CN113987672A - 一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 - Google Patents
一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113987672A CN113987672A CN202111188468.4A CN202111188468A CN113987672A CN 113987672 A CN113987672 A CN 113987672A CN 202111188468 A CN202111188468 A CN 202111188468A CN 113987672 A CN113987672 A CN 113987672A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ship
- motion
- stress
- hoisting
- crane ship
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 126
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 52
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 21
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 36
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 36
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 24
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 18
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 3
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 20
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 20
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/04—Constraint-based CAD
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Abstract
基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法包括：起重船刚性体、柔性体建模；刚性体和柔性体连接处理；建立起重船虚拟样机；仿真起吊状态；根据设定配载方案计算重心高度及回转半径；设定作业工况并进行水动力计算，确定时间步长和模拟周期；选取船体自由度运动响应导入ADAMS中驱动仿真，输出设定时段下第一、二、三控制变幅绳索、吊装绳索的张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线；对比处于静止和运动状的时程变化曲线，建立船体处于静止和运动状态下第一、二、三控制变幅绳索、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的动力耦合放大关系；可以提高仿真效率、捕捉真实响应特征，为实际作业提供有效建议和指导。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程领域，尤其涉及一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法。
背景技术
随着海洋开发技术的不断发展，模块化、大型化成为海洋工程建设的主要特点。起重船是海洋工程建设中的一种主要设备，也凸显出日趋重型化的特点。起重船配套设置的起重机在启动、制动和其它工作状态突变时机械系统会产生强烈的振动，吊物系统发生动力响应。同时，海况复杂多变，起重机随船体运动，加剧吊物摇摆，这种复杂多体运动情况缺少有效分析手段，结构关键区域动力响应特征不清晰，威胁起重船作业安全。因此，如何准确模拟起重船在海域条件下的实际作业情况，为工程实际操作提供建议和指导，是本领域亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明提出一种基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，包括以下步骤：起重船刚性体建模，将起重船刚性体模型导入ADAMS软件中；其中所述起重船刚性体包括：船体、转台组件、导管架、第一桁架、第二桁架、第三桁架、第四桁架，所述转台组件包括转台和配重；起重船柔性体建模，将起重船柔性体模型导入ADAMS软件中；其中所述起重船柔性体包括：转台支撑和臂架；利用刚性区域法建立刚性区域，完成刚性体和柔性体的连接；利用ADAMS建立起重船虚拟样机，所述起重船虚拟样机包括所述刚性体、所述柔性体、第一控制变幅绳索、第二控制变幅绳索、第三控制变幅绳索和吊装绳索；其中所述第一桁架、第二桁架、第三桁架分别与所述臂架之间施加固定副、所述臂架与所述转台之间施加固定副；所述起重船处于非回转作业状态下，所述转台组件与所述转台支撑之间施加固定副，所述转台支撑与所述船体之间施加固定副；所述起重船处于非起吊重物状态下，所述吊装绳索与所述转台之间施加固定副；所述起重船处于非运动状态下，所述船体与地面之间施加固定副；仿真开始，计时直至设定的初始等待阶段结束，所述起重船虚拟样机进入起吊状态；根据起吊状态下的设定配载方案计算起重船的重心高度及回转半径；设定起重船的作业工况，根据所述作业工况进行水动力计算，确定时域分析的时间步长和模拟周期；在第一风入射角、第一浪入射角和第一流入射角条件下计算船体横摇运动响应和垂荡运动响应；在第二风