大型浮吊海浪作用下结构静动态性能研究

摘要

大型浮吊是重要的海洋工程作业设备。浮吊在海上作业时，受到海浪的作用会发生摇荡运动。船舶的摇荡运动对安装在船上的起重机结构和部件的安全工作产生影响。所以在设计浮吊时，不仅要计算浮吊结构在自重和吊重作用下的结构变形与应力和在不同回转支承橡胶压缩刚度时滚轮受力情况，而且要研究浮吊结构的动态特性，分析计算浮吊结构在海浪作用下的动力响应，以保证浮吊的安全工作。浮吊结构包括臂架、变幅钢丝绳、系固钢丝绳、桁框架、人字架、配重箱、回转底盘总成及回转支承等部件。基于有限元理论，运用ANSYS软件建立了浮吊结构三维有限元模型，并基于ANSYS平台对浮吊结构进行了在自重和吊重作用下的静力分析；研究了回转支承橡胶垫刚度对滚轮受力均匀性的影响；进行了模态分析和谐响应分析，得到了浮吊结构的振动特性，以及以规则海浪作用下船的运动响应为基础激励的浮吊结构的动态响应。其中，建立三维有限元模型时，采用了ANSYS中的SHELL63单元、BEAM188单元、LINK10单元、COMBIN14单元、MASS21单元和MATRIX27单元有效地模拟了浮吊各部分结构。静力分析过程中主要考虑浮吊结构的强度是否满足。在回转支承橡胶垫刚度对滚轮受力均匀性影响研究中，主要考查橡胶垫刚度变化时滚轮受力变化规律。模态分析中，通过计算在浮吊起吊7500t工况的模态，得到浮吊结构的振动特性，为后续动力分析计算打下基础。谐响应分析中，主要考查浮吊结构以规则海浪作用下船的运动响应为基础激励的位移响应和应力响应。通过本文的研究发现，在静力状态下浮吊结构满足强度要求，在回转底盘与桁框架梁连接处的应力相对较大；橡胶垫压缩刚度越小，滚轮受力越均匀。通过模态分析发现，浮吊结构的振型主要表现为主钩钢丝绳-吊重系统摆动和臂架振动，振动频率都很低；第1和第2阶模态为主钩钢丝绳-吊重系统摆动，其他阶模态主要为臂架振动。通过谐响应分析发现，海浪方向为90°时浮吊动力响应比较大；吊重起升至比较高位置时，浮吊动力响应比较大；因船舶横摇大于纵摇，故浮吊的横向位移大于纵向和垂向位移，钢丝绳-吊重系统横向摆角大于纵向摆角；臂架的最大动应力出现在根部主弦杆处，海浪载荷引起的浮吊结构动应力小于材料屈服强度。本文的研究是浮吊设计的关键课题。对浮吊结构在静态和动态下强度的考查和性能的研究，检验了浮吊结构设计的合理性，并提供一种预测浮吊在海浪作用下动力响应的方法，为浮吊设计提供参考。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题意义

1.2 浮吊研究现状

1.2.1 国外浮吊发展现状

1.2.2 国内浮吊发展现状

1.2.3 起重机动态计算方法概述

1.3 有限元理论概述与ANSYS 软件介绍

1.3.1 有限元理论概述

1.3.2 有限元分析软件ANSYS 介绍

1.4 本文所做的工作和研究

第二章 全旋转7500t 浮吊结构有限元模型

2.1 浮吊结构有限元模型的建立

2.2 约束

2.3 本章小结

第三章 浮吊结构静力分析

3.1 工况

3.2 计算与分析

3.3 本章小结

第四章 回转支承橡胶垫刚度对滚轮受力影响

4.1 橡胶垫简化模型

4.2 滚轮编号

4.3 计算与分析

4.3.1 橡胶垫压缩刚度为k_1、k_2 的计算与分析

4.3.2 橡胶垫压缩刚度为k_(1/2)、k_(2/2) 的计算与分析

4.3.3 橡胶垫压缩刚度为k_(1/4)、k_(2/4) 的计算与分析

4.3.4 橡胶垫压缩刚度为k_(1/8)、k_(2/8) 的计算与分析

4.3.5 不同橡胶垫压缩刚度时前方正滚轮处橡胶垫压缩量比较

4.3.6 不同橡胶垫压缩刚度时前方正滚轮所受压载比较

4.4 本章小结

第五章 浮吊结构动态性能分析

5.1 浮吊结构模态分析

5.1.1 模态分析理论

5.1.2 浮吊结构模态分析结果

5.2 浮吊结构在海浪载荷作用下的动力响应分析

5.2.1 船舶在海浪作用下的运动

5.2.2 问题分析

5.2.3 基础激励下结构的动力响应

5.2.4 浮吊结构的谐响应分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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