风面积，V_w为风速；

吊物所受到的风载荷作用力为

f_xw(t)＝C_wC_sC_hA_xV_w ²cosβ_w

f_yw(t)＝C_wC_sC_hA_yV_w ²sinβ_w

其中f_xw(t)为吊物在大地坐标系下x方向的风力和f_yw(t)为吊物在大地坐标系下y方向的风力，A_x为x方向的迎风面积方向，A_y为y方向的迎风面积，β_w为吊物迎风角。

3.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤2所述的双吊吊物系统受力模型的力学平衡方式为

其中m为吊物质量，分别为吊物在大地坐标系中的x、y、z三自由度加速度，T₁为吊绳1的张力，T₂为吊绳2的张力，α₁为吊绳1的内摆角，β₁为吊绳1的外摆角，α₂为吊绳2的内摆角，β₂为吊绳2的外摆角。

4.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤3所述的双吊吊物系统动力学特征模型包括吊物系统位置平衡方程、吊物系统速度方程、吊物系统加速度方程，吊物系统位置平衡方程为

其中x_G、y_G、z_G为吊物在大地坐标系下的坐标，x_1A、y_1A、z_1A为第一吊索吊点在大地坐标系下的坐标，x_2A、y_2A、z_2A为第二吊索吊点在大地坐标系下的坐标，l₁为第一吊绳长度，l₂为第二吊绳长度，c₁为吊物自身高度，θ为吊物第一自身转角，φ为吊物第二自身转角；

吊物系统速度方程为

其中为吊物在大地坐标系下运动速度，为第一吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第二吊索吊点在大地坐标系下移动速度，为第一吊绳起重速度，为第二吊绳起重速度，为吊绳1的内摆角的角速度，为吊绳1的外摆角的角速度，为吊绳2的内摆角的角速度，为吊绳2的外摆角的角速度，为吊物第一自身转角的角速度，为吊物第二自身转角的角速度；

吊物系统加速度方程为

其中为吊物重心大地坐标系下的加速度，为吊绳1的内摆角的摆角加速度，为吊绳1的外摆角的摆角加速度，为吊绳2的内摆角的摆角加速度，为吊绳2的外摆角的摆角加速度，为吊物第一自身转角的转角加速度，为吊物第二自身转角的转角加速度。

5.根据权利要求1所述的一种双吊起重作业仿真建模方法，其特征在于，步骤4所述的结合环境载荷建立双吊吊物系统仿真模型的步骤为：

步骤4.1.建立双吊吊物系统仿真模型，模型包括作业环境参数模块、吊机模块、吊物模块；

步骤4.2.将风载荷参数输入至作业环境参数模块，其中包含摩阻系数C_w、形状系数C_s、高度系数C_h、吊物迎风面积A_x和A_y、吊物迎风角β_w、风速V_w，由下面的公式求得风载荷作用于吊物上的x轴分力f_xw、y轴分力f_yw并将其输出

f_xw(t)＝C_wC_sC_hA_xV_w ²cosβ_w

f_yw(t)＝C_wC_sC_hA_yV_w ²sinβ_w；

步骤4.3.输入吊机参数，包括吊绳1的长度l₁、吊绳2的长度l₂、第一吊索吊点的初始位置、第二吊索吊点的初始位置、第一吊索吊点的移动速度、第二吊索吊点的移动速度；

步骤4.4.输入吊物参数，包括吊物质量m、吊物边长c₁ c₂ c₃、吊物初始位置坐标，将吊绳1的内摆角α₁、吊绳1的外摆角β₁、吊绳2的内摆角α₂、吊绳2的外摆角β₂、吊物第一自身转角θ、吊物第二自身转角φ输入至吊物系统转摆角模块；

步骤4.5.建立求解器模块，将双吊吊物系统加速度方程和双吊吊物受力平衡方程联立，采用四阶-五阶Runge-Kutta单步算法ODE45进行求解，并将吊绳1的张力T₁、吊绳2的张力T₂、吊绳1的内摆角α₁、吊绳1的外摆角β₁、吊绳2的内摆角α₂、吊绳2的外摆角β₂、吊物第一自身转角θ、吊物第二自身转角φ、吊物第三自身转角ψ的结果输出；

步骤4.6.将输出结果导入后处理模块，设置采样时长，将双吊吊物系统的摆角、转角、张力绘制图像，能够清晰显示出双吊吊物作业过程中动力学特征。