入射角、第二浪入射角和第二流入射角条件下计算船体纵摇运动响应；选取船体代表自由度的运动响应并导入ADAMS中驱动仿真；起重船处于起吊重物状态，吊装绳索与转台之间施加平移副；设定至少一组重物起吊加速度和移动速度，计算重物起吊至设定高度的实际耗时；计算总耗时；建立第一驱动函数；其中，所述总耗时为初始等待阶段时长与实际耗时之和；起重船处于运动状态下，船体与地面之间施加旋转副，建立第二驱动函数；设定仿真步长，输出设定时段下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线；其中所述设定时段为自初始等待阶段时长结束至重物起吊至设定高度时的总时长；对比起重船分别处于静止状态和运动状态时，设定时段下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线，建立船体处于静止状态和运动状态下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的对应关系。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明第一方面利用三维建模软件WORKBENCH-Geometry建立刚性体构件，利用有限元ANSYS分析软件APDL语言建立柔性体构件，最后在多体仿真ADAMS中组件起重船虚拟样机，通过AQWA水动力计算完成船体横摇、纵摇、垂荡三自由度运动响应计算，利用CUBSPL函数将运动响应计算结果作为驱动函数施加在虚拟样机上，以模拟起重船实际起吊作业，对比起重船处于静止状态和运动状态时不同变量的时程变化曲线，建立船体处于静止状态和运动状态下变量的对应关系，为起重船操作提供建议和指导。第二方面在仿真时施加不同的驱动，以模拟不同起吊加速度下的吊装情况，并根据起重船吊装绳索的极限承载，获得起吊的上临界加速度，为工程实际提供参考。第三个方面完成了起重船刚柔耦合动力学分析，仿真结果给出起重船作业时力的传递情况及关键区域结构的应力分布特点，为关键区域结构的设计及优化提供基础。第四个方面利用WORKBENCH建立转台支撑的有限元分析，提取ADAMS虚拟仿真后特定点上的力，作为载荷施加在转台支撑上，完成静力分析，并对比ADAMS中转台支撑的应力分布情况，验证局部结构有限元模型载荷施加及边界条件设置的准确性。第五个方面，根据起重机起吊及回转作业时转台支撑的应力分布，设计加强筋的布置，并依托Design Exploration优化模块得到转台支撑的可行优化方案，综合客观熵权的TOPSIS方法确定转台支撑的最优结构设计方案。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为起重船虚拟样机的示意图；
图2为横摇运动响应计算结果；
图3为导入ADAMS中的船体横摇运动响应；
图4为静止状态和横摇运动状态下第一控制变幅绳索张力值时程变化曲线的对比图；
图5为不同加速度下的吊装绳索张力峰值变化曲线；
图6至图8为转台组件和转台支撑在WORKBENCH中的有限元模型；
图9为ADAMS中转台支撑的应力分布图；
图10为MARKER点的分布图；
图11为提取力并施加在有限元模型上的示意图；
图12为WORKBENCH中转台支撑的应力分布图；
图13为加强筋的结构示意图；
图14为设置加强筋后转台支撑的等效应力计算结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。本发明所提出的基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法，旨在准确模拟起重船在海域条件下的实际作业情况，为工程实际操作提供建议和指导。
具体来说分析方法的第一部分为起重船刚柔耦合多体动力学仿真。起重船刚柔耦合多体动力学仿真进一步包括起重船刚柔耦合模型建立，其具体步骤如下：
步骤S1,起重船刚性体建模。以半潜起重船为例，起重船中的刚性体包括：船体、转台组件、导管架、第一桁架、第二桁架、第三桁架、第四桁架，其中第一桁架和第二桁架用于固定滑轮并连接绳索固定端，第三桁架和第四桁架用于固定滑轮；转台组件具体由转台和配重组成，导管架作为吊物，可以示例性地设计设定为500吨。利用三维建模软件WORKBENCH-Geometry完成起重船刚性体建模，输出IGES格式作为起重船刚性体导入ADAMS中。ADAMS为机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSystems)软件,Workbench为协同仿真环境。
步骤S2,起重船柔性体建模。起重船柔性体包括：转台支撑和臂架。利用ANSYS-APDL完成起重船柔性体建模，输出MNF格式作为起重船柔性体导入ADAMS中。ANSYS-APDL(ANSYS Parametric Design Language),即ANSYS参数化设计语言。
步骤S3，利用刚性区域法建立刚性区域，完成刚性体和柔性体的连接。示例性地，转台支撑高度设计为10米，内壁半径设计为2米，外壁半径设计为9米，臂架长度设计为145.872米。转台支撑和臂架的材质参数设定为ρ＝7850kg/m3，E＝2.1E11Pa，μ＝0.3。网格大小设计为1米。
步骤S4，在上述构件导入ADMAS软件后，建立Cable System,从而完成起重船虚拟样机的建立。如图1所示,起重船虚拟样机包括刚性体(船体10、转台组件12、导管架14、第一桁架15、第二桁架16、第三桁架17以及第四桁架18)和柔性体(转台支撑11和臂架13)，还包括第一控制变幅绳索19、第二控制变幅绳索20、第三控制变幅绳索21以及吊装绳索22，其中第四桁架18配置为固定缠绕吊装绳索22的滑轮，第一控制变幅绳索19、第二控制变幅绳索20和第三控制变幅绳索21用于控制臂架13变幅。第一控制变幅绳索19、第二控制变幅绳索20、第三控制变幅绳索21以及吊装绳索22为弹性体，材质参数设置为ρ＝7850kg/m3，E＝2.1E11Pa。第一桁架15、第二桁架16、第三桁架17分别与臂架13之间施加固定副、臂架13与转台之间施加固定副；起重船处于非回转作业状态下，转台组件12与转台支撑11之间施加固定副，转台支撑11与船体10之间施加固定副；起重船处于非起吊重物状态下，吊装绳索22与转台之间施加固定副；起重船处于非运动状态下，船体10与地面之间施加固定副。
