李晓平[1]2004年在《多体系统动力学建模方法及在水下缆索中的应用研究》文中研究指明基于Huston多体方法,提出了以低序体组为分析对象的多体系统矢量建模的新方法。结合多柔体系统的理论,对水下缆索动力学进行了深入的研究,提出了改进有限段模型。文中对平面和空间含运动副间隙的多体系统和海洋中典型的两类缆索系统进行动力学仿真,验证了方法的正确性和有效性,并得到许多有益的结论。对Huston多体方法进行了深入研究,给出了偏速度具有物理意义的表达形式,进而推导了Kane方程对应的矢量平衡方程。据此提出了低序体组的概念和以低序体组为分析对象的多体系统矢量力学建模方法,推导了多体系统动力学方程矩阵表达形式。Huston方法和基于低序体组的矢量建模方法可以相互补充,相辅相成。基于上述矢量力学方法,提出了新的多体系统编号方式与拓扑结构描述方法,给出了多体系统动力学编程的新思路。根据矢量建模法得到的方程推导了适于含铰链间隙多体系统的动力学方程,可以提高计算的速度、精度和稳定性,并对含间隙的低速运动的平面机械臂和高速运动的空间机械臂系统进行了动力学仿真,与Adams软件对不考虑间隙的仿真结果做了比较,验证了方法的正确性,同时揭示了系统运动速度不同时,运动副间隙对多体系统的不同影响方式。基于对Huston方法矢量力学分析的结论,提出了叁种空间离散方法,即集中质量法、有限元法和有限段法描述缆索的力学方程的统一形式,并通过对比各种方法对一缆索结构稳态分析的结果,分析了叁种方法的精度,指出有限段法用于弹性缆索时精度欠佳。而且由于缆索有限段法是直接应用Huston多体方法,计算量大。针对上述不足,本文将缆索视为多柔体系统,引入有限元法对弹性体位移的描述方式,紧密结合缆索自身的特点,提出了改进的有限段模型,选取合适的广义速率,推导了二维和叁维缆索的动力学方程。改进的有限段模型方程形式简洁,计算量少,精度高,尤其适用于弹性缆索。针对拖曳缆索释放-回收过程,建立了变拓扑结构的改进有限段模型,通过可变长度缆段长度的变化和系统缆段数量的增减来真实的模拟缆索释放和回收过程。应用改进有限段法,对两类典型的海洋缆索系统进行了动力学仿真。对拖曳系统启动、缆索释放、稳定运行、系统停止整个过程进行了仿真,并与海洋试验结果比较,验证了方法的正确性。对小型拉紧式系泊浮标系统进行了模型水池试验研究,同时进行了动力学仿真,试验与仿真结果吻合。以上工作对海洋缆索系统的设
张斌[2]2016年在《水下航行器锚泊驻留稳定性研究》文中研究说明水下驻留航行器作为一种新型的海洋资源开发利用工具,在海底环境长期探测或监测等应用领域被寄予厚望。按其驻留方式不同,目前可实现海底驻留功能的航行器可分为支撑式与锚泊式两大类,这两种驻留策略各具有其优势与缺陷,如支撑式驻留策略对驻留位置平坦性要求高、抗泥沙掩埋性差但可保证驻留过程中航行器具有较高稳定性,锚泊式驻留策略具有较差的驻留稳定性和驻留位置精度但对驻留位置平坦性要求较低并且无需考虑海底泥沙掩埋问题。为扩大锚泊式驻留策略的应用范围,一种水下航行器的双锚驻留策略被提出,本文在广泛查阅和研读国内外相关文献的基础上,围绕实现水下航行器双锚驻留的关键技术、水下航行器双锚驻留系统数学模型建立、水下航行器双锚驻留过程稳定性分析及姿态调节问题进行了较为深入的研究,主要的工作和研究成果可以归纳为以下几个方面:1.水下航行器双锚驻留关键技术研究(1)应用静力学分析方法,详细研究了弹性模量、阻力系数、密度等水下缆索参数对稳态锚泊姿态与缆索内部张力分布的影响并基于分析结果选定连接水下航行器与锚的水下缆索材料;(2)针对水下航行器锚泊驻留时的两种极限姿态工况,应用稳态分析方法对整个锚泊驻留系统进行受力分析,得到水下缆索悬链部分长度、航行器锚泊深度以及航行器抛锚后净浮力之间耦合关系,综合考虑这两种极限状态并合理选定锚泊驻留时所需设定的航行器净浮力以及其携带的缆索总长度,在保证驻留系统安全性,避免发生走锚、触底现象的前提下,确定航行器所必须携带的最短缆索长度,选定相应的抓力锚型号,尽可能减少锚泊驻留机构对航行器内部空间尺寸占用;(3)对航行器巡航过程中锚与缆索的固定问题、抛锚驻留时锚与缆索的释放问题、调节航行器驻留姿态时缆索释放长度调节问题、航行器二次启动时缆索分离解脱问题这些关键技术进行研究,使采用此驻留策略的水下航行器能够全程自主实现锚泊驻留与二次启动功能,完成了相关机构的设计和叁维虚拟样机建模工作。