巨型海上作业机械风浪耦合模型及稳定性研究

巨型海上作业机械是工作在海上的支撑于专用船体上的超大型施工机械，兼具船舶和高耸结构的特点，但其工况、载荷状态、载荷分布和结构外形又独具特征，从而使其在风浪及工作载荷作用下的稳定性问题既不同于船舶，也与高耸结构有明显区别，有其明显的特殊性，一般设计规范无法完全适用于风浪耦合状态。本项目在理论分析、计算机数值模拟和风洞试验的基础上，深入研究风载荷在大型海上作业机械总载荷中所占的比例和计算方法、波浪效应的简化模型和风浪耦合作用下海上作业机械稳定性的数学描述。研究结果既可以应用于大型海上作业机械的研究和设计，又可以作为相关国家标准的补充和参考，为提高我国研发这类机械的研发水平发挥积极作用。

我国国民经济的迅猛发展对海上施工、海上救援与巨型机械系统的海上整机运输提出了前所未有的需求和挑战，海上巨型作业机械因此应运而生。这类作业机械因工作条件的要求，需要支撑于专用船体之上以便在海上工作且体型庞大，兼具一般船舶与高耸、大跨结构的特点，但又与之有明显的区别，船舶与一般机械和结构的设计规范均无法完全适用。项目研究中，以上海振华重工（集团）股份有限公司研究开发的7500吨海上全回转浮式起重机为基本研究对象，主要从载荷分析、动力学建模、风洞试验、瞬态响应分析及动力稳定性5个方面对巨型海上作业机械进行了系统研究。项目研究中，将波浪对巨型海上作业机械的作用通过吊重的偏摆来转化为作用于其上的一种载荷形式，通过理论推导获得其解析表达式，并进一步通过计算机完成了其时间历程的模拟；风载荷按照结构风工程中的经典风速谱，结合国际公认的一种谐波叠加法获得风速的时间历程，进一步可得风压的时间历程。由于巨型海上作业机械与一般机械系统类似，需要根据工作环境、工作条件的需求变换工作幅度、高度、回转角度等，工况众多。若按照一般的建模方式，对每种工况分立建模，将不得不面临计算成本巨大的问题。因此项目研究过程中，基于动态子结构方法的思想，首先建立巨型海上作业机械各个主要部件的有限元模型，通过连接部位的力平衡与位移协调完成部件的组装，通过在部件上设置局部坐标的形式完成不同工况的转化。研究结果表明，巨型海上作业机械基频很低，在回转平面内的振动很容易被激发，而通过子结构方法，亦获得了各个主要部件的动力学特征对整体动力学特征的贡献，为今后类似机型的设计提供了参考。为了进一步界定风向、幅度及风场类型对巨型海上作业机械所承受的风载荷的影响，项目研究中制作了7500吨浮式起重机的1:200风洞缩尺模型，在同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成了相关风洞试验。结合以上几方面研究，借助商用有限元平台，完成了7500吨巨型浮式起重机的瞬态响应分析。分析、研究、对比了现有主流结构动力稳定性的数值模拟方法，选择时间冻结法进行了7500吨浮式起重机的动力稳定性分析。