在起重船虚拟样机中，臂架13是柔性体，绳索是弹性体。如果在非起吊重物状态下，仿真开始时，由于臂架13自重和起吊重物的重量均会瞬间作用在多体系统上，仿真前30s会出现波动现象。四套绳索张力以及转台支撑11节点应力在前30s均发生大幅波动。而在实际作业时，第一、第二和第三控制变幅绳索21在臂架13变幅过程中一直处于张紧状态，同时使重物处于悬挂状态过程中吊装绳索22张力持续增大，臂架13不会出现大幅波动现象。为消除这种波动现象引入的仿真误差，使得分析结果与实际作业情况的趋同度更高，步骤5采用如下设计。
步骤S5，仿真开始后，计时直至设定的初始等待阶段结束，即臂架稳定后起重船虚拟样机进入起吊状态。示例性的，初始等待阶段设定为30s。
起重船刚柔耦合多体动力学仿真还包括船体运动下的多体动力学分析，船体运动下的多利动力学分析具体包括以下步骤：
步骤S6：根据起吊状态下的设定配载方案计算起重船的重心高度及回转半径。示例性的，重心高度为11.38m，回转半径kxx为30.01m，回转半径kyy为47.41m，回转半径kzz为45.85m。
步骤S7，设定起重船的作业工况，根据作业工况进行水动力计算，确定时域分析的时间步长和模拟周期。示例性的，作业工况主要包括海域条件，设定有义波高为2.5m，谱峰周期为6.5s，风速为10m/s，流速为1m/s。利用AQWA完成水动力计算，时域分析的时间步长取0.1s，考虑低频载荷影响的不规则波分析，模拟周期设定为三个小时。
步骤S8，在第一风入射角、第一浪入射角和第一流入射角条件下计算船体横摇运动响应和垂荡运动响应；在第二风入射角、第二浪入射角和第二流入射角条件下计算船体纵摇运动响应。具体来说，第一风入射角、第一浪入射角和第一流入射角均为90°，第二风入射角、第二浪入射角和第二流入射角均为180°。
步骤S9，选取船体代表自由度的运动响应并导入ADAMS中驱动仿真。优选在时间维度上分别选取对应三个自有度的一段运动响应导入ADAMS中进行仿真，在每一段中均包括对应的峰值，即船体三个自由度的运动响应包括横摇运动响应计算结果的峰值、纵摇运动响应计算结果的峰值以及垂荡运动响应计算结果的峰值，如图2虚线框内的运动响应。导入ADAMS中的船体横摇运动响应如图3所示。
步骤S10，在步骤S4中已经完成起重船虚拟样机的建立。配置起重船处于起吊重物状态。吊装绳索与转台之间施加平移副；设定至少一组重物起吊加速度和移动速度，计算重物起吊至设定高度的实际耗时；计算总耗时；建立第一驱动函数；其中，所述总耗时为初始等待阶段时长与实际耗时之和。示例性的，起吊重物时吊装绳索与转台之间修改为施加平移副，设定重物起吊加速度a＝0.02m/s2，匀速时移动速度v＝0.2m/s，起吊重物上升50m，实际耗时260s。总耗时需加上30s初始等待时间，即总耗时为290s。第一驱动函数如下：
Step(time,30,0,40,0.2)+Step(time,280,0,290,-0.2)。
步骤S11，起重船处于运动状态下，船体与地面之间施加旋转副，建立第二驱动函数。示例性的，第二驱动函数为CUBSPL(time,0,SPLINE_1,0)；其中SPLINE_1为船体三个自由度的运动响应，运动响应包括船体做横摇和垂荡耦合运动的运动响应，以及船体做纵摇和垂荡耦合运动响应。
更进一步的说，确定船体做横摇和垂荡耦合运动的运动响应或者确定船体做纵摇和垂荡耦合运动响应时包括以下步骤：在船体重心处建立一个球体；船体做横摇、垂荡或纵摇、垂荡耦合运动时，船体与在船体重心处建立的球体之间施加旋转副；同时，球体与地面之间施加平移副，从而完成船体在ADAMS中两个自由度的耦合运动。
步骤S12，设定仿真步长，输出设定时段下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线；其中所述设定时段为自初始等待阶段时长结束至重物起吊至设定高度时的总时长。示例性地，仿真步长取0.06s，设定时段为30-290s。
步骤S13，对比起重船分别处于静止状态和运动状态时，设定时段下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线，建立船体运动和第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的对应关系。
示例性的，如图4所示，通过对静止状态和运动状态下第一控制变幅绳索张力值时程变化曲线的对比，可以得出横摇运动导致的第一控制变幅绳索张力增幅为14.48％；类似的可以得出，纵摇运动导致的第一控制变幅绳索张力增幅为2.18％；垂荡运动导致的第一控制变幅绳索张力增幅为11.94％；船体横摇垂荡耦合运动导致的第一控制变幅绳索张力增幅为27.81％；船体纵摇垂荡耦合运动导致的第一控制变幅绳索张力增幅为13.82％。分析可以得出船体横摇、垂荡及两者耦合运动对第一控制变幅绳索张力的张力增幅影响较大，且船体横摇垂荡耦合运动下第一控制变幅绳索张力的张力增幅最大。
类似的，通过对静止状态和运动状态下第二控制变幅绳索张力值时程变化曲线的对比，可以得出横摇运动导致的第二控制变幅绳索张力增幅为14.58％，纵摇运动导致的第二控制变幅绳索张力增幅为1.35％，垂荡运动导致的第二控制变幅绳索张力增幅为12.25％，船体横摇垂荡耦合运动导致的第二控制变幅绳索张力增幅为27.94％，船体纵摇垂荡耦合运动导致的第二控制变幅绳索张力增幅为15.72％。分析可以得出船体横摇、垂荡及两者耦合运动对第二控制变幅绳索的张力增幅影响较大，且船体横摇垂荡耦合运动下第二控制变幅绳索的张力增幅最大。
