海上过驳平台关键结构强度及振动特性研究

摘要

相对于建设固定式港口散料码头，海上过驳平台作为“海上移动码头”，具有对水域条件适应性强、作业机动灵活、服务半径广、投资收益率高等特点，该过驳平台在港口航道通航水深、码头结构靠泊能力及建设条件等受限情况下，提供了一种经济、便捷的散料转运解决方案。由于海上过驳平工作时易受到风、浪、流等复杂环境载荷和起重机、带式传送系统、装船机等上部多重构件工作载荷的联合作用，从而会出现过驳平台总体受力大，局部受力集中且分布不均的情况。作为一种新型的海上工程作业船舶，为保证海上过驳平台能正常工作，有必要对其关键结构强度及振动特性进行研究，以便全面了解该型船舶在工作过程中的受力特点及振动特性，为该型船舶的设计提供技术支撑。
　　本文开展了海上过驳平台关键结构强度及振动特性研究。首先，对全船波浪载荷计算进行研究，为下一步进行全船以及局部强度有限元分析奠定基础；其次，以典型海上过驳平台为对象，建立全船有限元模型，对全船结构强度进行直接计算，得到船体各结构应力变形分布规律，确定高应力区域；然后，对起重机基座结构局部强度进行计算分析，并提出3种加强方案，根据应力结果完成局部加强方案的优选；最后，以装船机外臂架结构为研究对象，用模态分析法得到外臂架结构的前七阶固有频率和振型，用频率响应法得到外臂架结构的振动响应。
　　本文主要研究工作如下：
　　（1）海上过驳平台全船波浪载荷计算研究。运用NAPA软件建立船体湿表面模型，对模型进行分舱加载以及定义空船重量，计算得出船舶的重力与浮力分布，再依据坦谷波理论施加各工况相应的波浪要素，通过改变波峰或波谷与船舶的相对位置，计算出船舶在静波浪中的平衡位置，进而绘制出船舶在中拱、中垂状态下的波浪曲线，为下一步进行全船以及局部强度有限元分析奠定基础。
　　（2）海上过驳平台全船结构强度有限元分析。基于有限元理论，以一艘典型海上过驳平台为研究对象，运用有限元软件MSC.Patran/Nastran对海上过驳平台建立全船结构三维有限元模型，边界条件采取惯性释放法，选取了实际作业中6种典型工况，应用全船结构强度直接计算方法，完整实现了全船有限元分析全过程，获得了船体各结构的总强度应力分布并确定高应力区域，真实地预报船体的相对变形，作为判断船体总纵强度和局部强度的依据。
　　（3）回转起重机基座结构局部强度及加强方案研究。运用 MSC.Patran/Nastran软件对海上过驳平台基座结构进行局部强度有限元分析，首先确定模型范围和计算工况，选取载荷和边界条件，然后对其进行直接计算并对结构应力、变形结果进行分析，得出主要破坏载荷及强度不足的部位和原因。选出3种满足基座结构强度的加强方案，并对其进行直接计算，从力学性能和结构形式两方面对3种加强方案的计算结果进行比较分析，确定出方案三为满足强度要求的最优加强方案，再对方案三的横隔板板厚进行手工优化，得出当板厚为8mm时最优。
　　（4）装船机外臂架结构振动特性研究。基于振动和模态分析相关理论，运用有限元分析软件对装船机外臂架结构进行建模和分析。通过模态分析，得出前七阶固有频率和振型。然后以传递率为参数研究了外臂架结构的振动传递特性，基于频率响应法，获得外臂架结构在单点力和单点力矩作用下的振动响应。

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第1章 绪论

1.1论文的研究背景和意义

1.2海上过驳平台介绍

1.3 国内外研究现状与进展

1.4 本文的主要研究内容和创新点

第2章 基于NAPA的全船波浪载荷计算研究

2.1引言

2.2 NAPA软件简介

2.3船型特点及主要参数

2.4波浪载荷计算方法

2.5 海上过驳平台模型计算

2.6 本章小结

第3章 海上过驳平台全船结构强度有限元分析

3.1引言

3.2 有限元基本理论

3.3 全船有限元模型建立

3.4 边界条件

3.5 计算工况

3.6 载荷计算

3.7强度标准及应力变形结果

3.8 本章小结

第4章 回转起重机基座结构局部强度及加强方案研究

4.1 引言

4.2 基座有限元模型

4.3 边界条件及载荷工况计算

4.4 计算结果分析

4.5 基座结构加强方案研究

4.6 本章小结

第5章 装船机外臂架结构振动特性研究

5.1 引言

5.2 振动和模态分析相关理论

5.3有限元模型建立

5.4外臂架结构模态分析

5.5外臂架结构振动频率响应分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文主要工作及结论

6.2进一步研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