2.水下航行器双锚驻留系统数学模型建立(1)对连续水下缆索微元的平移运动与旋转运动方程进行了推导,基于易于扩展、方便与其它物理模型相迭加方面的考虑,使用集中质量方法来离散化其连续模型;(2)建立了更加符合海底真实物理特性的粘弹性物理模型并将水下缆索-海底之间的交互作用迭加至水下缆索数学模型中;(3)针对需要精确描述水下缆索中弯矩、扭矩的作用时需要划分大量的时域与空间域离散化单元,造成相当巨大的计算量,给数值计算过程带来困难并增加计算截断误差与舍入误差这一问题,对水下缆索的离散化方法做出改进,采用叁次样条插值的方法近似构造出非线性的离散化微元以替换集中质量方法中的线性化微元,利用加权余量法的相关思路,采用伽辽金方法建立水下缆索微分控制方程的余量消除方程,得到水下缆索平移与旋转运动控制方程组;(4)建立了包含变浮力系统、辅助推进器作用力以及水下缆索拉力作用在内的水下航行器锚泊驻留过程空间六自由度运动数学模型,建立了抓力锚与海底交互作用下的空间运动数学模型;(5)通过运动学与动力学耦合条件将水下航行器、水下缆索和锚的数学模型耦合起来,组成水下航行器双锚驻留系统的数学模型。3.水下航行器双锚驻留过程稳定性研究(1)研究了航行器从抛锚驻留直至到达锚泊驻留稳态过程中航行器质心偏移量、航行器姿态角、水下缆索对航行器拉力以及抓力锚走锚量等参量的变化情况;(2)分析了水下缆索切向与法向阻力系数、水下缆索单位长度质量、航行器质浮心间距、航行器驻留剩余速度等主要参数对水下航行器锚泊驻留稳定性的影响,以便于针对锚泊驻留过程中出现的各类问题提供有意义的参考。4.水下航行器双锚驻留系统姿态调节问题研究(1)针对系统锚泊驻留过程中可能出现的不良驻留姿态,提出了叁种切实可行的姿态调节方案:辅助推进器调节方案、舵角调节方案、水下缆索释放长度调节方案,对比分析这叁种方案的调节效果与效率;(2)将辅助推进器与水下缆索释放长度调节两种方案结合起来,使得系统能在不影响走锚安全性的前提下将航行器俯仰角限定在正常工作允许的范围内,同时避免航行器触底现象的发生,使得本文所设计的模块化锚泊驻留机构具有更好的适用性和更广的应用范围。
夏大勇[3]2013年在《水电工程重型缆机架空索道系统动力学及可靠性研究》文中进行了进一步梳理缆索起重机(以下简称缆机)是以悬挂于两支点之间的钢索作为承载结构,利用载重小车在其上往返移动进行物料吊运,兼有垂直运输(通过起升机构的起重绳实现)和水平运输功能的特种起重运输机械。缆机主要由塔架、架空承载部分、工作驱动机构、机电控制设备及安全保护装置等组成,其中架空部分主要由承载索、起重绳、牵引绳、承马及载重小车等部件组成。缆机在水利电力建设工程、桥梁建筑、码头施工、森林工业、采矿工业、堆料场装卸以及港口装卸等方面都有广泛的用途。我国在叁峡大坝施工中,首次引进德国克虏伯所设计制造的缆机,并开始对国外先进缆机设计与制造技术进行引进、消化和吸收。目前我国在缆机设计、制造和使用过程中,塔架、驱动及控制系统等方面的设计和制造技术都较为成熟,使用过程也很少出现故障。但是,在对缆机中关键部件——架空系统的研究方面与国外类似产品相比仍有差距,反映在对于架空部件的优化设计、产品精细化程度不够,可靠性不高,缺乏基础性研究的支持。通过查阅文献获知,大量缆机方面的文献仅仅涉及缆机的维护、保养、运行等方面的内容。在研究中有两个明显的不足：其一是对于重型缆机索道系统的动力学特性研究不够；其二是没有运用现代设计分析方法与手段对缆机架空索道系统设计中的关键问题进行研究。由于缆机架空部分的承载索、起重绳、牵引绳及承马等部件之间存在强耦合关系,保证缆机架空部分的平稳运行成为缆机设计的关键。随着我国对缆机速度及载荷量要求的不断提高,迫切需要应用动力学和现代设计分析方法与手段,对缆机架空部分部件的运动机理进行深入的研究,以提高缆机运行的平稳性和使用可靠性。