类似的，通过对静止状态和运动状态下第三控制变幅绳索张力值时程变化曲线的对比，可以得出横摇运动导致的第三控制变幅绳索张力增幅为14.53％，纵摇运动导致的第三控制变幅绳索张力增幅为2.91％，垂荡运动导致的第三控制变幅绳索张力增幅为12.25％，船体横摇垂荡耦合运动导致的第三控制变幅绳索张力增幅为27.73％，船体纵摇垂荡耦合运动导致的第三控制变幅绳索张力增幅为17.31％。分析可以得出船体横摇、垂荡及两者耦合运动对第三控制变幅绳索的张力增幅影响较大，且船体横摇垂荡耦合运动下第三控制变幅绳索的张力增幅最大。
类似的，通过对静止状态和运动状态下吊装绳索张力值时程变化曲线的对比，可以得出横摇运动导致的吊装绳索张力增幅为6.64％，纵摇运动导致的吊装绳索张力增幅为3.88％，垂荡运动导致的吊装绳索张力增幅为19.01％，船体横摇垂荡耦合运动导致的吊装绳索张力增幅为22.68％，船体横摇垂荡耦合运动导致的吊装绳索张力增幅为22.68％。分析可以得出垂荡运动对吊装绳索张力的增幅影响较大，且船体纵摇垂荡耦合运动下吊装绳索的张力增幅最大。
类似的，通过对静止状态和运动状态下转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线的对比，可以得出横摇运动导致的节点应力增幅为14.67％，纵摇运动导致的节点应力增幅为1.98％，垂荡运动导致的节点应力增幅为10.61％，船体横摇垂荡耦合运动导致的节点应力增幅为26.94％，船体纵摇垂荡耦合运动导致的节点应力增幅为13.76％。分析可以得出船体横摇、垂荡及两者耦合运动对节点应力增幅的影响较大，且船体横摇垂荡耦合运动下节点应力增幅最大。
基于上述对比分析可以总结出船体横摇及垂荡对动力响应影响较大，在起重船作业时，船体应尽量避免波浪90°入射作用，以减小船体横摇，同时可采取措施减小船体垂荡运动。
不难理解，起重船作业时，在臂架、支撑等关键结构及变幅绳索均处于安全状态的基础上，吊装绳索的承载能力决定了起重船的吊装能力。通过上文的分析可以得出船体纵摇垂荡耦合运动导致的吊装绳索的张力增幅最大，也就是说在船体纵摇垂荡耦合作用下不同起吊加速度将导致吊装绳索的张力不同。作为一种优选的方法，本发明还进一步包括以下步骤：设定多组重物起吊加速度，建立与每一组重物起吊加速度对应的多组第一驱动函数；仿真输出不同起吊加速度下吊装绳索张力值的时程变化曲线；确定不同起吊加速度下吊装绳索张力值的峰值，建立起吊加速度和吊装绳索张力值的峰值的一一对应关系；确定吊装绳索承受张力的最大值；根据吊装绳索承受张力的最大值以及起吊加速度和吊装绳索张力值的峰值的一一对应关系，确定起吊作业的允许最大起吊加速度。
示例性的，设定的多组重物起吊加速度及对应的第一驱动函数如下表所示：
表1
仿真输出不同起吊加速度下吊装绳索张力值的时程变化曲线；确定不同起吊加速度下吊装绳索张力值的峰值，建立起吊加速度和吊装绳索张力值的峰值的一一对应关系。不同加速度下的吊装绳索张力峰值变化如图5所示。
表2
假定起重船吊装绳索承受张力的最大值为6.4*107N，则根据上表可以得出起吊临界加速度a＝2.7m/s2，即在起吊作业时起吊加速度不可大于2.7m/s2。
在另一个方面，大型起重船的起重能力大幅提升，作业时全船应力分布不明确，结构连接处可能会出现失效破坏，这对全船结构安全是不利的。本发明的另一个方面建立关键区域结构有限元模型，并将虚拟仿真后特定点上的力作为载荷施加在所关注的有限元模型上，依托优化工具，完成关键区域结构的优化设计，为结构设计提供参考。具体来说，本发明还包括以下步骤：
建立转台支撑和转台组件的有限元模型，其中，所述转台、配重和转台支撑之间的接触类型为绑定。具体来说，在WORKBENCH中建立转台支撑的有限元模型，转台支撑的内壁、外壁及轴板的板厚与ADAMS中柔性体的设定参数一致，示例性地可以设置为0.2m，为确保力的准确传递，转台、配重与转台支撑的接触类型设置为绑定。图6至图8示出转台组件和转台支撑的有限元模型。
设定起重船处于非运动状态，配置起重船进行起吊作业，仿真得到转台支撑在起吊作业中应力值最大的节点，应力值最大节点出现时间和应力值。图9示出ADAMS中转台支撑的应力分布，示例性的，可以从转台支撑的应力分布图中获得上述参数，例如172号节点处应力值最大，应力值最大节点出现时间为37.74s，最大应力值为6.4381e7Pa。
确定臂架与转台连接的多个第一标记点，确定吊装绳索对应的滑轮与转台连接的多个第二标记点。具体来说，臂架及各绳索通过多个第一标记点和第二标记点将力传递到转台上，继而传递到转台支撑上，其中第一标记点是臂架与转台固定连接的标记点，包括如图10所示的MARKER点1至MARKER点6，第二标记点是吊装绳索系统的滑轮与转台固定连接的标记点，如图所示的MARKER点7。
在ADAMS输出的仿真结果中提取多个第一标记点的应力时程数据以及第二标记点的应力时程数据，并在提取的应力时程数据中查找应力值最大节点出现时间所对应的第一标记点和第二标记点的实时应力，将查找处的第一标记点和第二标记点的实时应力施加在所述有限元模型上。延续上述示例，因为在t＝37.74s时，转台支撑节点应力最大，进一步将t＝37.74s时六个第一标记点和一个第二标记点上的力施加到所关注的有限元模型上；如图11所示。
采用与ADAMS模型相同的网格划分并全约束转台支撑的底部边界，即网格大小设计为1米，进行静力分析。可以得到表3的数据：
表3
利用静力分析的结果校准ADAMS的仿真结果校准ADAMS的仿真结果。在静力分析结果中，最大应力值为6.3588e7Pa，与ADAMS的结果对比，最大应力值相差1.2％。如图12所示，利用有限元软件建模分析结果与起重船虚拟样机的仿真结果基本一致。
转台支撑的可靠性直接决定了起重船作业的安全性，在建立有限元模型时，示例性地设置转台支撑的内壁、外壁以及轴板的板厚为0.2米，可以确保转台支撑足够可靠，用于起重船动力响应规律分析。在本发明中，进一步对加强筋、内壁、外壁及轴板进行优化，设计出最优的转台支撑。具体来说，对加强筋、内壁、外壁及轴板的优化设计包括以下步骤：
