大坝升船机—承船厢耦合振动分析与控制

摘要

大坝升船机是利用机械装置垂直升降船舶使之快速过坝的重要通航建筑物，与传统的通航船闸相比，大坝升船机能适应复杂地形并大大缩短船舶过坝时间，因此近年来在水利工程中发展十分迅速。承船厢是引导船舶过坝的载体，通过卷扬机牵引在升船机简体内垂直升降。在地震、强风等动力作用下，升船机主体结构与承船厢之间会发生复杂的耦合振动，甚至两者还会发生碰撞，严重威胁到升船机结构及承船厢内船舶和人员的安全。因此，分析大坝升船机和承船厢在地震和风振作用下的耦合振动，并对其采取适当的减振控制措施是十分必要的。
　　 本论文是在国家自然科学基金面上项目“新型磁流变弹性体智能材料器件及在升船机地震鞭梢效应控制中的应用”(编号:51178368)的资助下完成的。全文以三峡大坝升船机为工程背景，系统研究了升船机——承船厢耦合振动机理及减振方法。论文第一章讲述了三峡大坝升船机工程概况和升船机抗震的研究现状;第二章介绍了升船机三维板壳有限元模型的建立及其动力特性分析结果;考虑到板壳模型过于复杂，不能进行后面的耦合振动分析，第三章详细阐述了利用动力等效原理和静力缩聚方法，对升船机结构进行从三维板壳模型到三维杆系模型再到数值模型的简化过程;随后论文第四章利用简化后的数值模型，研究了升船机——承船厢之间的耦合振动，结果表明:在8度三峡人工模拟地震波作用下，当升船机塔柱和承船厢之间采用无连接方式时，两者的相对位移峰值将达到0.18m，大大超过了承船厢与塔柱导轨之间的间隙距离0.08m，两者会发生碰撞;当采用刚性连接方式时，承船厢的绝对加速度峰值可达到2.24m/s2，此时承船厢会剧烈晃动，将严重威胁厢体内船只的安全。必须对升船机结构的耦合振动采取合适的减振控制措施。因此，论文第五章分别运用了弹簧、粘滞流体阻尼器和磁流变液阻尼器三种减振装置，对耦合振动进行了被动和半主动控制，并比较了三者的减振效果。
　　 论文提出的从三维板壳有限元模型——三维杆系有限元模型——静力缩聚后的数值模型两步简化法，对大型复杂结构的模型简化有着很高的模拟精度;论文将升船机主体结构视为弹性体，将承船厢视为刚体，两者相结合进行耦合振动仿真分析技术可以很好地解决因承船厢发生较大几何位移而引起的计算不收敛问题。论文的研究结果表明:升船机塔柱与承船厢之间采用无连接和刚性连接两种方案都将严重影响结构的抗震性能，必须对结构采取适当的减振措施;在被动减振措施中，粘滞流体阻尼器比弹簧效果要好，并且粘滞流体阻尼器的粘滞系数设置为4×106N·s/m会达到较好的减振效果。相对于被动减振方法，采用逻辑控制算法的磁流变液阻尼器半主动控制方法可以进一步大幅提高减振控制效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 工程背景及研究意义

1．2 大坝升船机结构抗震分析研究现状

1．3 结构振动控制研究进展

1．4 本文主要研究工作

第2章 大坝升船机三维板壳有限元模型

2．1 引言

2．2 三维板壳有限元模型的建立

2．3 三维板壳模型动力特性分析

2．4 本章小结

第3章 大坝升船机有限元模型的简化

3．1 引言

3．2 三维杆系有限元模型的建立

3．2．1 建立方法

3．2．2 动力特性分析

3．3 杆系结构数值模型的建立

3．3．1 结构矩阵的获得

3．3．2 结构矩阵静力缩聚

3．3．3 动力特性分析

3．4 本章小结

第4章 升船机塔柱——承船厢耦合振动分析

4．1 引言

4．2 地震波的选取和调整

4．3 结构耦合地震响应分析基本原理

4．4 采用无连接和刚性连接方案时结构地震响应计算

4．5 本章小结

第5章 减振与控制

5．1 引言

5．2 弹簧连接

5．3 粘滞流体阻尼器连接

5．4 磁流变液阻尼器连接

5．4．1 磁流变液阻尼器动力模型

5．4．2 磁流变液阻尼器半主动控制策略

5．4．3 磁流变液阻尼器的控制效果

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表和完成的论文

致谢