论文以现代设计理论为指导,对重型缆机中的架空系统的动力学特性以及设计中的关键问题进行了系统的研究,主要研究内容和研究成果归纳如下：1.系统地研究了重型缆机承载索的动力学建模方法。针对缆机架空部分中起升系统与承载索之间存在的强耦合作用及缆机的结构特点,把缆机架空系统合理的抽象成悬挂于两等高固定端的均质弹性连续体和具有一定质量—刚度—阻尼的移动振子的物理模型。然后应用汉密尔顿(Hamilton)原理列写了该系统的运动方程,通过力和位移协调推导出了一组控制索—振子运动的偏微分方程组,在方程中考虑了科氏(Coriolis)惯性力以及缆索的非线性弹性恢复力。由于该微分方程组不存在封闭的解析解,因而运用伽辽金法(Galerkin)方法,把偏微分方程组转化成了常微分方程组以便利于数值积分求解。2.针对控制索-振子运动的微分方程,对数值积分和动力学仿真的方法分别进行了研究。首先研究了形函数的阶数对收敛性的影响,根据重型缆机架空部分的结构形式,并考虑跨度、垂度以及载重量等因素,选择正弦函数作为形函数并编制了MATLAB程序。应用该程序,在缆机的匀速、紧急加(减)速、加载以及减载等典型工况下,对悬索的动力学特性进行了研究。为了对动力学分析结果进行验证,在动力学仿真软件ADAMS平台上建立了缆机承载索的动力学模型并进行了仿真,仿真结果与数值积分的求解结果基本一致。研究结果表明：小车的运动速度、吊重等对悬索的动力学特性有比较明显的影响,而其中对缆机运行平稳性影响最大的是载重小车的运行速度。对于目前使用最多的30t级缆机及其相应的架空结构,小车的最大匀速不宜超过7.5m/s,否则会导致缆索的急剧跳动,对缆机的平稳运行十分不利。结论解释了为何缆机载重小车的工作速度存在速度限制闽值。3.运用叁维建模软件和机械系统动力学分析软件,对架空系统中的重要部件——承马的结构进行了优化设计研究。论文结合承马的结构特征和设计流程,具体研究了承马的叁维设计方法,并用实例进行了验证；在ADAMS平台上对承马进行了动力学仿真,通过参数优化设计,确定了保证承马托轮臂得到合理张开角度时托轮臂铰点的最优位置,在此基础上通过对承马关闭弹簧的刚度和阻尼参数的优化,可整体提高承马启闭过程的平稳性和可靠性,并提高承马启闭响应的灵敏度。4.通过对缆机不同工况和载荷下的运行状况分析,求解状态方程确定了缆机工作时各个承马中从空中脱落风险最大的承马。以该承马的载荷和受力特性为基础,选择空载、轻载以及满载等典型工况对缆机运行过程中承马的受力状况进行有限元结构分析,确定了承马结构中最为薄弱的部分。研究方法和结果可直接应用于承马的设计工作,对承马结构轻型化、提高承马工作的可靠性具有一定参考价值。5.对于缆机承载索的疲劳问题进行了理论研究。通过单根钢丝及整条缆索的受力分析,证明缆机承载索的疲劳与悬索桥等其他悬索结构中索的疲劳有所不同,悬索桥等其他悬索结构中索的疲劳属于轴向疲劳问题,而缆机承载索的疲劳属于弯曲疲劳问题,并从理论上论证了缆机承载索的疲劳发生在承载索的表面而非靠近索中性面的原因。通过对承载索进行有限元分析,计算出载重小车运行过程中承载索交变应力的幅值,并结合经典的应力-寿命S—N曲线,对缆机承载索的疲劳寿命的主要影响因素进行了研究,证明了承载索的疲劳寿命与缆机载重小车的循环次数、吊运重量及承载索直径等参数的关联度。通过工程实例的验算,计算出某30t级缆机在吊运300kN载荷时承载索的寿命仅仅略高于30万个工作循环,从理论上论证了承载索的国外供货方不愿对承载索的寿命做出高于30万个工作循环承诺的原因,对目前承载索安全系数的选择是一个很好的补充,并可提高缆机的使用安全性。论文对工程对象进行分析与综合,原始参数来源于工程案例,研究成果均有相应的工程实例验证,对缆机设计具有指导意义。
参考文献：
[1]. 多体系统动力学建模方法及在水下缆索中的应用研究[D]. 李晓平. 天津大学. 2004
[2]. 水下航行器锚泊驻留稳定性研究[D]. 张斌. 西北工业大学. 2016
[3]. 水电工程重型缆机架空索道系统动力学及可靠性研究[D]. 夏大勇. 武汉大学. 2013
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