起重机回转作业状态下，转台组件与转台支撑之间施加旋转副。吊装绳索与转台之间施加固定副，设定回转作业启动加速度，回转作业制动加速度、启动周期时长，制动周期时长，匀速回转速度，匀速回转周期时长以及回转角度。示例性的，回转作业启动加速度和回转作业制动加速度的绝对值为0.05d/s2，启动周期时长和制动周期时长为10s，匀速回转速度为0.5d/s，匀速回转周期时长为170s，回转角度为逆时针回转90°。
进一步建立回转驱动函数，通过虚拟仿真输出并显示转台支撑应力分布的时程变化。
选用如图13所示的，T型材作为加强筋，设定转台支撑的初始内壁厚度(例如设计为0.02米)、初始外壁厚度(例如设计为0.07米)、初始轴板厚度(例如设计为0.065米)，设定T型加强筋初始高度H(例如设计为0.3米)、初始宽度B(例如设计为0.2米)、初始腹板厚度t1(例如设计为0.011米)以及初始翼板厚度t2(例如设计为0.017米)，获取制取转台支撑的材料的屈服极限(以Q345钢为例，屈服极限为345MPa)，对初始状态下设置加强筋后的转台支撑进行等效应力计算，根据转台支撑材料的屈服极限计算转台支撑的许用应力。依据《船舶与海上设施法定检验规则》，σ＝σs/(β×n)，计算时β取1，n取1.75，Q345钢的屈服极限σ为345Mpa，因此转台支撑的许用应力σs为197MPa。
以转台支撑应力最大值最小以及转台支撑重量最小为优化目标，依托WORKBENCH中的Design Exploration优化模块建立约束模型，其中设计变量包括T型加强筋高度，T型加强筋宽度、T型加强筋腹板高度、T型加强筋翼板厚度、转台支撑的外壁厚度以及转台支撑的轴板厚度，由于转台支撑内壁的应力值很小，优选不将转台支撑内壁作为设计变量，转台支撑内壁厚度采用初始内壁厚度0.02米作为常数。以初始值的60％作为下限阈值范围，初始值的140％作为上限阈值。由于选用窄翼缘T型钢作为T型加强筋，因此满足T型加强筋高度大于T型加强筋宽度。从而可以得到优化模型：
其中，max(Equivalent_Stress)代表转台支撑应力最大值，Weight为转台支撑重量，H为T型加强筋高度，B为T型加强筋宽度，EquivalentStress代表转台支撑应力，C为许用应力；
基于多目标遗传算法得到转台支撑的可行结构设计方案。优选的，在多目标遗传算法中，最初生成100个样本，设定最大迭代次数为5，每次迭代生成50个样本。对第一次计算错误的设计点进行三次重复计算，间隔一分钟，以避免因为内存问题导致优化失败。
基于客观熵权的TOPSIS方法得到转台支撑的最优结构设计方案。最优结构设计方案如表4所示：
表4
最优结构设计方案中，等效应力最大值为1.6704x108Pa，转台支撑钢材用量为423880kg，转台支撑重量下降12.3％。图14为设置加强筋后的支撑结构等效应力计算结果。
本发明第一方面利用三维建模软件WORKBENCH-Geometry建立刚性体构件，利用有限元ANSYS分析软件APDL语言建立柔性体构件，最后在多体仿真ADAMS中组件起重船虚拟样机，通过AQWA水动力计算完成船体横摇、纵摇、垂荡三自由度运动响应计算，利用CUBSPL函数将运动响应计算结果作为驱动函数施加在虚拟样机上，以模拟起重船实际起吊作业，对比起重船处于静止状态和运动状态时不同变量的时程变化曲线，建立船体处于静止状态和运动状态下变量的对应关系，为起重船操作提供建议和指导。第二方面在仿真时施加不同的驱动，以模拟不同起吊加速度下的吊装情况，并根据起重船吊装绳索的极限承载，获得起吊的上临界加速度，为工程实际提供参考。第三个方面完成了起重船刚柔耦合动力学分析，仿真结果给出起重船作业时力的传递情况及关键区域结构的应力分布特点，为关键区域结构的设计及优化提供基础。第四个方面利用WORKBENCH建立转台支撑的有限元分析，提取ADAMS虚拟仿真后特定点上的力，作为载荷施加在转台支撑上，完成静力分析，并对比ADAMS中转台支撑的应力分布情况，验证局部结构有限元模型载荷施加及边界条件设置的准确性。第五个方面，根据起重机起吊及回转作业时转台支撑的应力分布，设计加强筋的布置，并依托Design Exploration优化模块得到转台支撑的可行优化方案，综合客观熵权的TOPSIS方法确定转台支撑的最优结构设计方案。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
起重船刚性体建模，将起重船刚性体模型导入ADAMS软件中；其中所述起重船刚性体包括：船体、转台组件、导管架、第一桁架、第二桁架、第三桁架和第四桁架，所述转台组件包括转台和配重；
起重船柔性体建模，将起重船柔性体模型导入ADAMS软件中；其中所述起重船柔性体包括：转台支撑和臂架；
利用刚性区域法建立刚性区域，完成刚性体和柔性体的连接；
利用ADAMS建立起重船虚拟样机，所述起重船虚拟样机包括所述刚性体、所述柔性体、第一控制变幅绳索、第二控制变幅绳索、第三控制变幅绳索和吊装绳索；其中所述第一桁架、第二桁架、第三桁架分别与所述臂架之间施加固定副、所述臂架与所述转台之间施加固定副；所述起重船处于非回转作业状态下，所述转台组件与所述转台支撑之间施加固定副，所述转台支撑与所述船体之间施加固定副；所述起重船处于非起吊重物状态下，所述吊装绳索与所述转台之间施加固定副；所述起重船处于非运动状态下，所述船体与地面之间施加固定副；
仿真开始，计时直至设定的初始等待阶段结束，所述起重船虚拟样机进入起吊状态；
根据起吊状态下的设定配载方案计算起重船的重心高度及回转半径；
设定起重船的作业工况，根据所述作业工况进行水动力计算，确定时域分析的时间步长和模拟周期；
在第一风入射角、第一浪入射角和第一流入射角条件下计算船体横摇运动响应和垂荡运动响应；在第二风入射角、第二浪入射角和第二流入射角条件下计算船体纵摇运动响应；
选取船体代表自由度的运动响应并导入ADAMS中驱动仿真；
起重船处于起吊重物状态，吊装绳索与转台之间施加平移副；设定至少一组重物起吊加速度和移动速度，计算重物起吊至设定高度的实际耗时；计算总耗时；建立第一驱动函数；其中，所述总耗时为初始等待阶段时长与实际耗时之和；
起重船处于运动状态下，船体与地面之间施加旋转副，建立第二驱动函数；
设定仿真步长，输出设定时段下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线；其中所述设定时段为自初始等待阶段时长结束至重物起吊至设定高度时的总时长；
对比起重船分别处于静止状态和运动状态时，设定时段下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的时程变化曲线，建立船体处于静止状态和运动状态下第一控制变幅绳索张力值、第二控制变幅绳索张力值、第三控制变幅绳索张力值、吊装绳索张力值、转台支撑最大应力对应节点处应力值的对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
设定多组重物起吊加速度，建立与每一组重物起吊加速度对应的多组第一驱动函数；
仿真输出不同起吊加速度下吊装绳索张力值的时程变化曲线；
确定不同起吊加速度下吊装绳索张力值的峰值，建立起吊加速度和吊装绳索张力值的峰值的一一对应关系；
确定吊装绳索承受张力的最大值；
根据吊装绳索承受张力的最大值以及起吊加速度和吊装绳索张力值的峰值的一一对应关系，确定起吊作业的允许最大起吊加速度。
3.根据权利要求1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
建立转台支撑和转台组件的有限元模型，其中，所述转台、配重和转台支撑之间的接触类型为绑定；
设定起重船处于非运动状态，配置起重船进行起吊作业，仿真得到转台支撑在起吊作业中应力值最大的节点，应力值最大节点出现时间和应力值；
确定臂架与转台连接的多个第一标记点；
确定吊装绳索对应的滑轮与转台连接的多个第二标记点；
在ADAMS输出的仿真结果中提取多个第一标记点的应力时程数据以及第二标记点的应力时程数据，并在提取的应力时程数据中查找应力值最大节点出现时间所对应的第一标记点和第二标记点的实时应力，将查找处的第一标记点和第二标记点的实时应力施加在有限元模型上；
采用与ADAMS模型相同的网格划分并全约束转台支撑的底部边界，进行静力分析；
利用静力分析的结果校准ADAMS的仿真结果。
4.根据权利要求3所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
起重机回转作业状态下，转台组件与转台支撑之间施加旋转副，吊装绳索与转台之间施加固定副；设定回转作业启动加速度、回转作业制动加速度、启动周期时长、制动周期时长、匀速回转速度、匀速回转周期时长以及回转角度；
建立回转驱动函数，输出转台支撑应力分布的时程变化；
设定转台支撑的初始内壁厚度、初始外壁厚度、初始轴板厚度；设定T型加强筋初始高度、初始宽度、初始腹板厚度以及初始翼板厚度，获取制作转台支撑的材料的屈服极限，对初始状态下设置加强筋后的转台支撑进行等效应力计算，根据制作转台支撑的材料的屈服极限计算转台支撑的许用应力；
以转台支撑应力最大值最小以及转台支撑重量最小为目标建立优化模型：
其中，max(Equivalent_Stress)代表转台支撑应力最大值，Weight为转台支撑重量，H为T型加强筋高度，B为T型加强筋宽度，Equivalentstress代表转台支撑应力，C为许用应力；
基于多目标遗传算法得到转台支撑的可行结构设计方案；
基于客观熵权的TOPSIS方法得到转台支撑的最优结构设计方案。
5.根据权利要求1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于：所述第二驱动函数为：
CUBSPL(time,0,SPLINE_1,0)，
其中SPLINE_1为船体三个自由度的运动响应，所述运动响应包括船体做横摇和垂荡耦合运动的运动响应，以及船体做纵摇和垂荡耦合运动响应；
确定船体做横摇和垂荡耦合运动的运动响应或者确定船体做纵摇和垂荡耦合运动响应时包括以下步骤：
在船体重心处建立一个球体；
船体与在船体重心处建立的球体之间施加旋转副；
所述球体与地面之间施加平移副。
6.根据权利要求1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，
选取船体代表自由度的运动响应并导入ADAMS中进行仿真时，所述运动响应包括横摇运动响应计算结果的峰值、纵摇运动响应计算结果的峰值以及垂荡运动响应计算结果的峰值。
7.根据权利要求1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，
设定起重船的作业工况包括有义波高、谱峰周期、风速和流速。
8.根据权利要求1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，
所述第一风入射角、第一浪入射角和第一流入射角为90度。
9.根据权利要求1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，
所述第二风入射角、第二浪入射角和第二流入射角为180度。
10.根据1或2任一项所述的基于多体运动与动力耦合起重船优化设计分析方法，其特征在于，
设定初始等待阶段的时长为30s。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111188468.4A CN113987672A (zh) | 2021-10-12 | 2021-10-12 | 一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 |
| PCT/CN2021/134305 WO2023060723A1 (zh) | 2021-10-12 | 2021-11-30 | 一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111188468.4A CN113987672A (zh) | 2021-10-12 | 2021-10-12 | 一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113987672A true CN113987672A (zh) | 2022-01-28 |
Family
ID=79738310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111188468.4A Pending CN113987672A (zh) | 2021-10-12 | 2021-10-12 | 一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113987672A (zh) |
| WO (1) | WO2023060723A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116730221B (zh) * | 2023-06-05 | 2024-03-29 | 浙江合兴船业有限公司 | 一种离岸作业起重船的起重控制方法 |
| CN116451357B (zh) * | 2023-06-15 | 2023-08-22 | 长江勘测规划设计研究有限责任公司 | 升船机钢丝绳-缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法 |
| CN117189036B (zh) * | 2023-09-12 | 2024-03-29 | 大庆石油管理局有限公司 | 一种塔架式抽油机配重导向装置及安装调整方法 |
| CN117251663B (zh) * | 2023-09-20 | 2024-02-13 | 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心 | 一种直升机着舰安稳期状态判别方法 |
| CN117556743B (zh) * | 2024-01-11 | 2024-03-19 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101429928A (zh) * | 2007-11-09 | 2009-05-13 | 中国海洋石油总公司 | 风力发电机组海上整体吊装的方法 |
| CN109446742A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-03-08 | 西安石油大学 | 半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法 |
| WO2019100490A1 (zh) * | 2017-11-24 | 2019-05-31 | 惠生（南通）重工有限公司 | 一种便于安装的浮式风电塔 |
| AU2020102354A4 (en) * | 2020-09-21 | 2020-10-29 | Tianjin Research Institute For Water Transport Engineering.M.O.T. | Morning and early warning method for coastal port ship operation conditions |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10713400B2 (en) * | 2017-04-23 | 2020-07-14 | Cmlabs Simulations Inc. | System and method for executing a simulation of a constrained multi-body system |
| US11170143B2 (en) * | 2018-10-19 | 2021-11-09 | Cmlabs Simulations Inc. | Systems and methods for simulating multibody systems |
| CN110032817B (zh) * | 2019-04-19 | 2021-04-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种双吊起重作业仿真建模方法 |
| CN110937510B (zh) * | 2019-12-10 | 2020-11-06 | 山东大学 | 具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及系统 |
| CN112180742B (zh) * | 2020-11-09 | 2021-08-03 | 山东大学 | 基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制方法及系统 |
-
2021
- 2021-10-12 CN CN202111188468.4A patent/CN113987672A/zh active Pending
- 2021-11-30 WO PCT/CN2021/134305 patent/WO2023060723A1/zh unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101429928A (zh) * | 2007-11-09 | 2009-05-13 | 中国海洋石油总公司 | 风力发电机组海上整体吊装的方法 |
| WO2019100490A1 (zh) * | 2017-11-24 | 2019-05-31 | 惠生（南通）重工有限公司 | 一种便于安装的浮式风电塔 |
| CN109446742A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-03-08 | 西安石油大学 | 半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法 |
| AU2020102354A4 (en) * | 2020-09-21 | 2020-10-29 | Tianjin Research Institute For Water Transport Engineering.M.O.T. | Morning and early warning method for coastal port ship operation conditions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023060723A1 (zh) | 2023-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113987672A (zh) | 一种基于多体运动与动力耦合的起重船优化设计分析方法 | |
| Sun et al. | Dynamics analysis and active control of a floating crane | |
| Hall et al. | Evolving offshore wind: A genetic algorithm-based support structure optimization framework for floating wind turbines | |
| He et al. | Virtual prototyping-based multibody systems dynamics analysis of offshore crane | |
| Horoub et al. | Workspace analysis of a Gough-Stewart type cable marine platform subjected to harmonic water waves | |
| CN105549386A (zh) | 船用起重机自动控制实验系统 | |
| CN110568814A (zh) | 一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置 | |
| CN106407615B (zh) | 一种深海起重机被动式升沉补偿系统的仿真方法 | |
| CN113654756B (zh) | 一种海上浮式风机主动式实时混合模型试验方法 | |
| He et al. | Product multibody dynamics analysis for low-carbon footprint | |
| Bachynski et al. | Linear and nonlinear analysis of tension leg platform wind turbines | |
| CN210864401U (zh) | 一种适用于主动升沉补偿的波浪信号模拟装置 | |
| Kim | A study on the control system design for ship mooring winch system | |
| Acero et al. | Assessment of the dynamic responses and allowable sea states for a novel offshore wind turbine installation concept based on the inverted pendulum principle | |
| Jakubowski et al. | The investigations of hydraulic heave compensation system | |
| Loveikin et al. | The dynamic analysis of the joint trolley movement and hoisting mechanism in the tower crane | |
| CN116292137A (zh) | 一种漂浮式风机解耦模型试验方法、系统及其装置 | |
| Aliyar et al. | Experimental investigation of offshore crane load during installation of a wind turbine jacket substructure in regular waves | |
| Eijkhout et al. | Active heave compensation of a floating crane using electric drive | |
| CN114879504A (zh) | 一种四自由度船用旋转起重机的自适应非线性控制方法 | |
| Partovi-Mehr et al. | Modeling of an Offshore Wind Turbine and Sensitivity Analysis of its Dynamic Properties to Operational and Environmental Conditions | |
| Li et al. | Anti-swing control for a double-pendulum offshore boom crane with ship roll and heave movements | |
| Shuguang et al. | An ADRC-Based Active Heave Compensation for Offshore Rig | |
| Wang et al. | Dynamic analysis anD experiment of unDeractuateD Double-penDulum anti-swing Device for ship-mounteD jib cranes | |
| Ren et al. | Active single-blade installation using tugger line tension control and optimal control allocation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |